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5G总体白皮书.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.57M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    摘 要 5G 致力于应对 2020 后多样化差异化业务的巨大挑战，满足超高速率、超低时延、高速移动、高能效 和超高流量与连接数密度等多维能力指标。FuTURE 论坛 5G 特别兴趣组（SIG）围绕着“柔性、绿色、极 速”的 5G 愿景，以“5+2”技术理念，重新思考 5G 网络的设计原则： 1) 香农理论再思考（Rethink Shannon）：为无线通信系统开启绿色之旅 2) 蜂窝再思考（Rethink Ring & Young）：蜂窝不再（no more cell） 3) 信令控制再思考（Rethink signaling & control）：让网络更智能 4) 天线再思考（Rethink antennas）：通过 SmarTIle 让基站隐形 5) 频谱空口再思考（Rethink spectrum & air interface）：让无线信号“量体裁衣”，以及 6) 前传再思考（Rethinking fronthaul）：通过下一代前传接口（NGFI）实现柔性无线接入网（RAN） 7) 协议栈再思考（Rethinking the protocol stack）：实现差异化接入点灵活配置以及 BBU 和远端无 线系统功能优化 围绕上述理念，FuTURE 论坛 5G SIG 在 5G 网络架构、RAN 和空口研发方面的取得了显著进展，本 白皮书对相关成果做出总结，特别介绍了用户中心网络（UCN）和软件定义空口（SDAI）两个核心概念。 UCN 架构有如下四个特征： • RAN 重构：为充分利用多样化的接入技术组合、提升组网效率，传统的蜂窝边界将允许动态重构 调整、传统的协议栈以及基带功能将被切分并以最优的方式分布在重构的 RAN 网络节点和相关 子系统上； • 边缘提升：以支持超低的端到终端延迟（低至 1ms），高效的数据分流、分发、本地移动性、各 种边缘业务（包括 RAN 上下文开放使能的跨层优化），以及移动边缘云； • CN-RAN 再划分：以支持融合多制式技术、低的端到端延迟（不超过 10ms），并充分利用控制 转发分离（SDN）和软硬件解耦（NFV）的优点； • 网络切片即服务：支持通过 SDN/ NFV 实现多个垂直子平台，并能够通过一种更强大的水平平台 实现多个垂直子平台的融合；对于有效地满足“互联网+”的挑战和机遇，具有重要意义。 SDN, NFV, C-RAN, NGFI, UDN, Multi-RAT/RIT, D2D 和灵活网络切片是 UCN 核心技术。大数据分析 也是 UCN 动态特性不可缺少的部分。
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 与以前的空口制式不同，SDAI 不是单一的基于参数化 AMC 的空口，也不是针对不同用户场景而独立 设计的多个空口的简单合集。相反，SDAI 通过物理层不同功能模块的可配组合来满足多样化需求。这些 功能模块包括帧结构、双工模式、波形、多址方案、调制编码和多天线空域处理方案以及频谱策略等。SDAI 通过优化的定制能力满足增强移动宽带（eMBB）、低功耗大连接（ mMTC）和低时延高可靠（uMTC） 三类典型场景需求，具备如下两个鲜明特性： 1) 敏捷：SDAI 通过可编程可配置功能，实现空口技术灵活构造及针对用户和业务模式的参数裁剪能力。 2) 高效：SDAI 尽力构建统一的构架，最大化共性功能，最小化满足定制需求的特殊能力，支持不同场 景和接入技术，同时在保持最小化特殊功能情况下，提供特殊定制化服务。 统一自适应帧结构、灵活双工、灵活多址、灵活波形、大规模天线、新型调制编码以及灵活频谱使用 目前被认为是 SDAI 的关键使能技术，而协议栈重构对 SDAI 同样不可缺少。 5G 将与 4G 演进技术以及其他无线接入技术（包括 WALN 演进）在长时期内紧密共存。4G 在 6GHz 频段以下的增强可以满足 5G 部分场景需求，而 5G 工作频段包括高频与低频，满足所有场景需求。在频 谱策略方面，低频段重点仍是覆盖与移动性增强，2.6GHz，3.5GHz 和其他 6GHz 以下频段可针对容量需 求设计。同时，6GHz 以上频段可用来支持更高带宽业务。安全技术和智能终端技术对 5G 而言同样重要。 本白皮书（版本 v2.0）将与 7 个专题技术白皮书（版本 v2.0a 到 v2.0g）共同发布，这 7 个专题白皮 书分别是《大规模天线技术》、《双工技术》、《高频段通信技术》、《新型多址技术》、《超密集网络 技术》、《5G 物理层安全技术》和《5G 测试测量技术》。 3GPP 已经启动了 5G 标准化工作并计划在 2019 年左右结束。本白皮书以及 7 个相关专题技术白皮书 将为 5G 设计提供参考，并推动 5G 标准化。我们期待着“柔性、绿色、极速”的 5G 网络在 2020 部署，带 来“万物互联”的新时代。 2
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 目录 摘要 ........................................................................................................................................................................... 1 1. 引言 .................................................................................................................................................................... 5 2. 5G 总体目标与框架 ........................................................................................................................................... 5 5G 总体需求 ................................................................................................................................................... 5 2.1 2.2 设计框架......................................................................................................................................................... 8 2.3 频谱策略......................................................................................................................................................... 9 2.4 测试需求........................................................................................................................................................11 3. 用户中心网络 UCN...........................................................................................................................................12 3.1 UCN 总体目标 ...............................................................................................................................................12 3.1.1. 端到端总体架构与目标 .....................................................................................................................12 3.1.2. 无线接入网总体目标 .........................................................................................................................13 3.2 无线接入网框架 ............................................................................................................................................14 3.2.1. 无线接入网重构 .................................................................................................................................15 3.2.2. 增强边缘 ............................................................................................................................................16 3.2.3. 核心网与接入网重分 .........................................................................................................................17 3.2.4. 网络切片即服务 .................................................................................................................................18 3.3 关键使能技术 ................................................................................................................................................18 3.3.1. UDN ...................................................................................................................................................18 3.3.2. C-RAN/NGFI.......................................................................................................................................20 3.3.3. SDN/NFV ............................................................................................................................................21 3.3.4. 灵活的网络切片 .................................................................................................................................24 3.3.5. 网络能力开放 .....................................................................................................................................27 3.3.6. 多连接与多空口 .................................................................................................................................29 3.3.7. D2D ....................................................................................................................................................31 3.3.8. 动态网络 ............................................................................................................................................33 4. 软件定义空口 SDAI ..........................................................................................................................................36 4.1 SDAI 总体目标 ..............................................................................................................................................36 SDAI 总体框架 ..............................................................................................................................................36 4.2 4.3 关键使能技术 ................................................................................................................................................38 4.3.1. 统一自适应帧结构 .............................................................................................................................38 4.3.2. 灵活双工 ............................................................................................................................................40 4.3.3. 灵活多址 ............................................................................................................................................41 4.3.4. 灵活波形 ............................................................................................................................................43 4.3.5. 大规模多天线 .....................................................................................................................................44 4.3.6. 新型调制编码 .....................................................................................................................................46 4.3.7. 灵活频谱使用 .....................................................................................................................................47 5. 5G 安全技术......................................................................................................................................................48 5.1 5G 安全架构 ..................................................................................................................................................48 3
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 5.2 终端安全技术 ................................................................................................................................................50 5.2.1. 安全需求 ............................................................................................................................................50 5.2.2. 关键技术 ............................................................................................................................................51 5.3 空口安全技术 ................................................................................................................................................53 5.3.1. 安全需求 ............................................................................................................................................53 5.3.2. 关键使能技术 .....................................................................................................................................54 5.4 数据处理和传输安全技术 .............................................................................................................................54 5.4.1. 安全需求 ............................................................................................................................................54 5.4.2. 关键技术 ............................................................................................................................................55 5.5 应用层安全技术 ............................................................................................................................................56 5.5.1. 安全需求 ............................................................................................................................................56 5.5.2. 关键技术 ............................................................................................................................................57 5.6 物理层安全技术 ............................................................................................................................................57 5.6.1. 安全需求 ............................................................................................................................................57 5.6.2. 关键使能技术 .....................................................................................................................................58 6. 5G 智能终端......................................................................................................................................................60 6.1 智能终端通信需求 ........................................................................................................................................61 6.2 智能终端通信能力 ........................................................................................................................................61 6.2.1. 个人信息中心 .....................................................................................................................................62 6.2.2. 可穿戴设备 ........................................................................................................................................63 6.2.3. 智能机器设备 .....................................................................................................................................64 6.2.4. 微型传感器 ........................................................................................................................................65 7. 总结 ...................................................................................................................................................................66 参考文献 ...................................................................................................................................................................67 缩略语 .......................................................................................................................................................................67 致谢 ..........................................................................................................................................................................69 4
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 1. 引言 5G 致力于应对 2020 后多样化差异化业务的巨大挑战，满足超高速率、超低时延、高速移动、高能效 和超高流量与连接数密度等多维能力指标。FuTURE 论坛 5G 特别兴趣组（SIG）围绕着“柔性、绿色、极 速”的 5G 愿景，重新思考 5G 网络的设计原则：香农理论再思考：为无线通信系统开启绿色之旅；蜂窝再 思考（Rethink Ring & Young）：蜂窝不再（no more cell）；信令控制再思考（Rethink signaling & control）： 让网络更智能；天线再思考（Rethink antennas）：通过 SmarTile 让基站隐形；频谱空口再思考（Rethink spectrum & air interface）：让无线信号“量体裁衣”。围绕这些理念，FuTURE 论坛 5G SIG 在 5G 网络架构、 RAN 和空口研发方面的取得了显著进展[1, 2]。 在 5G 业务场景与需求、关键技术逐渐明晰，以及 5G 标准化即将开展之时，迫切需要给出 5G 系统设 计框架以及面向标准化的系统解决方案。本白皮书（版本 2.0）基于之前的设计原则，进一步对前传链路 和协议栈再思考，聚焦用户中心网络（UCN）和软件定义空口（SDAI），重点关注如下内容： • 5G 总体框架与目标 • UCN 架构与关键使能技术 • • SDAI 与关键使能技术 5G 安全与智能终端技术 本白皮书（版本 2.0）于 2015 年 11 月发布，目的是统一共识，凝聚力量，应对 5G 标准化。后续版本 根据 5G 研发进展情况适时更新。 2. 5G 总体目标与框架 2.1 5G 总体需求 根据图 2.1 中业务预测报告显示：2014 到 2019 年全球 IMT 流量将进一步快速增长，总的流量上涨倍 数达到几十到 100 倍 [3]。另外，我国“互联网+”国家战略需求中明确指出：未来电信基础设施和信息服务 要在国民经济中下沉，满足农业、医疗、金融、交通、流通、制造、教育、生活服务、公共服务、教育和 能源等垂直行业的信息化需求，改变传统行业，促生跨界创新。因此，未来 5G 网络不仅需要继续面对移 动互联网业务带来的挑战，例如：频谱效率和用户体验速率的提升，时延的减少，移动性的增强等，同时 还需要满足物联网多样化的业务需求。 5
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 从信息交互对象不同的角度出发，目前 5G 应用分为三大类场景：增强移动宽带（eMBB）、海量机 器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（eMTC）。eMBB 场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上， 对于用户体验等性能的进一步提升，主要还是追求人与人之间极致的通信体验。mMTC 和 uMTC 都是物联 网的应用场景，但各自侧重点不同。mMTC 主要是人与物之间的信息交互，而 uMTC 主要体现物与物之间 的通信需求。 (a)全球不同区域业务增长趋势 （b）全球业务类型增长趋势 （c）全球终端及连接数增长趋势 图 2.1 全球移动业务 2014-2019 增长趋势 5G 网络关键能力指标（KPI）在不同场景下侧重点不尽相同。本白皮书第一版（版本 v1.0）[2] 定义了 两类 KPI：一是速率、时延、密度和移动性等性能指标，二是频谱效率、能效效率以及成本效率等效率指 标。本白皮书与 ITU [4] 相比，两者定义的 KPI 指标基本一致。但前者定义了 ITU 没有定义的端到端时延 和成本效率指标，对于频谱效率的指标要求也要高于 ITU。图 2.2 给出了具体的 KPI 目标值，可见为了追 求极致的用户体验，有些如车联网和工业互联网等场景对于 5G 部分 KPI 指标要求极具挑战性。 6
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 图 2.2 5G 能力 KPI（引自 Future-Forum 第一版白皮书 [2] 及 ITU 愿景报告[4]） 为了满足 2020 后的 eMBB 需求，一方面，4G 空口将持续演进和增强：通过更多的载波聚合（如 32 载波）和多天线增强，如 FD-MIMO，Massive MIMO 等实现更高吞吐率；通过多连接、多 RAT 融合持续 增强技术实现更好的异构组网和用户体验；通过更加灵活的频谱使用增加可用频率总量和频率利用效率。 另一方面，为了达到 5G 部分极高 KPI 指标，如 10Gbps 峰值速率，需要引入 5G 新空口和新技术特性。 为了满足 mMTC 场景需求，基于 4G 的 M2M 特性将在技术和实现上持续演进和增强，满足一定场景 的需要。更重要的，需要设计全新的针对低功耗、大连接、低成本、深度覆盖的 5G 物联网新空口，针对 物联网业务特性设计全新的系统带宽，选择合理的载波设计，优化实现信令过程和业务过程，以极低的成 本满足未来千亿连接的物联网广泛普及使用的需求。 为了满足 uMTC 场景需求，拓展车联网、工业控制等场景，一方面可以基于现有 LTE-A 系统，进一 步扩展和增强 D2D 特性、群组通信特性等支持更多行业的扩展，另外可以在后向兼容的基础上设计新子 帧结构和传输过程，缩短端到端时延，提升用户体验。但是 4G 增强很难满足 5G 提出的 1ms 空口时延以 及 99.999%可靠性的需求，所以需要设计 5G 新空口，引入新的载波设计，缩短子帧长度，支持新的调度 和资源分配模式，新的组网形态和端到端传输方式等以缩短时延，同时引入先进的编码调制，先进的传输 方式以提高传输的可靠性。 由于支持的场景众多，频率范围广，5G 空口设计上应尽量灵活可配置，避免多网络重复建设，降低 系统复杂度和整网成本。尽量统一灵活空口设计将成为 5G 空口重要目标。 综上，在 5G 演进路线上，4G 及其演进系统与 5G 系统将长期共存，并与其它无线宽带技术（如下一 代 WLAN）紧密融合，如图 2.3 所示。4G 演进主要面向 6GHz 以下频段，满足部分 5G 场景和需求，5G 新空口则同时工作在低频段和高频段，满足全部 5G 场景和需求。 7
    未来移动通信论坛 5G 白皮书 图 2.3 5G 技术路线图 2.2 设计框架 5G 设计框架包含了 5G 愿景、5G 场景、5G 能力、设计理念、核心技术、测试评估和 5G 方案等多个 要素。网络愿景是“柔性、绿色、极速”[2]。目标场景是 eMBB、mMTC 和 uMTC，包括移动互联网、工业 互联网和车联网以及其他具体场景[4]。为实现愿景和场景目标，图 2.2 清晰的定义了 5G 能力。如图 2.4 和 2.5 所示，为了实现这些目标和能力，5G 设计理念从香农理论再思考、蜂窝再思考、信令控制再思考、 天线再思考、频谱空口再思考 [2]，到前传再思考和协议栈再思考，全面定义 5G 设计原则。基于这些理念， UCN 和 SDAI 两个核心概念被明确作为 5G 系统解决方案的基础，这里 UCN 通过 RAN 架构和功能重定义， 尝试提供一个拥有公共的高层协议的统一的无线接入架构，而 SDAI 通过空口不同功能模块的重定义，提 供一个具备面向各种差异化业务和场景的定制能力的统一空口。UCN 和 SDAI 中关键使能技术的性能将被 评估和测试，同时考虑频谱策略和测试测量技术，以验证技术 UCN 和 SDAI 的 5G 解决方案是否能达到 5G 能力目标，这是一个闭环设计过程。 图 2.4 从 5G 愿景到研发理念 [2] 8
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