禹 忠，陳彥萍，周運基，李建雄

(1.西安郵電大學 通信與信息工程學院,陜西 西安 710121； 2.西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710121；3.唐山廣播電視臺，河北 唐山 063000)

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，移動通信接入方式和數(shù)量爆炸式增長，以及移動業(yè)務內(nèi)容迅猛擴張，4G長期演進技術(shù)。長期演進(long term evolution， LTE))技術(shù)越來越不能滿足人們對更大的網(wǎng)絡容量，更高的用戶吞吐量，更有效的頻譜利用率，更寬的帶寬，更低的延遲，更低的功率需求。2012年全球主要國家和區(qū)域紛紛啟動5G移動通信技術(shù)需求和技術(shù)研究工作。

國際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，ITU)和第3代合作計劃(3rd generation partnership project，3GPP)啟動了一系列5G工作，如5G愿景、需求、評估方法等，并于2015年6月正式發(fā)布了5G;智能多模式終端國際移動通信2020(intelligent multimode terminal，IMT-2020)愿景，明確了面向2020年及未來的移動通信市場、用戶、業(yè)務應用的發(fā)展趨勢，并提出未來移動通信系統(tǒng)的框架和關(guān)鍵能力[1]。

國際電信聯(lián)盟經(jīng)過多輪討論，最終確定了5G的3大類應用場景和技術(shù)指標，如圖1所示，包括以下3個方面。

圖1 IMT-2020 應用場景

1)應用于移動互聯(lián)網(wǎng)的增強移動寬帶(enhanced mobile broadband，eMBB)，在當前移動寬帶業(yè)務場景的基礎(chǔ)上對用戶體驗等性能進一步提升，追求人與人之間極致的通信體驗。

2)大規(guī)模機器類通信(massive machine type communications，mMTC)，即大連接物聯(lián)網(wǎng)，適用于萬物互聯(lián)下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。

3)超可靠低延時通信(ultra reliable and low latency communications，URLLC)，即高性能物聯(lián)網(wǎng)，適用于無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務。

根據(jù)ITU愿景，如圖2所示，IMT-2020系統(tǒng)所包括新功能超越了IMT-Advanced的功能，ITU定義了8大關(guān)鍵技術(shù)指標，其中峰值速率、移動性、時延和頻譜效率是傳統(tǒng)的移動寬帶關(guān)鍵技術(shù)指標，新定義了4個關(guān)鍵指標，即用戶體驗速率、連接數(shù)密度、流量密度和能效[2]。3大場景包括8個指標，其中eMBB重點關(guān)注6個指標，大規(guī)模機器類型通信(massive machine type communication,mMTC)。重點關(guān)注2個指標，極可靠低時延通信(ultra-relaible and low latency communication,URLLC)則強調(diào)傳輸時延指標。5G將滿足20 Gbit/s的光纖般接入速率、毫秒級時延的業(yè)務體驗、千億設(shè)備的連接能力、超高流量密度和連接數(shù)密度及百倍網(wǎng)絡能效提升等極致指標，為此，人們開展了5G系統(tǒng)設(shè)計和標準化的研究工作。

圖2 IMT-2020關(guān)鍵能力

1 5G標準進展

移動通信的標準主要在ITU和3GPP中進行，其中，ITU屬于聯(lián)合國下統(tǒng)一全球信息通信技術(shù)事務，ITU會以建議書和報告的形式制定用于移動通信的無線電接口標準。國際電信聯(lián)盟-無線電通信部(ITU-radiocommunica，ITU-R)從1990年代后期推動了全球移動通信的IMT系統(tǒng)標準制定，包括IMT-2000和IMT-Advanced等標準，成功地實現(xiàn)了3G和4G網(wǎng)絡的全球化。ITU-R成員通常來自世界各地的主管部門，整個電信行業(yè)以及學術(shù)/研究組織，他們參加了有關(guān)有效管理和頻譜/軌道資源使用，無線電系統(tǒng)的特性和性能，頻譜監(jiān)控以及用于公共安全的緊急無線電通信。其中，5D工作組(working party 5D，WP 5D)是ITU-R第5研究組的一部分，該研究組負責IMT系統(tǒng)的整個無線電系統(tǒng)方面。2012年初，ITU-R發(fā)起了一項研究計劃，幫助開發(fā)2020年及以后的移動通信系統(tǒng)、愿景，為全球范圍內(nèi)開展廣泛5G研究活動奠定基礎(chǔ)。ITU-R 5D工作組已經(jīng)完成了對IMT-2020時間表和提交流程以及IMT-2020系統(tǒng)的最低要求和評估方法的意見。ITU-R M.2410-0以及ITU-R M.2412-0報告詳細解釋了評估IMT-2020系統(tǒng)的技術(shù)特性，其中包括服務和頻譜方面以及與技術(shù)性能有關(guān)的要求[2-3]。根據(jù)IMT-2020過程，提交候選人的截止日期為2019年第3季度，隨后由外部小組進行獨立評估，最終在2020年第三季度形成IMT-2020規(guī)范[3]。

3GPP國際標準組織作為全球3G和4G主流移動通信標準制定組織，成立于1998年12月，成功地推出了3G和4G的標準并主導了全球移動通信的發(fā)展，3GPP標準化工作主要由無線電接入網(wǎng)(radio access network，RAN)、服務與系統(tǒng)方面(services& systems aspects，SA)和核心網(wǎng)及終端(core network & terminals CT)等3個工作組開展。2015年9月3GPP啟動了5G新型無線空口(5G new radio，5G NR)的研究，3GPP服務和需求工作組負責5G服務需求，這些3GPP候選技術(shù)的初步研究是3GPP Rel-14的一部分，并于2017年3月完成。2015年底，3GPP系統(tǒng)架構(gòu)工作組批準了有關(guān)下一代系統(tǒng)架構(gòu)研究的技術(shù)報告，該報告提出了3GPP的5G架構(gòu)設(shè)計愿景，對新ITU-R M的支持，演進的LTE，以及與非3GPP接入網(wǎng)絡的互通。如圖3所示，基于RAN可行性研究的成果，3GPP分為Phase1和Phase 2兩個階段開發(fā)5G規(guī)范。

Phase1對應Rel-15版本，Phase 2對應Rel-16版本。每個Phase又細分為Stage1、Stage2和Stage3等3個階段，Stage1是業(yè)務需求階段，Stage2是系統(tǒng)架構(gòu)階段，Stage3是具體的協(xié)議階段。Rel-15本來分為非獨立組網(wǎng)版和獨立組網(wǎng)版本兩個版本，其中非獨立組網(wǎng)版本在2017年12月發(fā)布，在2018年8月凍結(jié)，由于又增加了更多組網(wǎng)架構(gòu)的支持，Rel-15又定義了一個“Late Drop”版本于2019年6月完成，產(chǎn)業(yè)界可以依照這個版本開始早期的設(shè)備研發(fā)和網(wǎng)絡部署。2018年3月，3GPP開始了Rel-16標準制定工作，Rel-16在增強基礎(chǔ)的移動寬帶業(yè)務能力和基礎(chǔ)網(wǎng)絡架構(gòu)能力的同時，重點提升對垂直行業(yè)應用的支持，特別是對低時延高可靠類業(yè)務的支持。在移動寬帶業(yè)務能力方面，R16將重點研究多天線增強、載波聚合與大帶寬增強、遠端干擾刪除以及已經(jīng)開展的非正交多址和免許可5G技術(shù)。Rel-16將在2020年6月凍結(jié)。這兩個版本的完成標志著3GPP 5G標準制定工作結(jié)束。同時，5G標準中還存在大量遺留工作，于是2019年10月3GPP開始了Rel-17版本研究工作，計劃2021年底結(jié)束。

圖3 3GPP Rel-15和Rel-16研究計劃

到2019年底，與Rel-16相關(guān)的83項研究以及與Rel-17相關(guān)的13項研究正在進行中，涉及的主題包括多媒體優(yōu)先服務，車輛到所有車對外界的信息交換(vehicle to everything，V2X)應用層服務，5G衛(wèi)星接入，5G局域網(wǎng)支持，5G的無線和有線融合，終端定位和位置，垂直域中的通信以及網(wǎng)絡自動化和新穎的無線電技術(shù)。關(guān)于安全性，編解碼器和流服務，局域網(wǎng)互通，網(wǎng)絡切片和物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)的進一步研究已經(jīng)啟動或取得進展。5G中各版本技術(shù)特征如表1所示。

表1 3GPP 5G NR各版本關(guān)鍵技術(shù)

3GPP需要向ITU-R提交5G標準提案，經(jīng)ITU-R組織評估后確認為國際標準。如圖4所示，3GPP向ITU-R提交5G標準提案的時間節(jié)點和內(nèi)容分下述3個步驟[4]。

圖4 3GPP向ITU-R提交5G標準提案的時間節(jié)點和內(nèi)容

步驟1從2017年9月到2017年12月，在RAN ITU-R Ad-Hoc中進行討論，自我評估校準，準備并最終確定要提交給ITU-R WP 5D#29的初始描述模板信息。

步驟2從2018年初到2018年9月，目標是在2018年9月提交“更新和自我評估”，針對增強eMBB，mMTC和URLLC要求以及針對NR和LTE功能的測試環(huán)境進行性能評估，更新描述模板并根據(jù)自我評估結(jié)果準備合規(guī)性模板，根據(jù)2018年9月的Rel-15提供描述模板，合規(guī)性模板和自我評估結(jié)果。

步驟3從2018年9月到2019年6月，以2019年6月的最終提交為目標，通過考慮Rel-15之外的Rel-16更新來進行性能評估更新，更新描述模板和合規(guī)性模板。實際該工作已經(jīng)延誤到2020年6月。

2 5G通信中關(guān)鍵技術(shù)

5G實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的平滑演進，既繼承了4G中成熟的關(guān)鍵技術(shù)，又采用大量改進的新技術(shù)[5]。

2.1 靈活的頻譜技術(shù)

5G NR物理層信號傳輸框架繼承了4G LTE的基礎(chǔ)設(shè)計，仍采用正交頻分多址(orthogonal frequency division multiple access，OFDMA)作為上行和下行基礎(chǔ)多址方案，支持頻分的雙工(frequency-divisionduplex，F(xiàn)DD)和時分雙工(time-division duplex (time-divisionduplex， TDD)方式，下行采用循環(huán)前綴-OFDM (cyclic-OFDM prefix-OFDM，CP-OFDM)，上行支持CP-OFDM和離散傅里葉變換擴展OFDM(OFDMdirec fourier transformer spread OFDM (DFT-s-)(DFT-s-OFDM)兩種波形調(diào)制，相比于LTE系統(tǒng)90%的頻譜利用率，5G NR支持更高的頻譜利用、更陡的頻譜模板，并通過基于實現(xiàn)的新波形方案避免頻帶之間的干擾[6]。

5G NR支持更大的頻譜帶寬，在6 GHz以下的頻譜，5G新空口支持最大100 MHz的頻譜帶寬。針對20～50 GHz毫米波頻段，5G NR支持最大400 MHz的頻譜帶寬，較之4G LTE系統(tǒng)的最大20 MHz頻譜帶寬，5G能更有效地利用頻譜資源，支持增強移動寬帶業(yè)務。5G NR采用部分帶寬設(shè)計，靈活支持多種終端帶寬，支持非連續(xù)載波，可以降低終端功耗并適應多種業(yè)務需求[7-9]。

5G NR采用靈活參數(shù)集支持多樣帶寬傳輸。如圖5所示，5G NR以15 kHz子載波間隔為基礎(chǔ)，可根據(jù)15×2u MHz靈活擴展，其中u=0，1，2，3，4，也就是說NR支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz和240 kHz等5種子載波間隔，其中子載波15 kHz、30 kHz、60 kHz 適用于sub-6 GHz的頻譜，子載波60 kHz、120 kHz、240 kHz適用于高于6 GHz頻段[7,10]。

2.2 靈活幀結(jié)構(gòu)

LTE系統(tǒng)定義了7種幀結(jié)構(gòu)、11種特殊子幀格式，5G NR定義了56種時隙格式，并可以基于符號靈活定義幀結(jié)構(gòu)。LTE幀結(jié)構(gòu)以準靜態(tài)配置為主，高層配置了某種幀結(jié)構(gòu)后，網(wǎng)絡在一段時間內(nèi)固定采用該幀結(jié)構(gòu)，幀結(jié)構(gòu)周期為5 ms和10 ms，在特定場景下，也可以支持物理層的快速幀結(jié)構(gòu)調(diào)整。5G NR從一開始設(shè)計就支持準靜態(tài)配置和快速配置，支持更多周期配置，如0.5 ms、0.625 ms、1 ms、1.25 ms、2 ms、2.5 ms、5 ms和10 ms，此外，時隙中的符號可以配置上行、下行或靈活符號，其中靈活符號可以通過物理層信令配置為下行或上行符號，以靈活支持突發(fā)業(yè)務[7,11-12]。

5G NR實現(xiàn)傳輸資源和傳輸時間的靈活可配。支持多種資源塊顆粒度，如基于時隙、部分時隙、多個時隙的力度，以滿足不同業(yè)務需求。支持可配置的新數(shù)據(jù)分組傳輸和重傳時序，既滿足靈活幀結(jié)構(gòu)，又滿足低時延需求。

圖5 5G NR幀結(jié)構(gòu)定義

2.3 5G NR大規(guī)模天線

5G NR支持基于波束的系統(tǒng)設(shè)計，提供更靈活的網(wǎng)絡部署手段。LTE中同步、接入采用廣播傳輸模式，數(shù)據(jù)信道支持波束成形傳輸模式。為了實現(xiàn)同步、接入和數(shù)據(jù)傳輸3個階段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、數(shù)據(jù)信道均基于波束傳輸，并支持基于波束的測量和移動性管理，以同步為例，NR支持多個同步信號塊，單邊帶(single side ban，SSB)可以指向不同的區(qū)域，比如樓宇的高層、中層和地面，為網(wǎng)絡規(guī)劃提供更多可調(diào)手段。

NR支持數(shù)字和混合波束成形。低頻NR主要采用傳統(tǒng)的數(shù)字波束成形，針對高頻NR，既需要補償路損，又需要合理的天線成本，因而NR引入“擬+數(shù)字”模的混合波束成形。NR下行支持最大32端口的天線配置，上行支持最大4端口的天線配置；在具體MIMO傳輸能力方面，下行單用戶最大支持8流，最大支持12個正交多用戶，上行單用戶最大支持4流。與LTE定義了多種傳輸模式不同，NR目前定義了一種傳輸模式，即基于專用導頻的預編碼傳輸模式。此外，相比于LTE，5G新空口定義更多導頻格式如front-loaded和支持高速移動的額外解調(diào)參考信號(demodulation reference signal,DMRS)以支持更多天線陣列模式和部署場景[8- 9]。

3 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)標準包括新的總體架構(gòu)和協(xié)議模型，針對移動寬帶數(shù)據(jù)服務提供優(yōu)化的用戶接入、會話管理、服務質(zhì)量、策略控制以及應用與網(wǎng)絡交互能力等基礎(chǔ)網(wǎng)絡內(nèi)容，還標準化了端到端網(wǎng)絡切片、靠近無線網(wǎng)的邊緣計算應用。

3.1 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)與接口

為支持差異化的5G應用場景和云化部署方式，5G采用全新的基于服務化系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)中的元素被定義為一些由服務組成的網(wǎng)絡功能，這些功能可以被部署在任何合適的地方，通過統(tǒng)一框架的接口為任何許可的網(wǎng)絡功能提供服務。這種架構(gòu)模式采用模塊化、可重用性和自包含原則來構(gòu)建網(wǎng)絡功能，使得運營商部署網(wǎng)絡時能充分利用最新的虛擬化和軟件技術(shù)，以細粒度的方式更新網(wǎng)絡的任一服務組件，或?qū)⒉煌姆战M件聚合起來構(gòu)建服務切片。圖6描述了在控制平面內(nèi)使用基于服務的接口的非漫游參考架構(gòu)，該架構(gòu)體現(xiàn)了服務化架構(gòu)的設(shè)計原則[13]。

圖6 5G核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

5G核心網(wǎng)中主要網(wǎng)絡功能(network function，NF)的名稱和主要功能如下。

1)接入和移動性管理功能(access and mobility management function，AMF)：主要提供網(wǎng)絡接入控制、接入和移動性管理等功能，是網(wǎng)絡附屬存儲(network attached storage，NAS)信令的終結(jié)點。5G AMF針對不同類型的用戶終端提供終端能力參數(shù)、不同的移動性策略和模式，并以此為依據(jù)提供優(yōu)化的連接管理和尋呼優(yōu)化。

2)用戶面功能(user plane function，UPF)：電源分配單元(power distribution unit，PDF)會話用戶面相關(guān)功能，即連接接入網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(data network，DN)之間采用特定的封裝傳遞用戶數(shù)據(jù)報文，實現(xiàn)服務質(zhì)量(quality of service，QoS)、監(jiān)聽、計費等方面的功能;UPF不但實現(xiàn)4G網(wǎng)絡中服務網(wǎng)關(guān)(serving gateway，SGW)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(packet data gateway，PGW)中的用戶面的各項功能外，還支持邊緣計算等新特性所需的用戶面功能。

3)會話管理功能(session management function，SMF)：電源分配單元(power distribution unit，PDU)，會話管理(建立、刪除、修改等)、UPF選擇、終端IP地址分配等；SMF實現(xiàn)了4G網(wǎng)絡中SGW、PGW中的控制面的各項功能，5G支持的PDU會話類型包括IPv4、IPv6、以太網(wǎng)和無結(jié)構(gòu)。

4)網(wǎng)絡存儲功能(network repository function，NRF)：實現(xiàn)服務的管理功能。NF啟動時將自己提供的服務注冊到NRF。當NF需要使用服務時，先查詢NRF，即可發(fā)現(xiàn)提供該服務的NF信息。

5)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能(unified data management，UDM)：用戶簽約數(shù)據(jù)和鑒權(quán)數(shù)據(jù)的管理。

6)鑒權(quán)服務器功能(authentication server function，AUSF)：實現(xiàn)對用戶的鑒權(quán)的相關(guān)功能，與安全錨點功能(security anchor function，SEAF)配合完成密鑰相關(guān)的操作。

7)策略控制功能(policy gontrol function， PCF)：實現(xiàn)統(tǒng)一的策略和計費控制的節(jié)點，制定并下發(fā)策略給控制面NF、虛幻引擎(unreal engine，UE)。

8)網(wǎng)絡開放功能(network exposure function，NEF)：實現(xiàn)將網(wǎng)絡能夠提供的業(yè)務和能力“暴露”給外部如第三方實體。

9)網(wǎng)絡切片選擇功能(network slice selection function，NSSF)：根據(jù)用戶簽約和UE上報的候選網(wǎng)絡切片選擇信息(single network slice selection assistance information，NSSAI)來為UE選擇一個服務切片實例，并為UE指派提供服務的AMF集合。

10)應用功能(application function，AF)：與核心網(wǎng)交互，以提供業(yè)務(如IP多媒體系統(tǒng),IP multimedia subsystem，IMS)的AF提供IMS話音呼叫服務。

11)策略控制與計費功能(policy charging function，PCF)：在5G系統(tǒng)進行了擴展，從4G單純地針對業(yè)務數(shù)據(jù)流，擴展到覆蓋用戶接入移動性以及終端選路的策略控制。5G QoS質(zhì)量模型細化到每一個5元組的粒度，且由用戶面標簽直接實現(xiàn)，無需額外信令，使不同的數(shù)據(jù)服務能夠有效利用無線資源，以支持各種應用需求。

利用計算和存儲相互分離的思想，5G核心網(wǎng)還引入了可選的網(wǎng)絡功能(unstructured data storage function，UDSF)實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲，并為任意控制面的NF提供檢索功能。例如，將AMF中UE上下文數(shù)據(jù)交由UDSF存儲，其他的AMF也可以訪問，并在必要時比如某AMF死機時接管這些用戶數(shù)據(jù)。這種分離不但提升了網(wǎng)絡的魯棒性，還天然地支持NF的虛擬化部署，如運行在虛擬環(huán)境中的NF可以按需調(diào)增或調(diào)減計算能力。

3.2 空口高層協(xié)議設(shè)計與過程

5G NR的空口高層協(xié)議通過與物理層信號傳輸相配合，確?？湛跓o線數(shù)據(jù)按序可靠傳輸，無線資源高效管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡控制與切換管理等重要功能的系統(tǒng)傳輸過程。NR的空口協(xié)議棧和過程基于LTE，并根據(jù)5G傳輸特點，有針對性地增加了相應功能。

如圖7所示，NR的空口控制面協(xié)議棧采用了和LTE一樣的架構(gòu)[14]。

圖7 NR空口用戶面協(xié)議棧

控制面協(xié)議棧的核心協(xié)議層為無線資源控制(radio resource control，RRC)層，其功能大部分與LTE類似，比如支持系統(tǒng)信息、尋呼、接入控制、連接控制、安全、移動性管理、測量和網(wǎng)絡附屬存儲(network attached attached storage，NAS)消息傳輸?shù)取５谝恍┚唧w特性上，NR相比LTE有所增強。

NR的用戶面協(xié)議棧相比LTE做了一定的增強。用戶面協(xié)議棧自上至下包括服務數(shù)據(jù)適配協(xié)議(service data adaptation protocol，SDAP)，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(packet data convergence protocol，PDCP)，無線鏈路層控制(radio link control，RLC)層協(xié)議和媒體存取控制位址(media access control address，MAC)4個協(xié)議層。

SDAP層是NR新引入的協(xié)議層，該協(xié)議層的引入是因為5G核心網(wǎng)相比4G核心網(wǎng)在QoS、管理和承載粒度方面有重大的變化，需要一個新的協(xié)議層來進行5G的核心網(wǎng)到NR空口之間的承載映射。在4G階段，核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)以演進分組系統(tǒng)(evolved packet system ，EPS)承載的粒度發(fā)送到基站，基站將在EPS承載和空口的無線承載之間維持簡單的一對一關(guān)系;而5G核心網(wǎng)發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)粒度為QoS流，基站需要將相同或者相近QoS需求的QoS流映射到一個無線承載上完成空口的傳輸。科學數(shù)據(jù)分析平臺(science data analytics platform,SDAP)的主要功能是管理核心網(wǎng)QoS流與空口無線承載之間的映射關(guān)系，支持NAS：非接入層和接入層的反向映射功能，在數(shù)據(jù)包中攜帶QoS流標識信息，支持無損QoS流與空口無線承載之間的映射關(guān)系變更。

NR PDCP層繼承了LTE PDC的基本功能，主要為數(shù)據(jù)傳輸提供頭壓縮和安全方面的操作。相比于4G LTE，NR PDCP新增對數(shù)據(jù)業(yè)務完整性保護的功能，支持數(shù)據(jù)重復傳輸和重復數(shù)據(jù)刪除，支持重排序和亂序遞交功能。

NR RLC層也是在LTE RLC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，同樣支持TM、UM和AM等3種傳輸模式，為業(yè)務提供不同的傳輸可靠性保障。相比于LTE，NR RLC去掉了數(shù)據(jù)級聯(lián)功能，RLC分段數(shù)據(jù)單元(segment data unit，SDU)和RLC PDU之間是一一對應的關(guān)系，主要為了滿足在大數(shù)據(jù)處理時進行預處理的需求，并且將接收端的數(shù)據(jù)包重排序功能從RLC移到了PDCP，便于提升接收端處理效率。同時針對5G不同需求，對業(yè)務數(shù)據(jù)包和控制數(shù)據(jù)包格式進行了重新設(shè)計。

NR MAC層沿襲了LTE的基本特性，如對雙連接(dual connectivity，DC)、載波聚合(carrier aggregation，CA)的支持，MAC層基本過程等。同時，NR MAC層針對5G引入的一些新特性以及高層和物理層的增強進行了針對性設(shè)計。MAC層支持的新特性包括:帶寬部分(band width part，BWP)、光束故障恢復(beam failure recovery， BFR)、補充上行鏈路(supplementary uplink ,SUL)和PDCP復制等。MAC層過程仍包括隨機接入、上行TA維護、調(diào)度傳輸、資源預分配、緩沖區(qū)狀態(tài)報告(buffer status report，BSR)上報、功率余量報告(power headroom report ，PHR)上報和非連續(xù)接收(discontinu-ous reception，DRX)等，但每個過程針對NR特性各有增強。基于數(shù)據(jù)預處理的需求，MAC層對MAC PDU結(jié)構(gòu)做了根本性變更，MAC PDU格式改為由多個MAC subPDU組成，每個MAC subPDU是一個獨立的MAC子頭和必要的負載的組合。

4 5G NR接入網(wǎng)架構(gòu)與接口

針對5G網(wǎng)絡的高吞吐量、低延遲的密集部署，5G NR采用了中心控制節(jié)點(central unit，CU)和分布節(jié)點(distributed unit，DU)相結(jié)合的部分分離架構(gòu)形式，同時可以減少資本投入，降低維護成本。為了支持4G和5G網(wǎng)絡的融合以及滿足早期部署需求，還引入了LTE和5G NR的雙連接。

4.1 5G NR核心網(wǎng)架構(gòu)與接口

NR的接入網(wǎng)由gNB和ng-eNB兩類節(jié)點組成，其中g(shù)NB是提供NR接入技術(shù)的基站，而ng-eNB是提供E-UTRA接入技術(shù)并連接到5G核心網(wǎng)的基站，這兩類節(jié)點統(tǒng)稱NG-RAN節(jié)點。NG-RAN節(jié)點和5G核心網(wǎng)通過NG接口進行連接，NG-RAN節(jié)點之間通過Xn接口進行連接，如圖8所示[14]。

圖8 5G系統(tǒng)核心整體架構(gòu)

4.1.1 NG接口

NG接口分為用戶面和控制面，類似LTE的S1接口，NG接口用戶平面的傳輸網(wǎng)絡層基于IP傳輸，UDP/IP協(xié)議之上采用GTP-U來傳輸核心網(wǎng)和接入網(wǎng)之間的用戶平面分組數(shù)據(jù)單元(packet data unit，PDU)。NG接口控制平面與用戶平面類似基于IP傳輸，不同的是控制平面在IP層的上面采用流控制傳輸協(xié)議(stream gontrol Transmission protocol，SCTP)，為無線網(wǎng)絡控制層信令消息提供可靠的傳輸。NG接口的控制面和用戶面協(xié)議棧如圖9所示。NG控制面的主要功能包括NG接口管理、UE上下文管理、UE移動性管理、NAS消息傳輸、尋呼以及PDU會話管理等。用戶面提供NG-RAN節(jié)點和5G核心網(wǎng)之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖9 NG接口的用戶面和控制面協(xié)議棧

4.1.2 Xn接口

Xn接口也分為用戶面和控制面，其用戶面協(xié)議結(jié)構(gòu)和控制面協(xié)議結(jié)構(gòu)與NG接口類似。Xn的用戶面提供NG-RAN節(jié)點之間的用戶數(shù)據(jù)傳輸功能。控制面主要提供Xn接口管理、UE移動性管理(包括切換和尋呼)以及雙連接等功能。

4.2 接入網(wǎng)內(nèi)部分離架構(gòu)

為了支持靈活的網(wǎng)絡部署方式及接入網(wǎng)絡的虛擬化，5G NR引入了gNB-CU/gNB-DU分離的架構(gòu)。其中，gNB-CU是中心控制節(jié)點，包括RRC和PDCP功能，gNB-DU是分布節(jié)點，包括RLC、MAC和物理層。通過CU/DU的架構(gòu)，可以提升各節(jié)點間資源協(xié)調(diào)和傳輸協(xié)作能力，并通過將CU云化和虛擬化，可以提升網(wǎng)絡資源的處理效率。如圖10所示，為了進一步增強部署的靈活性和實現(xiàn)的便利性，可將gNB-CU的控制面和用戶面部署在不同的位置，引入gNB-CU-CP/gNB-CU-UP分離(用戶面和控制面分離)的架構(gòu)?？梢钥闯觯粋€gNB可由一個gNB-CU-CP和多gNB-CU-UP以及多個gNB-DU組成。gNB-CU-CP通過E1接口和gNB-CU-UP連接，gNB-DU通過F1接口和gNB-CU連接，其中F1-C終止在gNB-CU-CP，F(xiàn)1-U終止在gNB-CU-UP。

圖10 gNB-CU-CP和gNB-CU-UP分離架構(gòu)

E1接口主要支持接口管理和承載管理的功能，F(xiàn)1接口分為控制面和用戶面。F1接口控制面提供接口管理、系統(tǒng)信息管理、UE上下文管理、尋呼及RRC消息傳遞等功能；F1接口用戶面主要在gNB-DU和gNB-CU-UP之間提供數(shù)據(jù)傳輸，同時，F(xiàn)1用戶面還支持數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧骺貦C制，以進行擁塞控制。

4.3 5G NR中LTE和NR雙連接

未來5G應用頻譜資源包含了更高頻段，如6 GHz以上毫米波頻段，同時考慮到4G與5G網(wǎng)絡融合及更早推動5G網(wǎng)絡部署等方面，3GPP標準支持LTE與NR聯(lián)合組網(wǎng)的方式，即由LTE提供基本的覆蓋和移動性支持，5G NRRAN節(jié)點輔助提供更高的容量，這種組網(wǎng)方式稱為MR-dual gonnectivity(DC)(Multi-RAT)。如圖11所示，MR-DC根據(jù)接入網(wǎng)連接的核心網(wǎng)類型以及主輔節(jié)點的類型進一步分為如下3種方式。

圖11 5G NR中LTE和NR雙連接

EN-DC:EN-DC指E-UTRAN/NR雙連接，其中主節(jié)點是eNB，輔節(jié)點是en-gNB。接入網(wǎng)和演進分組核心(Evolved Packet Core，EPC)的控制面信令通過eNB和EPC交互，en-gNB和EPC之間只有用戶面連接，沒有控制面連接。

NGEN-DC:NGEN-DC指NG E-UTRAN/NR雙連接，其中ng-eNB是主節(jié)點，gNB是輔節(jié)點，ng-eNB和核心網(wǎng)通過NG控制面連接。

NE-DC:NE-DC指NR/E-UTRAN雙連接，其中g(shù)NB是主節(jié)點，提供和5G控制面信令連接，ng-eNB是輔節(jié)點。

在5G部署初期，連接到EPC，同時又能提供5G高速率服務的EN-DC的方式對現(xiàn)有網(wǎng)絡影響小，是很多運營商在部署初期的選擇.后續(xù)可演進為NE-DC和NGEN-DC方式，以提供完整的5G服務。

5 6G展望

從目前的時間表上來看，ITU從2020年開始收集6G愿景，3GPP將在2023年開展6G研究項目工作。ITU計劃在2025年確定6G需求，3GPP在此基礎(chǔ)上開展6G規(guī)范制定，2030年ITU將完成評估工作，3GPP開始商用推廣，具體的關(guān)鍵指標如表2所示[16]。

表2 5G和6G關(guān)鍵指標對比

從目前的技術(shù)需求看來，6G網(wǎng)絡將從5G的“萬物互聯(lián)”逐漸過渡到“智能互聯(lián)”階段，人工智能(artificial intelligence，AI)將廣泛應用在頻譜管理中，認知無線電與智能頻譜共享以及智能動態(tài)頻譜接入，在網(wǎng)絡管理中也大量使用AI技術(shù)，無線資源調(diào)度、多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)波束管理以及網(wǎng)絡切片等更加智能化，實現(xiàn)更低延遲、更可靠以及矢量化的網(wǎng)絡管理。在網(wǎng)絡邊緣也有可能使用AI技術(shù)，實現(xiàn)邊緣化網(wǎng)絡決策[17]。

為了滿足越來越高傳輸速率，6G未來的頻譜將從現(xiàn)在毫米波頻段擴展到THz頻段甚至光頻，例如全雙工傳輸和軌道角動量技術(shù)等新的調(diào)制與傳輸技術(shù)將大量使用，現(xiàn)在的大規(guī)模MIMO技術(shù)也逐漸發(fā)展成全息MIMO技術(shù)。

未來超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(ultra-dense heterogeneous network ，UDN)和天地一體化的通信將使6G網(wǎng)絡逐漸“去蜂窩化”，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)越來越多樣化[20]。

在應用方面，未來6G高速、高可靠性的傳輸會推動網(wǎng)絡把虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)以及混合現(xiàn)實(mediated reality，MR)結(jié)合起來，形成更加豐富多彩的擴展現(xiàn)實(extended reality，XR)應用。6G將發(fā)展出全新的6D高精度定位技術(shù)，結(jié)合邊緣計算將推動無人空中駕駛成為現(xiàn)實[16]。

隨著網(wǎng)絡不斷復雜化，傳輸更加多樣化，未來6G網(wǎng)絡已經(jīng)不可能使用現(xiàn)有5G網(wǎng)絡中的安全技術(shù)，新的安全技術(shù)和安全管理方法將保障網(wǎng)絡更加可靠的工作[21]。

6 結(jié)語

隨著5G商業(yè)化的方向發(fā)展，2020年將會是5G NR商用部署加速一年，5G部署也會從最初的基于非獨立(non-standalone，NSA)架構(gòu)朝著獨立(standalone,SA)部署邁進。

當前，大多數(shù)通信運營商都已開始商用6 GHz以下5G網(wǎng)絡，建立與其業(yè)務戰(zhàn)略相符的多頻帶戰(zhàn)略，一般sub-GHz以下用于覆蓋增強，其他頻段實現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)業(yè)務，未來毫米波頻段用于高速數(shù)據(jù)業(yè)務。

從對5G NR技術(shù)標準的演進出發(fā)，分析5G NR系統(tǒng)的物理層關(guān)鍵技術(shù)、空口協(xié)議棧過程、接入網(wǎng)架構(gòu)與接口設(shè)計、基于服務化架構(gòu)的核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，通過對5G技術(shù)整體設(shè)計思路、方案和特點整體把握，展望了未來6G移動通信發(fā)展方向。