第三节　5G的关键技术

一、5G核心网关键技术

（一）云化及虚拟化

基于软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）和云计算都是起源于信息技术（IT）领域的技术，随着虚拟化技术的发展，人们试图将更多的专有设备虚拟化和软件化，从而达到降低成本和灵活部署的目的，于是就诞生了NFV的概念。

1.广义的SDN及标准化进程

开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）在2012年4月发布白皮书Software-Defined Networking：The New Norm for Networks，将SDN定义为：SDN是一种新兴的、控制与转发分离并直接可编程的网络架构，其核心是将传统网络设备紧耦合的网络架构解耦成应用、控制、转发三层分离的架构，并通过标准化实现网络的集中管控和网络应用的可编程性。

ONF是主导OpenFlow（一种网络通信协议，属于数据链路层，能够控制网上交换器或路由器的转发平面）标准化的组织，所以ONF在南向接口上只标注了OpenFlow一种协议。事实上，OpenFlow协议仅是SDN南向接口协议的一种，虽然目前占据主流的态势，但业内也有不同的协议出现，所以OpenFlow不等于SDN。

SDN除了接口协议，在控制层（control layer）也就是SDN控制器的标准化上也有一定分歧，设备商主导的OpenDaylight（一套以社区为主导的开源框架）虽为先行者，但由于一些厂商的强势推行逐渐引起业界的不满，于是运营商主导的ONOS（一款开源的SDN网络操作系统）成立。虽然两者都自称开源控制器，但其实OpenDaylight一直在排斥基于开放的协议方案，设备商更想采用折中的方案，既以开放专用接口的方式保留传统设备，又期望通过SDN来实现网络的转型，使它们的网络更加敏捷、高效并足以满足未来各种应用场景，同时降低成本并开展新的业务模式来扩大收入，所以ONOS的前景被更加看好。对于SDN的应用部署情况，SDN主要是部署在数据中心之间。

2.广义的NFV及标准化进程

欧洲电信标准协会NFV行业标准组会议（ETSI NFV-ISG）发布的白皮书对NFV给出了定义：NFV是一种通过硬件最小化来减少依赖硬件的更灵活和简单的网络发展模式，其实质是将网络功能从专用硬件设备中剥离出来，实现软件和硬件解耦后各自独立，基于通用的计算、存储、网络设备并根据需要实现网络功能及其动态灵活的部署。由于NFV是以云计算和虚拟化为基础，所以ETSI的NFV高层架构一开始就把虚拟网元设备间的管理和编排功能加入到了架构中。

在标准化方面，除了ETSI的高层设计，还有针对具体VNF之间彼此虚拟网元设备间的标准化组织，即NFV开放平台（OPNFV）。2014年底Linux基金会资助建立了OPNFV开源组织，致力于促进NFV的发展，未来将和产业界紧密合作，建立一个综合性、电信级别的开源NFV平台，借助这个平台，可以确保未来NFV产品的一致性、功能性和互操作性。OPNFV平台将会把焦点放在建立NFV基础架构、虚拟基础架构管理、网络功能编排器以及基础架构间的应用程序接口（API）上。

3.广义的云计算及标准化进程

美国国家标准与技术研究院（NIST）对云计算的定义是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，用户只须投入少量的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。对运营商来说，针对未来定制化的客户服务，云计算的模式是必不可少的，同时云计算本身的分布式计算、虚拟化、负载均衡和热备份冗余等特性也可以很好地满足5G架构对于低成本和灵活性部署的要求。

以往，私有云平台的种类很多，每家公司都有自己的技术方案，没有必要进行标准化。但是，对于5G来说，开放性和兼容性是必备的属性，所以运营商将来的云计算平台必然是选择某个开源云平台，如OpenStack。事实上目前绝大多数针对5G的架构试验和验证是基于OpenStack平台来搭建的，其提供了很好的兼容性和开放性。所以，OpenStack已经成为事实标准，基于OpenStack的内核开发自己的定制版本，集成更多的功能将是未来部署的主流，就像Linux的定制版，不同公司的操作系统（OS）存在些许兼容性的差异。

4. 5G网络架构

在5G网络架构中，将电信网划分为“三朵云”。

（1）无线接入云：

支持接入控制和承载分离、接入资源的协同管理，满足未来多种部署场景（如集中、分布、无线网状网络），实现基站的即插即用。

（2）控制云：

实现网络控制功能集中，网元功能具备虚拟化、软件化以及重构性，支持第三方的网络能力开放。

（3）转发云：

将控制功能剥离，转发的功能靠近各个基站，将不同的业务能力与转发能力融合。

其中，网络的控制功能会根据物理区域进行划分，具体分为本地、区域和全局集中三种。一般来说，控制功能会部署在数据中心，并通过接口实现移动性管理、会话管理、资源控制和路由寻址等功能。

5. 5G中的SDN/NFV和云计算

总的来看，在5G网络架构中SDN技术是连接控制云和转发云的关键；NFV将转发云中的转发设备和多个控制云中的网元用通用设备来替代，从而节省成本；“三朵云”中的资源调度、弹性扩展和自动化管理都是依赖基础的云计算平台，其中无线接入云更多是侧重于多种接入资源的协调优化，并不太依赖SDN带来的转发面的控制和承载分离。

但是，当把电信网的特点和广义的SDN/NFV、云计算结合起来看，起源于IT领域的这些技术并不能直接嫁接过来，在应用之前必须明确以下几点。

（1）SDN控制和转发分离的理念并不新：

SDN控制和转发分离的理念，在电信界并不是新概念，如今的电信网可以划分为传统电信网络和网络互联协议（IP）网络两个领域，SDN的理念更类似传统电信网的思路，传统电信网络规模巨大，可管控是网络建设维护的重要原则。20世纪80年代SS7（signaling system 7，信令系统#7）改造时就运用了集中控制面的建网方式，20世纪90年代的V5（V5接口技术）和远端模块技术的运用早已实现了集中控制和分散部署的理念。所以，在设计理念层面，关注点应放在SDN带来的开放性上。

（2）对现有网络来说，既不是演进也不是叠加：

5G大量的运用云化和软件化技术与以往2G、3G和4G的演进模式是不同的，5G也不能是独立叠加于现有网络的一张新网络，5G中SDN/NFV和云计算真正的价值在于对网络建设和业务经营方式的巨大革命。

（3）网络建设一定是逐步进行的：

虽然5G目标是万物互联，应用场景广泛，而且5G也不是4G技术的演进，但运营商对基于SDN/NFV的新型网络架构一定会先在迫切需要改善经营效率的地方（例如大型数据中心、智慧城市等）优先部署，5G真正全云化的发展历程一定会比现有3G到4G的演进过程要漫长。

（4）云平台和NFV组件的可靠性有待提高：

在5G的网络能力要求中，在特定领域对可靠性提出了很高的要求，传统的电信网采用专用的电信设备，可靠性达99.999%，而虚拟化核心网络设备基于通用的硬件服务器，可靠性低，所以必须依靠虚拟化集群式的部署，通过实时的监控备份来提高其可靠性。

6. 5G中SDN/NFV和云计算的关系

SDN/NFV和云计算在未来5G中的关系可以类比为点、线、面的关系。NFV负责虚拟网元，形成点；SDN负责网络连接，形成线；所有这些网元和连接，都是部署在虚拟化的云平台中，云计算形成面。

NFV主要负责网络功能的软件化和虚拟化，并保持功能不变。软件化是基于云计算平台的基础设施，虚拟化的目的是充分利用IT设备资源的低成本和灵活性，但同时并非所有的网络功能都是需要被虚拟化的。对运营商来说，NFV提供了一种更经济和灵活的建网方式，开放的产业链会有更多的供应商，软硬件的解耦会让更多软件供应商参与其中，运营商的选择面更大。但这并不是意味着传统采购模式的开放化，虽然单个组件可以由不同的供应商交付，但是运营商需要维持整个系统的可用性和可维护性，因此交由一个集成方来负责整个售后工作将是必要的，只是部分组件是由第三方供应商提供。在具体部署方面，业界结合当前4G的发展，从IP多媒体子系统技术（IMS）和4G核心网络（evolved packet core，EPC）等业务出发，实现相关网络功能虚拟化，然后根据具体的需求和部署经验逐步推广到更多的领域。

SDN技术追求的是网络控制和承载的分离，将传统分布式路由计算转变成集中计算、流标下发的方式，在网络抽象层面上，将基于分组的转发粒度转化为基于流的转发粒度，同时根据策略进行业务流处理。对运营商来说，他们更关注的是完成基于SDN技术的接口开放后，可以像互联网公司一样快速响应客户的需求。目前，电信运营商与互联网公司的竞争越来越激烈，5G必须要增强运营商的竞争力才能促进整个产业的发展。在具体部署方面，电信界对于SDN的切入点普遍选择在云数据中心，国际数据（international data corporation，IDC）的运营主体比较简单，运用SDN可以解决云平台网络资源池的性能和扩展性问题，制订多数据中心跨地域组网方案，优化数据中心节点间流量调度，探索利用SDN/NFV技术提供面向云计算服务的网络增值业务。

云计算是SDN/NFV的载体和基础，SDN/NFV所必需的弹性扩展、灵活配置以及自动化的管理都依赖于基础云平台的能力。目前，业内对SDN/NFV的标准化关注度远远高于云平台，很多技术验证和试验是在各自的云中单独进行。对运营商来说，未来云计算平台的可靠性是其主要关注点。电信运营商毕竟不同于互联网公司，在具体部署方面，云计算作为SDN/NFV的载体，除了传统的云数据中心外，EPS和IMS系统由于网元部署相对集中，也被优先部署云计算/NFV。SDN/NFV和云计算对未来电信网发展来说是手段而不是目的，电信网选择这些手段的目的无非就是降低成本和扩大收入。降低成本通过两个方面：①虚拟化技术不依赖专有硬件，降低采购成本；②通过云计算的动态资源调度更合理地使用设备，避免资源闲置和浪费。扩大收入同样通过两个方面：①依靠开放更多的第三方接口，快速响应市场需求，推出更多增值服务；②通过增强网络性能，适应未来更多的应用场景。

（二）服务化

2018年6月，3GPP发布了《R15TS 38.331无线资源控制（RRC）协议规范》，标志移动通信正式进入了5G时代，5G不仅在带宽、容量、用户数和时延方面有了大幅提升，而且在网络架构方面也发生了重大变化。在移动通信系统不断演进的过程中，核心网（CN）的架构也在不断变化，2G/3G的CN包含电路承载域（CS）和数据域（PS），同时提供语音和分组业务；4G CN仅有PS，实现了全IP化。在此过程中，随着用户数的增长，以及语音、短信、数据等业务的增长，带来了收益的快速增长。CN架构的演进，以提升设备性能、降低成本为主要目的。

传统2G/3G/4G的CN采用专用设备，其底层平台仅支持同一厂商纵向扩展，无法实现不同厂商横向资源共享，不利于灵活部署。另外，由于业务的多样性，其对控制能力和转发能力的需求不同，也不成比例，导致控制面与转发面的扩容不易同步进行。因此CN设备直到4G仍然以控制转发分离作为演进主线。控制转发分离有利于设备的独立升级、演进。控制面设备可以专注于提升其信令处理能力，而转发面设备可以专注于提升其转发能力。

随着虚拟化技术在电信领域中的应用，欧洲电信标准化协会（ETSI）在2012年成立了工作组，在NFV架构、生态、可靠性、安全、测试等领域进行了广泛而深入的研究，制定了一系列NFV国际标准。在全球已有超过400项部署计划和100个多商用通信局点，覆盖EPC、IMS、物联网等多种网络场景。国内各大运营商已经完成了NFV技术的概念验证、试验网、现网试点以及试商用验证，已基本掌握了NFV虚拟化阶段的核心技术和部署方式。虚拟化技术通过计算、存储、网络资源的虚拟化，实现了软件和硬件的解耦，网络功能（NF）软件可以灵活部署，动态扩缩容，用于部署软件的通用服务器，可以更低的成本进行升级，可在数据中心更有效地处理整个网络的管理，因此优化设备性能、降低成本的目标将随着虚拟化技术在电信设备中的大规模应用而逐渐弱化。支持业务的快速创新和上线，不断通过业务创新和新业务的快速部署提升营利能力，将会成为推动CN架构演进的主要动力。

3GPP 5G协议标准与之前的CN架构相比，5G网络架构发生了根本性的变化。5G网络采用开放的服务化架构，NF以服务的方式呈现，任何其他NF或者业务应用都可以通过标准规范的接口访问该NF提供的服务。5G开放性的网络架构充分体现了支持业务快速创新的CN架构演进主线。5G网络架构是新一代CN架构的起点，并将沿着该主线不断完善。

1.以控制转发分离为主线的核心网演进历程

2G/3G CN包含CS和PS。典型的网络架构为R99网络架构。其中CS包含移动交换中心（mobile switching center，MSC）和网关移动交换中心（gateway mobile switching center，GMSC）；PS包含服务GPRS支持节点（serving GPRS support node，SGSN）和网关GPRS支持节点（gateway GPRS support node，GGSN）。MSC/GMSC是移动交换中心，负责呼叫信令的处理和话路中继的处理；SGSN负责PS移动性管理和会话管理相关的信令处理，同时支持GPT-U隧道和分组域报文的转发。GGSN与公用数据网（PDN）接口，负责会话、计费、策略相关的信令处理和报文的转发。

在R4 CN架构中，PS没有发生变化，但CS网元进行了一次控制转发分离。MSC拆分为MSC Server和MGW，GMSC拆分为GMSC Server和MGW。MSC Server和GMSC Server负责处理呼叫信令，MGW负责话路中继处理，MSC Server通过H.248协议控制媒体面连接的建立和释放。R7 CN架构上仅增加了IP多媒体系统（IP multimedia subsystem，IMS），其他并没有太大的变化。R8是4G移动通信的第1个协议版本，一方面，去掉了CS，只保留了PS，实现了CN的全IP化；另一方面，对GSN进行了控制转发分离，拆分为移动管理节点功能（mobility management entity function，MME）和移动网关（serving gate way，SGW）两个网元，同时GGSN演变为PDN网关（PDN gate way，PGW）。MME负责管理移动性和会话，SGW/PGW负责业务报文的转发、策略和计费，配合完成会话的管理，包括：会话的建立、释放和修改。虽然R8 CN架构将SGSN拆分为MME和SGW，但是这种拆分并不彻底，SGW/PGW仍包含会话、策略、计费相关的信令面的处理，因此在2016年，SGW/PGW又进行了一次拆分，进一步拆分为控制面和转发面。促成该拆分的一个原因是转发面下沉的需求，为了便于下沉，需要简化转发面和控制面之间的接口。

从R99网络架构到控制转发分离（CUPS）CN架构的演进过程，可以得出CUPS是贯穿CN架构演进的主线。将网元设备分为控制面设备和转发面设备，有利于不同网元独立的扩容、优化和技术演进。

2.支持业务快速上线的5G服务化网络架构

5G移动通信目标是实现万物互联，支持丰富的移动互联网和物联网业务，移动互联网和物联网作为移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的发展前景。新的通信需求对现有网络技术和商业模式带来了挑战，现有的移动网络架构主要满足语音要求和传统的移动宽带（MBB）服务，此架构已被证明不够灵活，多个3GPP版本升级、大量的NE、复杂接口无法支持多元化5G服务。面对多样化的业务场景，5G核心网（5GC）需要新的网络架构。

为了支持业务的快速上线、按需部署，移动网络需要一种开放的网络架构，通过架构开放支持不断扩充网络能力，同样的，通过接口开放支持业务访问来提高网络能力。5G时代的服务化网络架构（SBA）正是在这种背景下诞生的。按照3GPP《R15 TS 38.331无线资源控制（RRC）协议规范》，将3G/4G CN中的网元按照功能拆分为独立的NF。

5GC在CUPS的基础上控制面拆分为多个NF：AMF主要负责终端接入和移动性管理；SMF负责会话管理；PCF负责策略管理；UDM负责用户数据管理等。其中NRF是服务化架构的核心，负责NF的管理，包括：注册、发现、授权等功能。

5GC采用的SBA是在CUPS架构基础上再次优化和演进，对比CUPS网络可以看出，SGW-U/PGWU这两个网元转发面处理在5GC中合并为一个UPF，更便于转发面的下沉；SGW-C/PGW-C负责会话管理，部署于核心区域，将两者合并为SMF能够简化CN的开发和部署。MME中既包含接入移动性管理，又包含会话管理。在5GC中，会话管理的部分功能在SMF中实现，AMF仅实现接入移动性管理，只与用户数量相关而不再与会话数量相关，更加有利于AMF和SMF的独立演进。

5GC服务以比传统网元更精细的粒度运行，并且彼此松耦合，允许升级单个服务，而对其他服务的影响最小。每个服务可以通过轻量级服务接口直接与其他服务交互，与传统的点到点架构相比，基于服务化接口的架构可以轻松扩展，同时服务化接口是开放的接口，任何其他NF和业务应用都可以通过该接口使用NF，5G SBA的这些优点充分体现了网络架构的开放性。

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的发展前景。新业务将引入新需求，不仅在带宽、时延、连接数、覆盖等指标方面有更高的要求，也需要获知网络和终端用户的状态、管理和控制业务会话、部署于网络中的合适位置等。对于支持业务的快速上线需要满足四个方面的需求。

（1）业务功能需求：

如果业务对网络有新的功能需求，网络能够快速满足。

（2）业务的服务质量（QoS）需求：

网络需保证业务的QoS，并在网络拥塞、故障等异常情况下及时调整。

（3）业务的管理策略需求：

业务需要进行管理和控制，不同业务需要不同的管理策略，也可能出现新的策略要求。网络需要能够进行灵活的策略管理，当新的策略要求出现时，网络能够快速地支持这些新的管理策略。

（4）业务的部署需求：

业务能够快速地在网络中进行部署。

5G SBA支持业务快速上线，体现在以下几方面。

（1）NF之间松耦合：传统CN网元由一组彼此紧密耦合的功能组成，当引入新的业务需求，传统网元的功能或能力可能发生重大变化。5G SBA中的NF是高内聚和松耦合的，网络服务互相独立，在需求发生变化时只需变更受到影响的网络服务。

（2）轻量级的网络接口：不同网络服务之间的接口采用轻量级Restful/Http协议，有利于快速的接口开发，NF的快速升级也可通过这些接口向业务应用开放网络能力。

（3）服务统一管理和部署：NRF提供了服务管理功能，ETSI的NFV技术规范从网络服务、网络功能、虚拟化基础设施等方面制定了统一、完善的管理机制。NF基于数据中心部署，可以根据需要将NF部署于网络的相应位置。

（4）能力开放和策略管理：通过轻量级服务化接口开放网络能力，业务应用可以方便地使用这些网络能力，感知网络和终端的事件调整会话策略。

（5）业务QoS保障：5G网络不仅提供了更大的带宽、更低的时延和更多的连接数支持，而且实现了基于不同会话设定不同的QoS策略，网络增加了独立的网络数据分析功能，可以根据会话、终端、网络的状态实时调整QoS策略，满足业务的QoS需求。

综上，5GSBA解决了传统核心网（CN）点到点架构紧耦合的问题，能够支持业务的快速上线，不仅以提升性能、降低成本为目标，而且支持快速推出新业务。

3.持续演进的5G服务化网络架构

5GC采用SBA，各个NF之间松耦合，可以根据需要增加或者修改NF而不会影响其他NF；NF之间采用轻量级的服务化接口，其他NF和业务应用很容易通过该接口调用NF。该架构能够支持新业务的快速上线。随着新业务的需求以及网络技术的交替驱动，5G商用化之后，6G或者更新一代的移动通信网络可能面对更加丰富多样的新业务，因此从网络架构的角度来说，需要向服务化架构的方向更加开放、更加便捷地扩充NF，更加快速地支持新业务快速上线，以高效和经济的方式推出众多新服务，为技术和业务创新创造一个电信网络生态系统。围绕新业务的快速上线，目前的5G SBA可以在如何快速响应业务需求、降低业务的上线周期、支持业务的快速开放等方面进一步优化。

（1）快速响应业务需求：

针对不断出现的新业务，5GC需要快速满足业务需求，这样才能够实现业务快速上线。当业务对网络出现新需求时，可以分为两种情况：①业务需求与单个NF相关，5GC采用SBA之后，网络服务之间是松耦合的关系，NF的升级不会影响到其他NF，因此目前5G SBA能够满足要求。②业务需求与多个NF相关，需要升级多个NF，可能是某个NF的修改导致了信令控制流程的修改，从而影响到多个NF；或者业务需求本身需要多个NF参与才能满足，需要研究该情况是否有更优的实现方案。

（2）降低业务的上线周期：

降低业务的上线周期，关键是需要实现NF的快速部署。为此，ETSI制订了NFV系列技术规范，其中MANO相关的规范解决了虚拟化环境下NF的部署问题。5GC以三层解耦为最终目标，虚拟化NFV平台为NF的部署提供了基础设施，可实现NF的快速部署。但是每种业务相关的NF不一样，特别是位置相关的部署需求，需要考虑NF与其他NF之间接口的复杂性。

对于5GC，为支持本地分流需要将转发面功能下沉。CUPS已经简化了控制面和转发面之间的接口，5GC继承了CUPS接口，转发面功能用户平面功能（UPF）可以很方便地部署到网络的各个位置。如果业务应用需要控制某些功能，如SMF或者PCF，则需要简化SMF/PCF与其他NF接口的复杂性，避免NF之间的交叉互联。

（3）支持业务的快速开放：

5GC采用SBA之后使用标准开放的Restful/Json接口，支持业务应用简单、快速地使用开放的5GC能力。在此基础上，如果进一步简化新业务的开发过程，就需要实现类似网络操作系统的系统平台，对业务应用提供统一的API，引入软件编程的思想来设计5GC的系统架构，实现、部署、管理和维护网络设备/组件/服务。利用软件的可编程性、灵活性和可重用性来快速开发和部署业务应用。

在三种以支持业务快速上线为目标的服务化5GC架构演进需求中，支持业务快速开发、CN架构演进为网络操作系统平台是一个远期目标，本文不再进一步讨论。对于需求与多个NF相关的情况，可以将新需求独立成新的NF，从而避免对其他NF的影响而导致的升级。

业务应用对网络有新的功能需求，影响到AMF、SMF、PCF三个NF，需要这三个NF进行修改和升级，比较简单的方法是增加新的NF，将新的功能需求放到新增的NF中。实际可能会复杂一些，涉及新增需求的大小以及NF之间的交互流程，需要根据业务需求情况具体分析采用的方法。涉及NF之间流程的修改，目前NF虽然采用了服务化接口，但是依据《R15 TS 38.331无线资源控制（RRC）协议规范》，NF之间的交互仍然是点到点模式，在流程中插入交互过程比较困难，需要优化协议交互流程，一种解决方案是增加独立的消息转发和路由功能。关于独立的消息路由和转发功能，在3GPP下一代网络研究报告中已经提出了互联和路由功能（IRF）。IRF功能并未成为正式的R15标准版本，但类似的功能在R16标准版本的技术研究中再次提出，这次提出是为了解决状态与数据的分离，增强服务化架构。从支持业务快速上线的角度来说，通过支持NF之间独立的IRF可以实现协议流程的快速修改，网络能够快速调整业务流程，满足新业务的需求。New NF需对流程中的消息进行处理，影响到NF1和NF2现有的处理流程，需要升级NF1和NF2。如果有独立的控制流程编排，实现NF互联和路由功能，类似于服务链，则不需要升级NF1和NF2，只需要修改IRF就能够满足业务流程的需求，特别是如果IRF可管、可控和可编程，甚至可以通过简单的配置或者命令修改业务流程，满足新业务的需求。增加独立的IRF也有助于降低接口的复杂性，通过独立的IRF，部署于各个位置的NF之间不再需要交叉互连接口，所有交叉互连的消息都可以通过一个IRF进行处理。

在2G/3G/4G传统CN架构演进过程中，高性能和低成本是推动架构演进的主要因素，同时以CUPS作为架构演进的主要方式。随着虚拟化技术在移动网络中的应用，设备基础设施的成本大幅降低，降低成本不再是主导网络架构演进的主要因素。伴随着传统业务收入的减少，通过服务创新提升网络的营利能力，将会成为继续推动移动核心网演进的主要动力。5GC采用SBA，NF之间通过松耦合可以方便地增加新的NF，从而快速满足新业务的需求，并通过简单开放的服务化接口开放网络能力，业务应用可以充分利用移动网络提供的各项功能实现业务创新。5G服务化架构是新一代移动核心网架构演进的起点，并将沿着该路线持续演进。

（三）网络切片化

不同的应用场景在网络功能、系统性能、安全、用户体验等方面有着非常不同的需求，如果使用同一个网络提供服务，势必导致这个网络十分复杂、笨重，无法达到应用所需要的极限性能要求，同时也导致网络运行、维护变得相当复杂，增加网络运营成本。相反地，如果按照不同业务场景的不同需求为其部署专有的网络来提供服务，这个网络只包含这个类型的应用场景所需要的功能，那么服务的效率将大大提高，应用场景所需要的网络性能也能够得到保障，网络的运行、维护变得简单，投入及运行、维护成本均可降低。这个专有的网络即一个5G网络切片实例。

一个5G网络切片是一组由网络功能、运行这些网络功能的资源以及这些网络功能特定的配置所组成的集合，这些网络功能及其相应的配置形成一个完整的逻辑网络，这个逻辑网络包含满足特定业务所需要的网络特征，为特定的业务场景提供相应的网络服务。

1.端到端网络切片解决方案

根据单个网络切片的实现方案，将具体的网络切片实施方式分为四类（L1～L4等级网络切片），从性能、价格等不同的维度满足行业客户对专属网络服务的差异化需求。

（1）L1等级网络切片：

在5G非独立组网（NSA）以及4G无线网络覆盖下通过策略控制和计费（PCC）体系实现业务保障，具体实现通过调整网络的PCC QoS参数来保障端到端的网络性能。

（2）L2等级网络切片：

在具备L1等级网络切片能力的同时，利用空口资源，综合带宽单元带宽部分（band width part，BWP）、站点、波束方向等多个维度的半静态资源分配，提供空口侧的逻辑网络切片，保障面向垂直行业无线网络的性能。

（3）L3等级网络切片：

在具备L2等级网络切片能力的同时，实施端到端的资源网络切片，在空口逻辑网络切片的基础上进一步联合5G核心网提供端到端的专用传输资源，保障端到端的网络性能。

（4）L4等级网络切片：

在具备L3等级网络切片能力的同时，采用4.9G频点部署行业专属网络，提供无线或核心网物理网络切片，具有最大化的网络性能保障。

2.无线网络切片解决方案

具体的技术方案可以分为以下四类。

（1）L1等级无线网络切片技术方案：

L1等级的网络切片技术采用4G/5G PCC QoS参数来提供差异化的端到端QoS保障，甚至能提供基于终端位置、类别、业务级别的QoS差异化保障。

1）基于5G独立组网（SA）PCC的L1等级网络切片技术：

5G SA PCC QoS支持保证流量比特率（GBR QoS）、非保证流量比特率（Non-GBR QoS）。在SA网络下QoS流的识别规则及QoS参数绑定在PCF配置，其中主要参数包括：5G QoS标识符（5QI）、分配和保留优先级（ARP）、对于每个非GBR QoS流、反射QoS属性（RQA）、保证流量比特率（GFBR）-UL和DL、最大流比特率（MFBR）-UL和DL、通知控制、最大数据包丢失率-UL和DL（仅适用于语音）等。

不同的应用场景以及不同业务对网络的要求不同，可以通过5G QoS方案灵活地对其进行配置，5G的QoS特性非常灵活，可以选择标准的5QI（用于指向一个5G QoS特性的标量）和可扩展的5QI。标准化的5QI映射表提供了22种不同的场景配置需求，涵盖了从带宽、时延、优先级以及丢包率等多种维度的QoS能力选择。

2）基于5G NSA PCC的L1等级网络切片技术：

QoS等级标识（QCI）在LTE网络中用来保证网络承载的用户业务或信令数据流被分配到合适的服务质量（QoS）。不同的承载数据流需要不同的QoS，故需要设置不同的QCI值。

在EPS网络中，网络分配QoS参数的对象是承载，一个用户可以有一个或者多个承载，其中有一条是默认承载，其他是专用承载。默认承载的默认QCI取值是HSS中签约APN的QCI，MBR以及GBR为0。若PDN GW有特殊配置或者PCRF下发指定承载的QCI，则使用配置下发的QCI。专用承载的QCI、GBR、MBR是由PDN GW下发的，可以是由PDN GW本地配置或者PDN GW从PCRF处获得。以实现的角度可以考虑AP（行业专网管理平台）通过Rx RESTful接口下发PCRF规则配置参数。除了QCI选取外，由于基于QCI的无线资源调度是设备商的具体实现，可能涉及具体的小区/基站参数，这些参数可能需要在业务的部署或运营过程中进行相应的适配优化，如eNB（evolved node B，演进型node B）网元管理对象USERQCIPRIORITY所涉及的QCI的调度权重因子及其他相关实现算法涉及的参数。对于en-gNB（基站），由于现在各主要设备商处于商用初期，相关参数能力开放度和成熟度可能会不及LTE产品。

（2）L2等级无线网络切片技术方案：

在L1等级网络切片的基础上，对空口进行逻辑网络切片。综合带宽单元BWP、站点、波束方向等多个维度的半静态资源分配，提供空口侧的逻辑网络切片，保障面向垂直行业无线网络的性能。

1）频谱/小区网络切片技术方案：

频谱网络切片是通过静态或半静态预留一定的频谱资源给行业专网，在QCI/5QI调度的基础之上先进行一层空口资源的隔离，从而减少公网（外网）网络切片和私网（内网）网络切片在空口资源上可能性的冲突，达到提升专网性能和可靠性的目的。频谱网络切片对空口资源调度的复杂度要求很高。

2）逻辑基站/gNB网络切片技术方案：

逻辑基站/gNB网络切片是基于共享的基础设施，为行业客户提供资源分配的新维度，并提供网络隔离、专网差异化能力和服务等级协议（SLA）保障，从而可以有效支持可规模化的面向企业客户的行业模式。逻辑基站/gNB网络切片是在一定区域范围内通过可管理的全连通网络（物理或逻辑）互联起来的一组基站的集合，集合内无线网络资源统一管控。逻辑基站/gNB网络切片是在逻辑上分配无线网络资源，从而在一个区域内形成多个逻辑上的行业专网，每个逻辑行业专网包括一定数量的无线网络资源。根据应用场景不同，可分为运营商公网网络切片，或多个行业网络切片。在行业网络切片之上，可以叠加行业客户定制化的资源，如频谱、站点以及行业业务场景所需要的网络能力，如高精度定位、网络隔离等。

（3）L3等级无线网络切片技术方案：

在空口网络切片技术上L3等级网络切片与L2等级网络切片相同，但L3等级网络切片同时提供了核心网逻辑网络切片，构成了端到端的5G网络逻辑网络切片。

（4）L4等级无线网络切片技术方案：

提供物理独立的5G空口，包括独立的频谱、独立的无线设备。

3.承载网网络切片技术方案

具体的技术方案可以分为以下四类。

（1）L1等级承载网网络切片技术方案：

L1等级承载网网络切片方案就是通过虚拟专用网络（VPN）隔离技术区分不同客户，并绑定不同的隧道，通过软隔离和QoS拥塞管理、流量整形技术保证每个VPN的专有带宽。带宽的保证粒度是Mbps级别。

（2）L2等级承载网网络切片技术方案：

L2等级承载网方案是通过层次化服务质量（HQoS）隔离技术来实现的，是一种通过多级队列调度机制解决保证DiffServ模型下多用户、多业务带宽的技术，可以精细区分不同用户和不同业务的流量，提供区分的带宽管理。结合VPN技术，HQoS可以通过根据不同业务的预设优先级进行流量传输调度，保证高优先业务优先转发。

（3）L3等级承载网网络切片技术方案：

当前HQoS一般直接区分客户具体业务，缺乏对业务类型的控制实体，信道化子接口是在客户具体业务承载通道和物理接口之间增加的业务类型控制实体，基于信道化子接口配置带宽，保证不同类型的业务之间严格隔离。信道化子接口隔离技术即L3等级承载网网络切片，信道化子接口（也称为G.MTN子接口，与G.MTN网络切片进行嵌套）通过硬件预留方式严格隔离各个信道化子接口之间的带宽，信道化子接口之间不能互相抢占，优先级严格隔离，不能混合调度。用户业务在接入侧接口通过HQoS实现用户上行带宽限制，在网络侧基于信道化子接口配置带宽保证，基于HQoS机制进行层次化调度并实现带宽限制和保证，如图1-6所示。基于信道化子接口技术的业务网络切片可以实现Mbps级别的精准带宽保证与隔离，确保各个业务在网络拥塞时的传输带宽。

（4）L4等级承载网网络切片技术方案：

L4等级承载网网络切片使用了G.MTN接口隔离技术，G.MTN技术可以用于对一个链路和端口的硬隔离切分，网络分片应用该技术可以做到在硬件资源上共享同一个端口、同一根光纤链路，但转发面硬件互相隔离，互不影响。

网络分片主要是运用G.MTN的通道化应用场景，在大管道物理端口上通过G.MTN的时隙复用划分出若干个子通道端口，把这些子通道端口分片划分不同的网络分片中，通过硬件的时隙复用实现各个分片之间的业务在转发层面上完全隔离。相比其他转发隔离技术具有更好的隔离效果，主要体现为G.MTN子接口的隔离主要是基于多址接入信道（multiple access channel，MAC）和端口物理层（physical layer，PHY）之间的时隙隔离，各个G.MTN子接口处理帧时不受其他G.MTN子接口影响，从而实现了网络隔离保证，承载在这些接口上的业务相互之间是完全隔离的。目前，业界最精细粒度的G.MTN硬网络切片是1Gbps，同时硬网络切片隔离能够确保业务传输时延不产生大幅度抖动，范围可控制在1毫秒以内。

（四）边缘化

边缘计算（edge computing，EC）技术使得运营商和第三方业务能够部署在靠近用户设备（user equipment，UE）附着的接入点，因而能降低端到端时延和传输网的负载，实现高效的业务交付。

1. 5G核心网支持边缘计算的能力

①本地路由：5G核心网选择UPF引导用户流量到本地数据网络；②流量加速：5G核心网选择需引导至本地数据网络中应用功能的业务流量；③支持会话和业务连续性，支持QoS与计费；④边缘计算服务兼容移动性限制要求；⑤用户面选择和重选，如基于来自应用功能的输入。

2.边缘计算的优势

①位置近：固移终端一跳直达，提供最靠近移动终端的计算资源，最靠近固网终端的云平台；②成本低：接近公有云的低成本，基础设施方面共享移动云基础设施，提高资源使用效率，开发部署方面基于云的快速开发和业务部署能力；③质量高：云网协同保障质量，提供低时延、大带宽、超可靠的接入网络，提供大算力、高转发电信级云基础设施以及专业高效的本地运行、维护能力；④生态广：广泛的生态影响力，吸引各行业龙头企业合作，具备标准能力，软硬件、应用和平台的整合能力。

二、5G无线网关键技术

（一）基于子带滤波的正交频分复用

1.OFDM原理

正交频分复用（OFDM）的概念于20世纪50～60年代出现，1970年OFDM的专利公布，其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法并行传送数据。OFDM早期的应用有AN/GSC_10高频可变速率数传调制解调器等。在早期的OFDM系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的，系统复杂且昂贵。1972年Weinstein和Ebert提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和调解功能的建议，简化了振荡器阵列以及相关接收机本地载波之间严格同步的问题，为实现OFDM的全数字化做了理论上的准备。

20世纪80年代后，OFDM的调整技术再一次成为研究热点，如在有线信道的研究中，Hirosaki于1981年用离散傅里叶变换（discrete fourier transform，DFT）完成的OFDM调整技术，成功试验了正交幅度调制（16QAM）多路并行传送19.2kbps的电话线调制解调器（MODEM）。

进入20世纪90年代，OFDM的应用又涉及了利用移动调频和单边带（SSB）信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路（HDSL）、非对称数字用户环路（ADSL）、高清晰度数字电视（HDTV）和陆地广播等各种通信系统。由于技术的可实现性，在20世纪90年代，OFDM广泛用于各种数字传输和通信中，如移动无线调频（FM）信道、高比特率数字用户线系统（HDSL）、不对称数字用户线系统（ADSL）、高比特率数字用户线系统（HDSI）、数字音频广播（DAB）系统、数字视频广播（DVB）和HDTV地面传播系统。1999年，美国电机电子工程师协会（IEEE）通过了5GHz的无线局域网络协议标准IEEE802.lla，其中OFDM调制技术被采用为物理层标准，使得传输速率可以达到54MbPs。这样，可提供25MbPs的无线异步传输模式（ATM）接口和10MbPs的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。欧洲电信标准协会（ETSL）的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2也把OFDM定为它的调制标准技术。

2001年，IEEE通过了无线城域网标准IEEE802.16，该标准根据使用频段的不同，可分为视距和非视距两种。其中，使用2～11GHz许可和免许可频段，由于该频段波长较长，适合非视距传播，此时系统会存在较强的多径效应，而在免许可频段还存在干扰问题，所以系统采用了抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上有明显优势的OFDM调制，多址方式为OFDMA。IEEE802.16标准每年都在更新，2006年2月，移动宽带无线城域网接入空中接口标准（IEEE802.16e）发布了最终的出版物。当然，采用的调制方式仍然是OFDM。

2004年11月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过3G长期演进（long term evolution，LTE）的立项。项目以制订3G演进型系统技术规范作为目标。3GPP经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2005年12月选定了LTE的基本传输技术，即下行OFDM，上行单载波FDMA（SC）。OFDM技术成熟，被选用为下行标准并很快就达成了共识。在上行技术的选择上，由于OFDM的高峰均比（PAPR）问题使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，另外一些设备商则认为可以通过滤波、削峰等方法限制高峰均比。经过讨论，最后上行技术还是采用了SCFDMA方式。拥有中国自主知识产权的3G标准——TD-SCDMA在LTE演进计划中也提出了TD-CDMOFDM方案。3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mbp/s的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达1Gbps的下行数据传输速率，而OFDM技术将起到重要作用。

在向3G/4G演进的过程中，OFDM是关键技术之一，可以结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大程度地提高系统性能，类型包括V-OFDM、W-OFDM、F-OFDM、MIMOOFDM、多带-OFDM。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数倍个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便降低了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以相比传统的FDMA提高了频带利用率。在OFDM传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可降低因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大程度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。在过去的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成n个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点，OFDM采用n个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无分离频谱就可将信号接收下来。OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅里叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于n点的IFFT运算，需要实施n2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。

通过OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径造成的子载波之间的正交性遭到破坏而产生不同子载波之间的干扰（ISI）。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整倍数。这样，时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。

正交频分复用（OFDM）是一种调制方式，它可以很容易地与传统的多址技术结合实现多用户接入服务，如OFDM-TDMA、OFDMA和多载波CDMA等。正交频分复用是一种多载波调制技术，可以提高网络传输质量。传输质量的不稳定意味着网络不能保证如语音和视频流这样的实时应用程序的传输质量。然而，对于传输突发性的Internet数据流它却是个理想的网络，即便是在网络受到严重干扰的情况下，OFDM也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，而且适当的纠错技术可以确保可靠的数据传输。OFDM的主要技术特点如下。

（1）可有效对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。

（2）通过各子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。

（3）各子信道的正交调制和解调可通过离散傅里叶反变换IDFT和离散傅里叶变换DFT实现。

（4）OFDM较易与其他多种接入方式结合，构成MC-CDMA和OFDM-TDMA等。

2.F-OFDM原理

5G支持丰富的业务场景，每种业务场景对波形参数的需求各不相同，能够根据业务场景来动态地选择和配置波形参数，同时又能兼顾传统OFDM的优点，是对5G基础波形的必然要求。F-OFDM是一种可变子载波带宽的自适应空口波形调制技术，是基于OFDM的改进方案。F-OFDM能够实现物理层网络切片后向兼容LTE 4G系统，又能满足未来5G发展的需求。该技术将系统划分为若干个子带，子带之间只存在极低的保护带开销，各个子带可以根据实际的业务场景配置不同的波形参数，支持5G对动态软空口的灵活需求。

与传统的OFDM系统相比，F-OFDM将整个频带划分为多个子带，在收发两端均增加了子带滤波器。每个子带可根据实际的业务需求配置不同的波形参数，如子载波间隔、CP长度、FFT点数等。发送端各个子带的数据通过子载波编号后映射到不同的子载波上，并经子带滤波器进行滤波，抑制邻带频谱泄露带来的干扰。接收端采用匹配滤波器实现各子带数据的解耦。当存在邻带干扰时，F-OFDM系统的性能明显优于OFDM系统。

（二）大规模多进多出天线

大规模天线阵列（Massive MIMO）是传统MIMO技术的扩展和延伸，其特征（集中式Massive MIMO）在于以大规模天线阵的方式集中放置数十根甚至数百根以上天线。Massive MIMO技术可以直接通过增加天线数增加系统容量。基站天线数量远大于其能够同时服务的终端天线数，形成了Massive MIMO无线通信系统，以达到更充分地利用空间维度、提供更高的数据速率、大幅度提升频谱效率的目的。此外，随着基站天线数的增加，Massive MIMO可以通过终端移动的随机性以及信道衰落的不相关性，利用不同用户间信道的近似正交性降低用户间的干扰，实现多用户空分复用。由于Massive MIMO技术的上述特点，近年来在学术界和产业界Massive MIMO技术都是极具吸引力的空口关键技术，在LTE演进领域和5G领域被广泛讨论。

1.Massive MIMO技术标准版本

3GPP Rel-13版本可以视为对Massive MIMO技术标准化的第一个版本。在这一版本中，支持的天线端口数还未达到普遍认为的数量，因此在Rel-13中称为全维度MIMO（full dimension-MIMO，FD-MIMO），实现了波束在垂直维度（elevation dimension）和水平维度（azimuth dimension）两个方向上的操作。在Rel-13版本中，FD-MIMO下行支持16发射天线端口与8接收天线端口，支持水平方向和垂直方向的波束赋形。上行支持4发射天线端口和4接收天线端口，且上下行均支持多用户-多输入多输出（multi-user multiple-input multiple-output，MU-MIMO）。

在FD-MIMO中，主要考虑两种信道状态信息参考信号（channel status information reference signal，CSI-RS）的传输机制，包括对于传统的非编码的CSI-RS的扩展和波束成形的CSI-RS。在第一种机制中，UE需要观察每个天线子阵列传输的非编码的CSI-RS，通过选择合适的预编码矩阵以获得最优性能并适应信道变化。在第二种机制中，eNB传输多个波束赋形的CSI-RS（也可以认为是波束），一般采用全连接的天线阵结构，UE选择合适的波束并反馈其索引值。当eNB接收到波束索引时，所选波束的权值将用于数据的传输。

在CSI上报中分为Class A与Class B两种类型。Class A上报是基于非编码的CSI-RS，为8/12/16端口天线传输引入新的码本。在该类型中，CSI上报分为两个字段：W=W1W2，其中W1表示宽带PMI，即信道的长期统计特性，如波束方向簇等；W2表示子带PMI，用于波束选择。Class B上报是基于波束赋形的CSI-RS。eNB可以为UE配置K个波束，K=1～8，UE上报CRI来指明要选择的合适波束，每个波束的CSIRS天线端口数是1、2、4、8。

一般而言，CSI是通过对多个子帧的测量进行平均得到的。在Rel-13中，MR允许eNB对UE配置，只利用一个子帧进行测量上报，具体内容如下。

（1）通过RRC信号进行配置。

（2）对于信道MR：只应用于Class B。

（3）对于干扰MR：应用于Class A和Class B。

通过MR的配置，eNB可以在连续子帧中配置不同的波束赋形CSI-RS方向，提高CSI获取的效率。

综上所述，FD-MIMO主要由以下七个子功能组成。

（1）Class A反馈：新的码本已支持8、12、16端口，针对机制3。

（2）Class B反馈：通过CRI（CSI-RS资源指示）反馈选择波束，针对机制1。

（3）SRS增强：RPF=4以及在UpPTS传输信道探测参考信号（Sounding Reference Signal，SRS），针对机制2，提高SRS容量。

（4）CSI-RS在DwPTS传输：对于机制1、2、3都适用，增加CSI-RS容量。

（5）DMRS增强：支持4个正交的DMRS端口、更多MU-MIMO流数，对于机制1、2、3都适用。

（6）信道测量限制：适用于机制2，网络控制的信号测量。

（7）干扰测量限制：适用于机制1、2、3，网络控制的干扰测量。

其中，机制1是指小区特定的波束选择，机制2是指UE特定的波束成形的CSI-RS，机制3是多发射天线的新码本。

2.面向5G的Massive MIMO技术

Massive MIMO是5G网络中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户，数据传输速率能得到极大地提高。

在Massive MIMO系统中，基站配置了大量的天线，数量通常有几十、几百甚至几千根，而基站所服务的UE数量远少于基站天线数量；基站利用同一个时频资源同时服务若干个UE，充分发掘系统的空间自由度，从而增强了基站同时接收和发送多路不同信号的能力，大大提高了频谱利用率、数据传输的稳定性和可靠性。

Massive MIMO系统的应用场景主要为城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点、郊区、无线回传链路等。

Massive MIMO系统的主要优势如下。

（1）频谱效率大幅度提升：

大规模MIMO系统的空间分辨率与现有MIMO系统相比显著提高，它能深度挖掘空间维度资源，使得基站覆盖范围内的多个用户在同一时频资源上利用大规模MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。

（2）上行和下行发射能量都将减少：

大规模MIMO系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与UE之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗，是构建未来高能效绿色宽带无线通信系统的重要技术。

（3）具有更好的鲁棒性能：

由于天线数量远大于UE数量，系统具有很高的空间自由度，系统具有很强的抗干扰能力。当基站天线数量趋于无穷时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响可以全部忽略不计。

3. 5G Massive MIMO系统架构

（1）5G Massive MIMO系统架构包括密集辐射阵、功分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。

1）密集辐射阵：由若干双极化辐射单元按照一定的横向间距和纵向间距组阵。为降低密集组阵的互耦效应影响，提升各射频通道的方向图一致性和端口隔离度，密集辐射阵中设计有去耦装置。

2）功分网络将每个单元模块包含的一组若干辐射单元进行激励和幅相配置，每组功分网络激励的辐射单元个数、辐射单元间距决定了单元模块增益。

射频通道包括单元模块、功分网络和盲插型连接器。在射频通道数确定的情况下，单元模块的增益，单元模块之间的横、纵向间距决定了大规模天线整机的增益。

3）耦合校准网络：由多路耦合度一致的定向耦合器多级功分合路构成，每一组定向耦合器对应一组射频通道，实现对该射频通道的幅相信息进行精确检测。耦合校准网络的作用是对收发单元发送到每个射频通道的信号源幅相信息进行监控，如某个通道的幅相检测值偏离了预设值，则通过系统算法重新调整收发单元的发射功率和相位。

因此，整个5G天线系统的工作原理就是天线射频通道（包括多个辐射单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道射频（RF）信号的发射和接受；耦合校准网络实现对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测。这样，系统赋形算法通过调节收发单元激励到每个单元模块（射频通道）的幅相权值配置实现大规模天线的精准3D波束方向图和3D扫描。要实现上述5G Massive MIMO功能，需对其各结构组成部分的性能指标进行精确设计。

（2）密集辐射阵及其去耦装置：密集辐射阵由n×m个辐射单元按照一定的横向间距dX和纵向间距dY组阵，中间辅以去耦装置，其设计需要考虑以下因素。

1）辐射单元的结构形式：辐射单元需要小型化设计，适合密集组阵列；辐射单元的馈电和安装结构需要与功分网络充分匹配；从降低天线整机重量的目的出发，辐射单元需要进行轻量化设计；从提高天线生产效率考虑，辐射单元最好能实现辐射体和馈电片的一体化。

2）辐射单元组阵方式：5G Massive MIMO要实现-60°到+60°的业务波束扫描，其横向单元间距要＜0.55λ，否则会出现扫描角度不够以及在±60°及附近大角度扫描时副瓣电平过高，甚至高于主瓣电平的情况。密集阵列的单元个数由纵向间距大规模天线系统要求的增益决定。考虑到垂直赋形由单元模块的辐射单元个数组成，一般5G Massive MIMO的纵向间距＜0.8λ。

3）去耦设计：密集辐射阵由于单元数多，横向单元间距近（＜0.55λ），各单元模块之间的互耦效应非常大，造成各射频通道的方向图畸变，一致性差，隔离度恶化。因此，要对密集阵列进行去耦设计。

（3）功分网络及其射频通道：5G天线系统整机增益的要求决定了整个密集阵列的单元个数，而射频通道数量决定了单元模块的辐射单元个数，功分网络则将单元模块的多个辐射单元进行馈电激励。功分网络的幅相权值决定了单元模块的预制倾角，单元模块预制倾角决定了5G Massive MIMO在方向图垂直扫描时在不同倾角时的增益，分析了在单元模块预制为0/3/6三种倾角时以96单元阵列为例整机天线在不同垂直倾角时的增益。在较大下倾角扫描时，单元模块预制6°下倾的增益优势非常明显。考虑5G基站密度增加、单个基站覆盖范围减小、天线挂高等因素，其工作状态更多处于下倾角较大的情况，因此对5G Massive MIMO的单元模块设置一定的预制倾角有利于其实际应用。

5G Massive MIMO的辐射单元需连接在功分网络电路上，一般将功分网络设计为双面微带进程管理块（process control block，PCB）结构或四层板带状线结构。

（4）耦合校准网络：耦合校准网络的作用在于实现对每个射频通道的输入信号进行检测和校准。要实现对收发组件输入到射频通道的信号检测和校准，首先其自身的幅相一致性要平稳，这对耦合校准网络的设计和加工提出了非常高的要求，耦合校准网络幅相一致性问题也是5G Massive MIMO要解决的核心技术难题。首先，其校准电路要求设计为多层板结构的带状线传输线结构，避免外来信号对校准电路自身信号的干扰；其次，校准电路本身同级电路和上下级电路之间也要做好信号屏蔽；最后，耦合校准网络的PCB加工质量，包括压板精度、线宽线隙、蚀刻因子等要做好控制。只有做到以上几点，才能保证校准网络自身幅相的一致性，才能有效检测收发组件的输入信号信息。

（5）盲插型连接器：盲插型连接器分别电连接在天线射频通道的输入端和收发组件的输出端口，结构上要进行精确的设计定位，实现天线输入端和收发组件信号输出端口的盲插连接。盲插型连接器的种类和形式较多，可以自由选型，目的在于实现天线射频通道和收发组件的便捷连接。

（6）收发组件：不同于4G时代的天线+射频拉远单元（RRU）+室内基带处理单元（BBU）构成分布式基站，5G Massive MIMO将天线变成了一体化有源天线处理单元（AAU），AAU集成了天线与RRU的功能，每个数字接口通过收发组件独立控制每个射频通道的信号输入，通过耦合校准网络对每个射频通道的信号检测和校准来判断信号强度和相位信息，最后通过系统数字赋行算法调节收发单元激励到每个射频通道的幅相权值配置实现大规模天线的精准三维（3D）波束方向图和3D扫描。

4.Massive MIMO技术演进方向

目前，FDD和TDD两种制式的Massive MIMIO潜在发展路线如下。

（1）FDD：

面向FDD频谱重耕或LTE网络持续演进，Massive MIMO技术是重要的使能技术，保证在5G时代FDD制式具有与TDD相当的频谱效率。

（2）TDD：

基于我国最可能首发的5G频段（3.5GHz频段），Massive MIMO技术可带来成倍的单用户和小区的峰值速率提升，如64天线端口以上的Massive MIMO技术可带来10Gbps以上的小区吞吐量。

在5G新空口的研究中，Massive MIMO技术是非常重要的关键技术。面向5G新空口（new radio，NR）系统，Massive MIMO将采用相对于LTE而言更多的天线数量和更窄的波束。

5G NR Massive MIMO技术的显著特点是天线数量远高于LTE系统数量。为了满足NR的性能需求，发射及接收点（transmission and reception point，TRP）考虑支持到256Tx。在NR仿真假设的相关讨论中，70GHz TRP的收发天线数量甚至可以达到1024个。虽然高频段的路径损耗和穿透损耗都较大，但对于减小天线尺寸，在相同的天线阵平面面积上部署更多数量的天线上具有天然的优势。

5G NR Massive MIMO技术的另一个特点是频率跨度大且带宽大。NR的载波频率范围是4GHz左右到6GHz及以上的高频段，如30GHz、70GHz，可能支持的载波带宽也从80MHz到1GHz。这些特性将会给方案实施和空口设计带来巨大的挑战。其中一项挑战就是在不显著增加TRP发射功率的前提下，如何提供类似LTE的覆盖。可行的解决方法是充分利用数量众多的天线，一方面利用天线本身的增益，另一方面采用波束赋形技术，将发射功率集中在窄波束上，以提升覆盖性能。可见相对于LTE更窄的波束，波束赋形是NR Massive MIMO的必然选择，特别是对于6GHz以上的高频频谱。

（三）3D波束赋形

随着标准和技术的不断发展和演进，3D MIMO等技术引领了行业发展趋势。3D MIMO作为5G的核心技术之一，打破传统天线只能提供水平维度的限制。进一步提升MIMO可利用的空间维度，将MIMO多天线技术推向了一个更高的发展阶段，从而提高数据传输效率、系统容量、可靠性，为全面提升无线通信系统性能提供了更多发展空间。

1. 3D波束赋形技术背景

早期的MIMO传输方案由于受限于传统的基站天线构架，一般只能在水平维度实现对信号空间分布特性的控制，还无法充分利用3D信道中垂直维度的自由度，未能从更深层次挖掘出MIMO技术对于改善移动通信系统整体效率与性能及最终用户体验的潜能。随着天线设计构架的演进以及有源天线系统（AAS）技术的实用化发展，移动通信系统底层设计及网络结构设计思路也发生了巨大变化，直接推动着MIMO技术向着更高维度发展。

随着移动通信的发展，5G作为4G的平滑演进，是人们进入智能生活的重要推进器。它将倾力打造低时延、无处不在的全连接智能移动网络，3D MIMO作为5G Massive MIMO技术，具有组网灵活、选址难度降低、覆盖增强、干扰降低、容量提升等优点。

2. 3D波束赋形技术原理

MIMO多天线技术作为5G系统物理层的基本构成，主要可以分为空间复用、传输分集和波束赋形三种模式。3D MIMO技术采用大规模阵列天线，以波束赋形算法为基础，结合空分多址（SDMA）技术实现多场景覆盖。

（1）波束赋形（beamforming）：

在波束成形技术中，基站拥有多根天线，通过调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的。从基站方面看，利用信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线的方向图，因此称为波束赋形。通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号对其进行实时跟踪，使最佳发射方向跟随用户移动，保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中，多天线可以同时瞄准多个用户，构造朝向多个目标客户的不同波束，并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波。

（2）SDMA：

3D MIMO天线在覆盖高层楼宇的同时，通过多个波束对应不同楼层形成虚拟分区，实现了空分复用的效果，同时提升了频谱效率。

（3）Massive MIMO技术：

空间自由度是MIMO多天线技术的安身立命之本。在AAS技术的有力支持下，垂直维度的空间自由度的大门已悄然向MIMO技术打开。简单来说，有了AAS技术，3D MIMO技术在不需要改变现有天线规模的条件下，可以将每个垂直的天线阵子分割成多个阵子（天线数量大幅增加），Massive MIMO正是基于多用户波束成形的原理，在基站端布置多根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号，从而开发出MIMO另一个垂直方向的空间自由度，使得进一步降低小区间干扰、提高系统吞吐量和频谱效率成为可能。

3. 3D波束赋形技术优势

与传统MIMO不同的是，3D MIMO采用的天线规模发生了巨大变化，天线数量大幅增加，随着基站天线数量趋向于很多时，各UE的信道将趋向于正交，用户间的干扰趋于消失，由此带来的巨大的天线阵列增益将有效提升每个用户的信噪比，因此可在相同的时频资源上支持更多用户的传输，提升小区的平均频谱效率、降低相邻小区干扰、提升系统容量。

（1）3D MIMO从室外覆盖高层楼宇具有的优势如下。

1）更经济：传统的基站为提高天线增益，垂直波瓣较窄，在覆盖高层建筑时往往只能覆盖到部分楼层，从而需要多面天线来做覆盖的场景。使用3D MIMO技术则可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，在减少了天面建设需求的同时，也通过多个并行数据流传输提高了频率利用效率。

2）占用天面少：利用常规天线覆盖高层楼宇时，需要分别针对低层、中层和高层设置多个天面，而3D MIMO技术的天面需求很少。

3）垂直面覆盖宽：3D MIMO天线相比常规天线，可实现单天线阵覆盖整个楼层，垂直面的覆盖角度可达±30°（普通天线一般只能做到±8°），提升了频谱效率。

（2）3D MIMO技术的应用可以降低对邻区的干扰：相比于常规天线的垂直面不能随终端的位置实时调整，3D MIMO天线可通过AAS组合而成，每个阵子均可独立调整权值，波束在垂直面跟踪终端，从而可从整体上降低对邻区的干扰。

（3）3D MIMO可实现垂直面SDMA，提升频谱效率：相比于常规天线在垂直面不能实现针对终端的多波束，3D MIMO天线可实现针对不同终端的垂直面多波束，实现了垂直面空分，提升频谱效率。3D MIMO技术提供了垂直面波束赋形，将UE2与UE3从垂直维度上再进行一次区分，分别形成对准它们的波束为其进行服务。

4. 3D波束赋形技术瓶颈包含以下几方面。

（1）每根天线用户位置的确定算法：

在移动通信中，手机估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行，因为基站天线数量众多，手机在向基站反馈时所消耗的上行链路资源过于庞大。目前，最可行的方案是基于时分双工（TDD）的上行和下行链路的信道对称性，通过手机向基站发送导频，在基站端监测上行链路，基于信道对称性，推断基站到手机端的下行链路信息。

（2）导频数量限制造成的干扰：

获得上行链路信息，手机终端需向基站发送导频，可是导频数量总是有限的，这样不可避免地需要在不同小区复用，从而会导致导频干扰。

（3）波束成形算法限制：

很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算，其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加，导致硬件不能实时完成波束成形算法。

5. 3D波束赋形技术应用

3D MIMO中新天线和新技术的引入对于现有网络中天线技术的应用场景实现了成功的突破，可灵活适应高楼覆盖、热点宏覆盖、体育场覆盖、“最后一公里”覆盖等多种场景的室外宏覆盖。在热点区域，用户数多且用户在3D空间分布范围大，结合精确的信道估计、用户配对算法，即可实现空域16层及以上的资源空分复用，让无线网络的频谱效率再上一个台阶。

3D波束赋形（3D MIMO）和Massive MIMO是MIMO演进的两项主要技术。3D波束赋形将波束赋形从原来的水平维度扩展到了垂直维度，对这一维度的信道信息加以有效利用，可以有效地抑制小区间同频用户的干扰，从而提升边缘用户的性能乃至整个小区的平均吞吐量。配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。

（四）上下行解耦

从1G到4G，蜂窝通信技术都是按单频段进行设计的，FDD频段上下行成对，TDD上下行共用一段频段，即手机与基站在上下行方向上是绑定在一起的，不可分割。但是，这种设计一直存在一个问题——上下行不平衡。具体说来，下行链路上的宏基站与上行链路上手机终端的发射功率具有相当大的差异，宏基站可以以几百瓦的功率进行发射，而手机的发射功率仅在毫瓦级。

手机发射功率太小限制了小区覆盖范围。众所周知，电磁波的频率越高，其衰减在传播过程中随传播距离的延长愈加严重，而在5G时代，使用的频段越来越高，加上基站侧因大规模阵列天线增益、TDD模式下时隙配比差异，将会导致这种上下行覆盖不平衡的现象愈加严重。

无线网络覆盖由上行链路和下行链路共同决定，需要达到上下行链路平衡。往往基站发射天线增益大、功放功率大，而终端由于体积受限，天线和功放不能做得很大，因此多数情况下上行覆盖受限。通过上下行解耦技术（new radio，NR）支持在一个小区中配置多个上行载波，该上行载波称为增补上行载波（supplementary uplink，SUL）。上下行解耦是增强物理上行共享信道（PUSCH）覆盖的重要技术。PUSCH在低频SUL载波上发送，可以免受UE高频传输时大路径损耗和穿透损耗的影响，可以提升NR系统覆盖范围，改善边缘用户上行传输性能。

在NSA模式下，NR UE需用通过LTE空口进行初始接入，然后根据LTE基站的配置建立与NR空口和核心网的连接。如NR的SUL和LTE FDD的上行载波为同一个载波，在UE看来，该载波既可以作为NR SUL，又可以作为LTE的上行载波。

在SA模式下，NR完全独立于LTE服务于用户，UE可以直接通过NR空口进行初始接入并与核心网相连，对NR UE而言，LTE小区及来自LTE小区的调度是不可见的。上下行解耦技术可以有效降低NR的时延，尤其是当NR载波采用TDD载波时。当配置了SUL载波时，上行数据的发送和下行数据的反馈均可在SUL载波上传输。SUL载波上可配置为连续的上行发送，这样就在最短的时间内既可完成下行数据的反馈，又能完成上行数据的发送，从而大大缩短整个系统的时延。

1.原理概述

C-Band拥有大带宽，是构建5G增强型移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）的黄金频段。目前，全球多数运营商已经将C-Band作为5G首选频段。但是，由于5G NR（New Radio）上下行时隙配比不均以及gNodeB下行功率大，导致C-Band上下行覆盖不平衡，上行覆盖受限成了5G部署的瓶颈。同时，随着波束赋形、CRS（cell-specific reference signal）-Free等技术的引入，下行干扰会减少，C-Band上下行覆盖差距将进一步加大。

基于上述原因，上下行解耦定义了新的频谱配对方式，使下行数据在C-Band传输，而上行数据在Sub-3G（如1.8GHz）传输，从而提升了上行覆盖。在早期5G商用场景下，如果没有单独的Sub3G频谱资源供5G使用，可以通过开通LTE FDD和NR上行频谱共享特性来获取Sub-3G频谱资源。C-Band的频段是3.5G/3.7G，Sub-3G的频段是1.8G，仅支持NSA组网场景。

3GPP《R15TS 38.331无线资源控制（RRC）协议规范》版本引入了辅助上行SUL（supplementary uplink），SUL承载了Sub-3G频段。SUL可以有效利用空闲的Sub-3G频段资源改善高频的上行覆盖，使得更多的区域可以享受到5G，同时提高边缘用户的使用体验。引入SUL后，上行可以通过常规上行链路（C-Band）或辅助上行链路（Sub-3G）承载。因此在随机接入、功率控制、调度、链路管理和移动性管理上与上下行使用相同频段的过程有不同。

2.SUL随机接入

随机接入是UE在通信前由UE基于非竞争的方式向gNodeB请求接入，收到gNodeB的响应并由gNodeB分配随机接入信道的过程。随机接入的目的是建立UE和网络的上行同步关系并请求网络给UE分配专用资源，以进行正常的业务传输。

NSA组网场景下，gNodeB根据UE上报的C-Band下行RSRP（reference signal received power）来决策UE是否在SUL载波发起随机接入。若判断UE在SUL上发起随机接入，gNodeB将携带SUL载波相关信息的RRC重配置消息通过eNodeB发给UE。

SUL随机接入流程如下。

（1）UE发送前导序列：

UE首先通过RRC重配置消息获取SUL的RACH相关配置信息并向gNodeB发起随机接入请求（random access，RA）（通过MSG 1承载）。

（2）gNodeB发送RA响应：

gNodeB收到UE的前导后分配Temporary C-RNTI（cell radio network temporary identifier）并进行上下行调度资源的申请。gNodeB在PDSCH（physical downlink shared channel）上发送RA响应，携带的信息包括RA-preamble identifier、Timing Alignment information、initial UL grant和Temporary C-RNTI。在一条PDSCH上可以同时为多个UE发送RA响应（通过MSG 2承载）。

UE发送了前导后，在RA滑窗内不断监听PDCCH（physical downlink control channel）信道，直到获取所需的RA响应为止。如果RA响应包含一个与UE先前发送一致的RA-preamble identifier，则UE认为响应成功，继续进行上行调度传输。如果在RA滑窗中UE始终没有收到响应信息，或接收到的响应信息验证失败，则UE认为接收响应失败。响应失败后，如果UE的RA尝试次数小于最大尝试次数，则重新进行一次RA尝试，否则RA流程失败。

3.调度

上下行解耦特性开启的场景下，下行链路通过C-Band传输（TDD），上行链路通过Sub-3G传输（FDD）。由于C-Band的子载波间隔为30kHz，Sub-3G的子载波间隔为15kHz，C-Band与Sub-3G的TTI数量比例是2∶1，因此调度时需要考虑不同的时序。

NR引入了灵活的调度机制，协议引入k1和k2，以保证gNodeB和UE间的调度时序不错乱（详情参见5G NR标准文件：3GPP TS38.214 15.0.0版5.2和5.3中内容）。其中，k1用于确定下行数传的HARQ时序，k2用于确定上行调度时序。gNodeB通过DCI（downlink control information）消息将k1和k2参数下发给UE。其余调度算法与非上下行解耦相同。

（1）HARQ时序：

在上下行解耦场景下，下行数传的ACK/NACK反馈时序为N+k1。当UE在CBand子帧N收到下行数据时，会在C-Band子帧N+k1对应的Sub-3G上行子帧反馈ACK/NACK。

（2）上行调度时序：

在上下行解耦中，网络侧通过C-Band调度指示UE在SUL上调度的资源，调度时序为N+k2。当UE在C-Band子帧N收到包含上行调度的DCI时，会在C-Band子帧N+k2对应的Sub3G上行子帧发送上行数据。

4.SUL功率控制

SUL各信道的功率控制原理与NR高频上行功率控制相差异点在于SUL没有下行链路，因此采用高频下行链路进行路损估计。采用高频下行链路获得路损估计会大于实际路损情况，因此会导致SUL随机接入上行发射功率过高，导致上行干扰提升。因此gNodeB会根据SUL和高频下行的路损差调整值，路损差通过RRC重配置消息发送给UE。

5.SUL链路管理内容如下。

（1）上行链路选择：

NSA场景下，UE驻留在LTE。当与eNodeB和gNodeB建立双连接时，网络侧需要为UE添加gNodeB作为SCG（secondary cell group），并指示UE在NR发起随机接入。对于支持上下行解耦的UE，网络侧需要为UE选择NR上行或NR SUL链路作为上行链路，并在RRC重配消息中指示UE要接入的上行链路。

（2）上行链路变更：

建立双连接后，由于NR上行与NR辅助上行的覆盖差异，UE在NR小区内移动时会产生上行链路变更。上行链路变更流程如下：①NR基站向UE下发A1/A2事件的测量控制，UE上行链路在NR上行时gNodeB向UE下发A2测量控制；UE上行链路在NR辅助上行时gNodeB向UE下发A1测量控制。②gNodeB收到UE上报的A1/A2事件后，根据如下规则，通过RRC重配指示UE进行上行链路变更。当UE上行链路在NR上行时，如果NR小区RSRP低于NRCellSul.RsrpThld-Hyst（迟滞）（A2测量事件），则网络侧指示UE变更至NR辅助上行链路。当UE上行链路在NR辅助上行时，如果NR小区RSRP高于NRCellSul.RsrpThld+Hyst（迟滞）（A1测量事件），则网络侧指示UE变更至NR上行链路。

6.移动性管理

UE移动时如果需要切换eNodeB，称为主小区组（master cell group，MCG）移动性管理；如果不需要切换eNodeB但是会切换gNodeB，称为辅小区组（secondary cell group，SCG）移动性管理。

（1）MCG移动性管理：

如果原eNodeB存在gNodeB作为辅站，原eNodeB先删除gNodeB并通过RRC重配置消息指示UE释放SCG，然后通过RRC重配置消息指示UE向目标eNodeB发起切换。UE切换至目标eNodeB后，再添加合适的目标gNodeB作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦，则网络侧需要指示UE在NR上行或NR辅助上行发起随机接入。如果原eNodeB不存在gNodeB作为辅站，则网络侧断开UE和eNodeB之间的连接，并指示UE切换至目标LTE小区后再添加目标NR小区作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦，则网络侧需要指示UE在NR上行或NR辅助上行发起随机接入。

（2）SCG移动性管理：

eNodeB释放原gNodeB，并添加目标gNodeB作为SCG。若目标NR小区支持上下行解耦，网络侧需要指示UE在NR上行或NR辅助上行发起随机接入。

7.天线增益分析

NR小区边缘上行吞吐率提升，上下行解耦特性开通能够有效提升小区边缘吞吐率，小区边缘用户体验得到改善。NR小区用户数增加上下行解耦特性开通可以扩大NR小区上行覆盖，接入用户数增加。

8.影响分析

上下行解耦用户激活后，网络侧会为用户激活NR上行和NR辅助上行两个载波，因此每个上下行解耦用户会消耗双倍硬件资源。

应该注意的是，上下行解耦设计与传统载波聚合有着本质的区别，上下行解耦中NR TDD载波与SUL载波属于同一个小区，即两个上行载波对应同一个下行载波，而载波聚合时两个载波分属不同的小区。通过上下行解耦，还可以有效减少NR和LTE之间的切换次数，改善移动场景中的用户体验。上下行解耦对于提升频谱利用率也有帮助，因为FDD的上行一般比较闲。

（五）载波聚合

一般来说，要提升速率或者容量的普遍思路是建更多的基站，同一个基站下载资源的用户少了，速率自然就上去了，但缺点是投入太大。提升速率的方法有提升频谱效率，从2G到5G，为了提升效率，在每赫兹的频谱上传输更多的数据。提升容量的方法有增加频谱带宽，这是提升容量最简单的办法，从2G到5G，单个载波的带宽不断增长，从2G的200k，到3G的5M、4G的20M，在5G时代甚至达到了100M（Sub 6G频段）乃至400M（毫米波频段）。4G主要是使用2G和3G乃至Wi-Fi的频段，5G主要是扩展新频段，从传统的低频向带宽更大的高频。

1.载波聚合的分类及发展史

频谱资源是稀缺的，每个频段就一小段，因此载波聚合需要支持多种方式。以两载波聚合为例，如果两个载波的频段相同，频谱连续，就被称为频段内连续的载波聚合。如果两个载波的频段相同，但频谱不连续，中间隔了一段，就被称为频段内不连续的载波聚合。如果两个载波的频段不同，则被称为频段间的载波聚合。

这三种方式包含载波聚合的所有情况，参与载波聚合的每一个载波，被称为分量载波（component carrier，CC）。因此，三种载波聚合也可称为3CC。这些载波在一起工作，需要相互协同，有主辅载波之分。所谓主载波，就是承载信令，并管理其他载波的载波，也被称为Pcell（primary cell）。辅载波也被称为Scell（secondary cell），用来扩展带宽、增强速率，可由主载波来决定何时增加或删除。

主辅载波是相对终端来说的，对于不同终端，工作的主辅载波可以不同，并且参与聚合的多个载波不限于同一个基站，也可以来自相邻的基站。从4G的LTE-Advanced协议引入载波聚合之后，从最初的5载波聚合，总带宽100MHz，再到后面的32载波聚合，总带宽可达640MHz。到了5G时代，虽说可聚合的载波数量仅为16个，但5G的载波带宽大。Sub 6G的单载波带宽最大100MHz，16个载波聚合一共就有1.6GHz带宽；毫米波单载波带宽最大400MHz，16个载波聚合一共就有6.4GHz带宽。

2. 5G的载波聚合技术

5G的载波聚合就是将多个载波聚合起来发送。由于每个5G网络中的频段有限，而且不一定连续，如果每个UE都只能使用其中某一个频段，那么UE的速率将会受到限制。载波聚合（carrier aggregation，CA）技术就是解决这个问题的，把相同或者不同频段的频谱资源聚合起来给UE使用，提高UE的速率。如果存在两个频段Band A和Band B，就可以使用CA技术将Band A和Band B同时分配给UE聚合使用。载波聚合时，每个载波都对应一个小区（cell）。

5G的载波聚合，相比4G来说更复杂。5G的频段分为两类，FR1和FR2，也就是俗称的6GHz以下的频段（Sub 6G），以及高频也就是毫米波（millimeter wave）。FR1包含了众多从2G、3G和4G传承下来的频段，有些是FDD的，有些是TDD的。在FR1内部就存在FDD+FDD频段间的载波聚合、FDD+TDD频段间的载波聚合以及TDD+TDD频段间的载波聚合。在上述每个FDD或者TDD的频段内部，频段还可以由多个带内连续的载波聚合组合而成。3GPP定义了多种聚合等级，对应于不同的聚合带宽和连续载波数。

不同于FR1，FR2是全新定义的毫米波频段，双工方式全部都是TDD。跟FR1类似，3GPP也为FR2频段定义了带内连续的多种聚合等级，对应于不同的聚合带宽和连续载波数。比如FR2频段内载波聚合等级M，就表示8个带内连续的载波聚合，且总带宽为700～800MHz。有了上述定义，就可以在FR1内部频段内、频段间进行载波聚合，还能和FR2进行聚合，并且载波数量以及每个载波的带宽也都可以不同，它们之间的排列组合非常多。

3.NSA组网下的双连接技术

5G内部载波聚合只是带宽扩展的冰山一角，5G在NSA架构下引入了双连接（dual connection，DC）技术，使得手机可以同时连接4G基站和5G基站。在双连接的基础上，4G部分和5G部分还可以在其内部进行载波聚合，相当于把4G的带宽也加进来，可进一步增强下行传输速率。手机同时接入的4G基站和5G基站，这两基站要区分主辅，一般情况下在Option3系列架构中，4G基站作为控制面锚点，称为主节点（master node），5G基站称为辅节点（secondary node）。主节点和辅节点都可以进行载波聚合，其中主节点的主载波和辅载波称为Pcell和Scell，辅节点的主载波和辅载波称为PScell和Scell。带载波聚合的主节点和辅节点又可以被称为主小区组（master cell group，MCG）和辅小区组（secondary cell group，SCG）。

虽说NSA架构的初衷并不是提升速率，而是想着借由4G来做控制面锚点，这样不但现有的4G核心网分组核心网络（Evolved Packet Core，EPC）可以利用，还能使用成熟的4G覆盖来提供5G。但从客观上来讲，通过双连接技术，手机可同时连接4G和5G网络，获取到的频谱资源更多，理论上的峰值下载速率可能要高于SA组网架构，除非以后把4G载波全部重耕到5G。

4.CA与SUL的区别

（1）SUL只对应上行链路，而CA下每个分量载波既可以有上行链路，也可以有下行链路。

（2）SUL属于同一个小区内，而CA下不同的Band属于不同小区。

（六）微时隙

对于时延敏感的业务场景，通过增大子载波间隔（SCS）可缩短时隙长度和调度周期。但在这种机制下，系统调度周期与时隙周期紧耦合，并不是效率最高的方式。为了实现进一步动态调度，NR使用了微时隙（Mini-Slot）机制来支持突发性异步传输。

5G定义了一种子时隙构架——Mini-Slot，Mini-Slot主要用于uRLLC应用场景，提供高可靠性超快响应。Mini-Slot由两个或多个符号组成，第一个符号包含控制信息。对于低时延的混合自动重传请求（hybrid automatic repeat request，HARQ）可配置于Mini-Slot上，Mini-Slot也可用于快速灵活地服务调度。Mini-Slot的起始位置是可变的，且持续时间比典型的14个符号的时隙更短。Mini-Slot是最小的调度单元，原则上最短可以持续1个OFDM符号，实际上《R15 TS 38.331无线资源控制（RRC）协议规范》限定Mini-Slot可以持续2个、4个或7个OFDM符号。Mini-Slot这种数据传输时间间隔与时隙边界松耦合的特性使NR不拘泥于在每个时隙起始之处传输数据。当突发业务数据到达时，NR能够改变数据传输队列的顺序，将Mini-Slot插入已经存在的发送给某个终端的常规时隙传输数据的前面，而无须等待下一个时隙开始的边界。Mini-Slot机制借此可以获得极低的时延。因此，Mini-Slot机制能够很好地适配uRLLC与eMBB业务共存的场景。

对于热点高容量场景，尤其是使用毫米波作为载频的场景，由于毫米波的单载波带宽很大，存在着用几个OFDM符号即可承载较小的数据有效负荷而无须用到1个时隙中全部14个OFDM符号的情况。在这种情况下，使用Mini-Slot机制显然可以提高资源的利用率。对于广覆盖场景，尤其是使用模拟波束赋形技术的场景，由于传输到多个终端设备的不同波束无法在频域实现复用，只能在时域复用，因此Mini-Slot特别适合与模拟波束赋形技术组合使用。此外，Mini-Slot机制也非常适合非授权频谱传输的场景。在非授权频段，发射机在发送数据前，需要先确定当前无线信道是否被其他传输占用，即基于LBT（listen-before-talk）策略。一旦发现无线信道未占用，需要马上开始数据传输，否则，如果等待下一时隙开始，很可能无线信道又被其他传输数据占用了。

综合所述，Mini-Slot对于实现低时延传输尤为重要，对于提高数据的传输效率以及匹配模拟波束赋形技术需求的作用次之，对于适配非授权频谱传输需求则再次之。

（七）免授权接入

目前，公众移动通信网均使用授权频谱，由各国电信或频率管理部门分配授权或拍卖，在授权频谱范围内不允许其他技术和网络使用，以确保移动网络的质量和安全。授权频谱是移动通信运营商的重要资源，有效利用无线频谱已成为移动通信技术发展的重要推动力。尽管5G技术的频谱效率比4G高3～4倍，但高清视频、AR/VR等业务不断增长，原有的授权频段资源已不能满足需求，为此第三代合作伙伴计划标准（3rd generation partnership project，3GPP）积极寻求5G等新技术在非授权频谱上的应用部署方案。

在非授权频谱中使5G技术，关键在于如何保障已有非授权频谱系统的正常使用，保证其资源使用的公平性，降低彼此间的干扰，合理共享频谱，使频谱效率最大化。随着5G使用非授权频谱的技术发展和产业成熟，为降低运营成本，更多的企业和客户将采用非授权频谱作为可选的解决方案。

1.非授权频谱与技术

目前全球的非授权频谱资源主要分布在2.4GHz、5GHz、6GHz和60GHz频段，不同频段在不同地区的规定略有差异，其中6GHz频段主要为美国和欧洲分配的。2.4GHz频段广泛使用于SIM领域和室内Wi-Fi，只有83.5MHz频谱带宽频率资源非常拥挤。5GHz频段资源中，美国和加拿大有580MHz，欧洲和日本有455MHz，中国有325MHz资源，相对比较空闲。对于6GHz频段和60GHz频段，美国FCC在2020年4月已经发布6GHz频段免授权使用，共有1200MHz，频谱资源丰富，欧洲、日本和中国的频谱主管部门也在积极推进。目前主要考虑5GHz、6GHz和60GHz频段中使用5G NR增强技术。每个频段划分为不同载波或信道，不同无线通信技术（RAT）将会使用1个或多个载波，如5GHz频段，以20MHz为基本载波带宽，可按照20M、40M、80M、160M带宽使用。

非授权频段具有无须许可的共享特性，以竞争频谱的方式提供尽力而为的服务，按照信道访问公平性、多无线接入技术（radio access technology，RAT）共存的原则来使用。任何一种在非授权频谱下的RAT技术需要满足功率和功率谱密度等级、最大信道占用时间、信道占用带宽、信道监测机制等要求，合理占用信道和释放信道，对同一频带中的其他RAT系统不能造成干扰。

现有Wi-Fi中的竞争机制基本要求是先听后说（listen before talk，LBT），在数据发送之前必须先监听信道的被占用情况，满足条件时才能使用该信道，而且在最大占用时间（MCOT）结束后释放信道。由于非授权频段免许可和抢占性，许多国家或地区（如日本、欧盟等）将支持LBT技术作为非授权频段使用的必选项，而中国和美国等则没有强制要求LBT。

2.非授权频谱技术的标准化进展

为适应移动通信数据业务迅猛增长的需求，利用非授权频谱来分担蜂窝网络的压力，非授权频谱技术不断涌现。由LTE-U Forum提交的LTE-U（LTE unlicensed）方案在3GPP R12标准版本中体现，在3GPP R13规范中已批准了LBT的LAA（licensed assisted access，授权辅助接入）和网络间互操作的LWA（LTE-WLAN aggregation，LTE-WLAN聚合）。美国高通公司主导的Mutefire技术可以不依赖授权频段锚点，独立部署在非授权频段。2020年7月冻结的3GPP R16标准已支持基于NR的非授权频段接入（NR unlicensed，NR-U）技术，使用NR协议在非授权频段提供接入服务，作为5G NR技术的扩展和补充。

授权频谱辅助接入（LAA）技术支持LBT，从而能够有效规避与频段内现有系统的干扰问题，支持授权频谱与非授权频谱通过载波聚合（CA）的方式捆绑使用。LAA是LTE-U的演进升级，不支持独立使用，LAA的演进方向为增强许可协助访问（enhanced licensed assisted access，eLAA）和进一步增强型许可辅助访问（further enhanced licensed assisted access，FeLAA）。

MulteFire技术是在非授权频谱上独立使用LTE技术来构建无线网络，同时改进完善了LTE的一些设计，能够为用户提供接近LTE的高品质服务，同时MulteFire技术具有Wi-Fi特性，非常容易部署。由于MulteFire支持LBT技术，设计符合全球5GHz频段的监管法规，使其能够在全球范围内部署，已经有一定应用，但产业链还不太成熟。

基于5G NR技术的NR-U则是沿用LTE LAA的网络设计思路，对NR空口技术进行必要的增强，支持全向和方向性的LBT，支持5GHz、6GHz、60GHz等多个频段和多种子载波间隔，网络时延指标得到提升。

根据3GPP的相关规范，NR-U技术的部署场景分为五类。

（1）场景A：

在许可频段NR（PCell）与NR-U（SCell）两个基站的载波聚合，NR-U SCell同时具有上行和下行，或者纯下行。

（2）场景B：

在许可频段LTE（PCell）和NR-U（PSCell）之间的DC双连接。

（3）场景C：

NR-U独立部署，不依赖授权频段的基站。

（4）场景D：

NR小区下行工作在非授权频段，上行工作在授权频段。

（5）场景E：

授权频段NR（PCell）和非授权频段NR-U（PSCell）之间的DC双连接。

其中场景A、B、D、E为典型的公网部署场景，可支持非授权频谱作为授权频谱的补充。场景C作为独立部署场景，主要面向非传统运营商，尤其是没有授权频谱的非传统运营商、垂直行业应用（工业互联网）等情况。

3.NR-U增强技术设计

NR-U沿用了5G NR技术，为满足非授权频谱使用的监管要求，需信道占用评估和接入机制、信道占用策略和COT结构、初始化接入策略、HARQ和MAC调度策略、上行信号频谱变换等技术。下面针对NR-U增强技术进行分析。

（1）NR-U LBT：

非授权频谱使用的LBT机制分为基于负载的LBE（load based equipment）和基于帧的FBE（frame based equipment）两种。FBE机制是在确定没有Wi-Fi等其他RAT技术使用的场景下，使用固定的总时长，最大程度利用信道资源，可以考虑用于专网场景。LBE机制是基于负载来决定竞争窗口的设置和占用总时长。LAA的LBT/CCA采用基于负载（LBE）的LBT机制，NR-U沿用LAA的LBT/CCA，支持可配置的竞争窗口长度和可变的退避机制。

在数据传输前，启动LBT/CCA流程监测信道占用情况，如果信道忙则继续等待和检测。如果信道空闲，会发起随机退避（backoff）流程，退避结束（计数器为0）开始数据传输，直至最大占用时间（MCOT）停止数据传输。3GPP为NR-U指定了四种LBT类型：①Cat1 LBT，不需LBT；②Cat2 LBT，LBT没有随机退避，CCA时期的确定性（如固定25us）；③Cat3 LBT，LBT与随机退下固定大小的竞争窗口，扩展CCA的周期是一个固定的竞争窗口内的一个随机数；④Cat4 LBT，随机回退的LBT，具有可变大小的竞争窗口，其中扩展的CCA周期争用窗口内的随机数绘制，其大小可根据信道动态变化。

如果因信道被其他用户占用而导致LBT失败，就会对空口消息交互产生影响，包括系统消息、接入请求、RRC信令等均无法发送，导致网络侧或终端侧接收延迟或失败，造成时延增加和可靠性降低，影响用户的QoS和业务体验。如何提高LBT成功率、减少LBT失败带来的影响，是5G非授权频段组网面临的最主要挑战。基于LBE的LBT技术是NR-U最重要的信道评估和接入机制，也是整个NR-U技术协议增强的重点，确保NR-U和其他RAT技术公平共存。LBT的增强研究包括有LBT的回退算法、基于定向天线和波束的LBT机制、接收辅助的LBT机制等。

（2）信道占用时间COT：

在5G系统中，NR使用授权频谱，支持多种帧结构（半静态配置），不需要LBT机制，可以按照固定的帧结构使用无线信道资源，在使用过程中基站随时知道信道被占用情况，一般不需更改帧结构和参数。但在非授权频谱技术中，除了引入LBT机制外，NG-U还要引入信道占用时间（COT）策略和优化帧结构。NR-U通过引入动态TDD机制，根据业务需求动态调整上下行传输资源，充分重用NR已有的微时隙（Mini-Slot）设计满足低时延业务需求，同时抵消部分因引入LBT带来的时延。

NR-U的COT结构有以下特点：①包含1个或多个上下行转换点（DL/UL slot）；②支持1个或多个Mini-Slot，并且Mini-Slot可以从任何一个符号（symbol）开始，每个转换点（slot）可灵活配置为下行链路资源、上行链路资源或灵活资源；③支持不同的子载波间隔（SCS）。

NR-U支持灵活的时隙和资源分配方案和灵活的COT结构，降低功耗和信道访问延迟。由于LBT机制下的NR-U，基站的数据发送起始点具有随机性，COT时间内外采用不同的下行信道监测策略。在COT时间外，终端在Mini-Slot周期监听下行信道，仅完成对参考信号的相关检测，不做完整的PDCCH解调，可减少终端耗电量。当终端检测到COT结构后，恢复到基于时隙的常规检测和解调。

（3）上行信道的信号变换以满足占用带宽需求：

在非授权频谱中应该以公平和相同的方式进行使用，其中占用信道带宽有明确的要求。片上总线（on-chip bus，OCB）定义为占用99%信号能量的带宽，一般在标称占用带宽系统信道带宽（NCB）的80%～100%，如针对20MHz的信道带宽，为满足80%的OCB带宽要求，终端的上行信号需变换为占用16MHz的频谱带宽。

NR-U的上下行信道须满足占用带宽OCB的要求，由于NR-U的下行信道可以针对多个终端用户并发使用，容易满足OCB的要求，但NR-U的上行信道是针对单个终端用户，需要把上行信号的功率尽量分散到OCB的通道频宽范围。NR-U将会沿用eLAA上行传输引入了块隔行频分多址（B-IFDMA），支持更多频宽选择和子载波间隔。频域交织传输是基于每个物理RB（PRB）完成的。

对于20MHz的带宽，每个交织占用10/11个PRB，每个交织内的PRB等间隔。对于30kHz的子载波间隔，每个交织内的PRB间隔为4个PRB，20MHz内存在5个交织资源块。对于更多的PRB、更大的带宽，可以采用等间隔的方式进行扩展。

（4）随机接入流程的增强：

NR-U引入LBT机制后，因LBT可能失败而导致基站和终端信令交互效率和成功率降低，需对NR中的流程进行必要的优化。以R15 NR RACH随机接入为例，传统基于竞争的随机接入（contention based random access，CBRA）需要四个步骤。①Msg1：终端侧发送前导码；②Msg2：基站侧发送响应RAR；③Msg3：终端发送连接和资源请求；④Msg4：基站侧解决竞争和分配资源。如果每一次交互之前都要进行LBT，将会在一定程度上影响成功率。为此，NR-U引入了支持两个步骤的随机接入，终端和基站的交互只需要MsgA和MsgB两步，MsgA至少包含Msg1和Msg3的内容，MsgB至少包含Msg2和Msg4的内容，通过减少交互次数来提高接入成功率。

4.应用分析

NR-U引入后服务提供商可使用更多的频谱资源，通过载波聚合和双连接提供更高速率、更大容量的网络服务。独立部署的场景为垂直行业应用和专网提供了新的方案。包含NG-U技术的R16标准规范已在2020年7月冻结，即将在工业互联网等垂直行业场景中得以落地应用。针对NR-U的技术和应用，一般原则如下。

（1）NR-U部署有室内和室外场景时需要从实际应用角度出发，优先考虑室内场景和微蜂窝场景，主要基于以下两点因素。

1）降低干扰：非授权频谱的使用对功率有严格要求，比如5.15～5.35GHz频段内，EIRP≤23dBm，PSD＜10dBm/10MHz。NR-U网络的基站节点和终端节点的功率等级差异不大，各种节点的覆盖范围比较小。

2）非授权频谱使用前需要对信道占用情况进行监听，包括附近的基站节点和其他附近的终端节点。室外宏小区场景，基站节点功率远大于终端节点功率。因覆盖的范围较大并且环境复杂，基站节点侧和终端节点侧的信道测量结果不能准确反映实际的信道使用情况，难以解决暴露节点和隐藏节点的问题。相比之下，室内微蜂窝场景的信道占用情况和测量更加准确。所以在NR-U的应用部署中主要考虑室内和微蜂窝场景。

（2）在NR-U的五种部署场景中，有四种需要授权频谱辅助的场景和一种独立部署场景，独立部署场景将会是NR-U的主要应用。

授权频谱辅助的使用方案，特别是使用宏小区的授权频谱辅助将难以推广应用，主要原因是授权频谱辅助意味着需要宏微协同或微微协同，即宏小区（授权频谱）和室内微小区（非授权频谱）协同，或者室内微小区之间协同。鉴于小基站中继回传困难和成本较高，实际网络中的室内场景使用授权频谱的一体化微基站并不多，目前室内场景主要是采用室内分布系统的解决方案。严格来说，室内分布系统属于和宏站类似的方案结构，基于射频或中频信号的分配与合路，单个发射点或pRRU并不能完全等同于一个独立的小基站。在现有网络中使用授权频谱辅助的NR-U场景不会太多。尽管3GPP R13标准版本制定了LAA技术规范，可通过载波聚合的方式使用非授权频谱，但因为不支持独立部署场景，和运营商现网需求有差别，所以实际上没有规模推广。NR-U支持独立部署场景，可以满足有限区域覆盖的行业专网建设需求。

（3）NR-U独立部署方案是实现端到端网络切片功能的重要技术。NR-U的独立组网场景的应用潜力最大，面临的挑战也最大。5G技术的超大带宽、高可靠性和低时延等特点，结合网络切片等新技术将会应用于各种面向企业客户的行业。要实现端到端的网络切片功能，关键在于无线网切片。NR-U的独立组网场景技术，通过非授权频段，使用NR技术，可快速、有效地实现无线网切片（硬切片），支撑垂直行业应用和专网。

（4）从现有的国内外专用LTE、公民宽带无线电服务（CBRS）、LTE-U、MuLTEfire的应用来看，企业专网的需求非常大，在应用中可实现稳定、可靠、安全、不受干扰，特别是美国新增了6GHz的非授权频谱资源，将会推动非授权频谱技术的应用。在中国，对非授权频谱的使用并不强制要求LBT。因此应结合中国现有非授权频谱使用的政策法规推动相应的基站和终端产业链发展，加快在垂直行业专网中的应用，提升行业数字化转型和生产效率服务。

3GPP R16标准版本的NR-U技术支持授权频谱辅助的联合部署和非授权频谱独立部署，能更好地满足eMBB业务、工业互联网、垂直行业专网等部署需求，为不同运营商使用非授权频谱开展业务提供新的可能。NR-U技术经过不断增强和完善，将在日后支持更高、更多非授权频谱和应用场景，随着产业链不断成熟，应用潜力非常巨大。