5G系统设计架构与标准体系概述

5G 无线系统设计与国际标准

第一章 5G标准制定概述

5G无线创新（三驾马车）

1. 灵活的系统设计，灵活的帧结构、波形设计，适应多样化，满足低时延要求；
2. 大规模天线，增加天线数量及新型设计，提升频谱效率；
3. 无线新技术，如新型信道编码，为大带宽高速率业务提供支撑。

控制信道：polar码
数据信道：ldpc码

ITU 国际电信联盟
IMT 国际移动电信
IMT-2020为5G，以6GHz至100GHz为主要研究范围，分析了10、28、60、73GHz等几个代表频段的传播特性，以及6GHz以上高频段无线信号在室内和热点区域的覆盖性能。

5G最基本的三个性能指标：用户体验速率、连接数密度、端到端时延。

5G三大应用场景：增强型移动宽带eMBB、海量机器间通信mMtc、超高可靠和超低时延URLLC。

第二章 5G系统设计架构与标准体系

2.1 5G系统网络架构

一. 5G支持两种部署方式

1. 分布式部署：网络由基站组成，基站支持全协议栈的功能；
2. 集中式部署：基站进一步分为集中单元（CU,centralized unit）和分布单元（DU，distributed unit）两个节点，CU和DU分别支持不同的协议栈和功能。

二. 5G系统架构

包括5G核心网（5GC）和5G接入网（NG-RAN）。

1. 5GC包括MC/UPF/SMF三种主要逻辑节点。其中SMF和接入网之间没有接口。
   AMF主要负责移动性管理。（NAS安全、空闲状态移动性管理）
   SMF负责会话管理功能。（UE IP地址管理、PDU会话控制）
   UPF数据包的路由转发。（移动性锚点、PDU处理）
2. RAN由gNB和ng-eNB两种节点组成。
   gNB（基站）提供到UE（用户设备）的NR控制平面与用户平面的协议终止点。
   ng-eNB提供到UE的E-UTRA控制平面与用户平面的协议终止点。

注1： gNB之间和ng-gNB之间以及gNB和ng-gNB之间通过Xn接口连接；
5G核心网（5GC）和5G接入网（NG-RAN）之间通过NG接口连接；
gNB/ng-eNB和AMF之间是NG-C接口，和UPF之间是NG-U接口。
注2： gNB或ng-gNB功能：小区间无线资源管理、无线承载控制、连接移动性管理、无线接入控制、测量配置与提供、动态资源分配。

2.2 无线接口

• 5G无线接口，又称空中接口，即终端和接入网之间的接口（终端和gNB）。
• 无线接口协议：用来建立、重配置和释放各种无线承载业务。
• 无线接口协议栈：三层（物理层L1、数据链路层L2、网络层L3）、两面（控制平面、用户平面）

一 物理层

• 物理层位于最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。
• 物理层为MAC层和高层提供信息传输服务，通过传输信道描述。
• 传输信道描述了物理层为MAC层和高层所传输的数据特征。

1. 下行信道传输类型

下行：基站到用户。
比LTE系统少一种多播信道，因为多播业务优先级低，未获得足够运营商支持。
(1) 广播信道（BCH，broadcast channel）
采用固定的预定义传输格式，并能够在整个小区覆盖区域广播。
(2) 下行共享信道（DL-SCH, downlink shared channel）使用HARQ传输，能够调整传输使用的调制方式、编码速率和发送功率来实现链路自适应，能够在整个小区内发送或使用波束赋形发送，支持动态或半静态的资源分配方式，并且支持终端非连续接收，达到节电目的。
(3) 寻呼信道（PCH，paging channe）
支持终端非连续接收，达到节电目的，并且要求能在整个小区覆盖区域内传输，使用映射到可用于动态使用的业务或者其他的控制信道的物理资源上。

2. 上行信道传输类型

上行：用户到基站。
(1) 上行共享信道（UL-SCH, uplink shared channel）
能够使用波束赋形，能够调整传输使用的调制方式、编码速率和发送功率来实现链路自适应，使用HARQ传输，支持动态或半静态的资源分配方式。
(2) 随机接入信道（RACH，random access channel）
承载有限的控制信息，并且具有冲突碰撞的特征。

3.传输信道到物理信道映射

1. 物理广播信道（PBCH），承载部分系统信息，与同步信号一起提供终端接入网的必要信息。PBCH和同步信号一起被称为下行同步信道。（下行，基站到用户存在广播行为）
2. 物理下行链路控制信道（PDCCH），用于下行控制信息发送，主要承载调度相关信息。提供PDSCH接收和PUSCH发送的必要信息；向UE提供帧结构配置；向PUCCH、PUSCH和SRS发送功率控制信息；指示UE被调度PDSCH所占用的资源。
3. 物理下行链路共享信道（PDSCH），发送下行数据，也承载寻呼信息以及部分系统信息的发送。
4. 物理随机接入信道（PRSCH），用于随机接入。
5. 物理上行链路控制信道（PUCCH），发送上行控制信息。用于终端发送HARQ信息，指示下行数据是否接收成功；发送信道状态信息报告辅助下行链路调度；发送上行链路发送数据请求。
6. 物理上行链路共享信道（PUSCH），上行数据传输通道，也可以承载部分上行控制信息的发送。

映射关系:
下行传输信道 BCH PCH DL-SCH
下行物理信道 PBCH PDSCH PDCCH
上行传输信道 RACH UL-SCH
上行物理信道 PRACH PUCCH PUSCH

传输信道的数据在转换为物理层发送数据之前，需要加入CRC保护，以便支持一次校验和重传，保护数据可靠性。
物理层的需要发送的数据，除了PRACH信道，都要进行编码和速率匹配，调制，资源映射，天线映射等几个步骤，再进行空口的实际发送。随机接入信道发送一系列的PRACH前导实现。

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4. 物理层包括一系列参考信号

• DM-RS 解调参考信号
• PT-RS 相位跟踪参考信号
• SRS 上行探测参考信号
• CSI-RS 信道状态参考信号
• PSS 主同步信号
• SSS 辅同步信号

各参考信号的具体介绍在别的博文中持续更新——

二 数据链路层

1. 4个子层

• 媒体接入控制 MAC
• 无线链路控制 RLC
• 分组数据汇聚协议 PDCP
• 服务数据调整协议 SDAP（比LTE多的层）

SDAＰ层位于用户面，其他三层同时位于控制平面和用户平面。

2. 层之间连接点称为服务接入点SAP

• 物理层为MAC层提供传输信道级的服务；
• MAC层为RLC层提供逻辑信道级的服务；
• PDCP层为SDAP层提供无线承载级的服务；
• SDAP层为上层提供5GC QoS流级的服务。（适配层）

3. 上行与下行区别：

下行反映（发射端）网络侧的情况，需要进行多个用户的调度优先级处理；
上行反映终端侧的情况，只进行单个终端的多个逻辑信道的优先级处理。

三 网络层（无线资源控制，RRC）

1. 位于接入网的控制平面，负责接入网和终端的所有信令处理。
2. RRC的协议状态：空闲、非激活（5G新加入，为了UE节能）、连接状态。

2.3 物理层系统设计架构及关键技术

一 物理层系统设计架构

物理层为MAC层提供传输信道级的服务，负责物理层HARQ处理、调制编码、多天线处理、信号到物理时频资源映射及控制传输信道到物理信道映射等一系列功能。

1. OFDM加MIMO为基础

在OFDM上，下行采用正交频分多址（OFDMA）技术；上行既支持单载频频分多址（SC-FDMA）技术，又支持OFDMA技术。
MIMIO上，采用接入、控制和数据一体化的设计。

2. 用更加灵活的基础系统架构设计

物理层时延：处理时延、传输时延。
降低处理时延：提升接收算法效率和硬件处理能力等方式。
设计目标：在一定的处理时延基础上，保障频谱使用效率又尽量降低传输时延。

（1）灵活的帧结构设计

• 频谱分为对称频谱和非对称频谱，对应帧结构分为FDD频分双工和TDD时分双工。
• 5G核心为TDD帧结构，主要考虑配置周期和配置灵活性。一个配置周期内包含上行和下行符号，配合HARQ（混合自动重传请求）技术实现数据的发送和反馈。长的周期对应更长的反馈时间。5G需要更多、更短的周期配置。配置灵活性对于匹配不同业务类型非常关键，对配置周期的改变速度和每个周期内上下行符号比例变化有更高要求。
• 此外，还需考虑采用更短传输时延的数据发送。支持超短帧或迷你时隙的调度和反馈。

注：整个ＬＴＥ系统的整体时延在１０ｍｓ量级，５Ｇ在１ｍｓ量级；
ＬＴＥ中数据的调度和发送以１ｍｓ为基础，５Ｇ的传输时延要求在毫秒量级。

（2）灵活的双工设计

• 4G：TDD系统配置通过保护间隔设置等方式避免不同小区上下行的干扰。FDD系统在对称频谱上进行上下行绑定使用。
• 5G：支持对称的上下行波形设计，即上下行都支持相同的OFDM波形设计。接收机可以把上行和下行信号进行联合处理，采用更好的干扰删除技术，提升性能。
• 5G：引入上下行解耦技术。核心是打破了4G一个下行载波只配置一个上行载波的设计，一个下行载波可以配置多个上行载波。

3.一体化的大规模天线设计

支持高达100GHz的频谱范围，天线个数随频率升高增加，但单天线的覆盖距离受路损影响快速降低。引入波束赋形技术，有效提升覆盖距离和传输范围。

4. 采用多项新技术

５Ｇ：数据信道LDPC编码，控制信道Polar码。
４Ｇ：数据信道Ｔｕｒｂｏ编码，控制信道ＴＢＣＣ码。

二 物理层关键技术

双工模式／子载波间隔／ＣＰ／帧结构／基本波形／单载波支持带宽／多址接入／信道编码／调制方式／资源映射／多天线技术／导频设计／物理层测量／ＨＡＲＱ混合自动重传请求／链路自适应／ＢＷＰ工作带宽调整／载波聚合和双连接／上下行解耦

1.参数集和帧结构

• 参数集由子载波间隔和循环前缀开销定义。采用更大的子载波间隔配置，单位带宽内包含的载波数减少，但在时间上看，将得到传输时间缩短的补偿。
• NR支持更高频率的使用。FR1对应6GHz以下频段，支持单载波带宽100MHz数据的发送，FR2对应6GHz以上频段，支持单载波带宽400MHz数据的发送。
• 资源块（RB）用法：每个物理资源块（PRB）包含12个子载波。
• 帧结构以时隙为基础进行，每个slot包含14个符号。Mini-slot可以包含1到13个符号。还支持了半静态和动态两种帧结构配置方式，灵活性很大。

2. 基本波形

• 沿用４Ｇ，OFDM为基本波形。
• 上下行都支持ＣＰ－ＯＦＤＭ，意味着上下行采用相同的波形，当发生上下行的相互干扰时，为采用更先进的接收机进行干扰删除提供了可能。
• 同时，对于上行发送，仍然保留了ＤＦＴ－Ｓ－ＯＦＤＭ。主要原因是它可以利用单载波特性，相对ＣＰ－ＯＦＤＭ有耕地的峰均比。

3.多址接入

不同场景可能使用正交或非正交多址技术。

4.调制编码

• 数据信道LDPC编码，处理大数据包有明显优势，高码率时性能和译码时延突出。
• 控制信道Polar码，在小包传输上有卓越优势。
• 调制：支持BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAM.

5.BWP定义：一个载波内连续的多个资源块的组合。

目的：UE可以使用更大的载波带宽。在整个大的载波范围内划出部分带宽给UE进行接入和数据传输。

6. 前向兼容性

既能保证对未来新业务和新特性的引入，也能保证对相同频谱上的已开展业务的有效支持。开展业务以eMMM为主，主要做法是在给UE的RRC信令中预留一部分资源。

物理层系列协议：
ＴＳ３８．２０１　物理层概述
ＴＳ３８．２０２ 物理层提供服务
ＴＳ３８．２１１ 物理层信道和调制
ＴＳ３８．２１２ 复用和信道编码
ＴＳ３８．２１３ 控制的物理层过程
ＴＳ３８．２１２ 数据的物理层过程
ＴＳ３８．２１２ 物理层测量

ＴＲ３８．８０２ 新空口物理层技术研究