【实例讲解】 5G系统概念验证白皮书

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GTI 5G系统概念验证白皮书V1.0

GTI Proof of Concept of 5G System White Paper V1.0

编写者：CMCC, Huawei, ZTE, Ericsson, MediaTek，Qualcomm

目录
1. 介绍
2. 关键性能
3. 新空口特性
3.1 通用信息(General Scheme)
3.1.1 参数集和帧结构
3.2 基本传输信息(Basic transmission scheme)
3.2.1 调制
3.2.2 信道编码
3.2.3 多天线技术
3.3 物理层过程
3.3.1 调度
3.3.2 HARQ
3.3.3 初始接入和移动性
3.3.4 功率控制
3.4 其他技术
3.4.1 HPUE (高功率终端)
4. 5G PoC验证
4.1 PoC系统配置
4.2 验证测试项

1. 介绍
4G大规模商用化之后，第五代移动通信(5G)也已引起了全球的关注。5G预期在2020年前后进行商用。它能够满足用户终极体验的需求，激发创新服务，因此毫无疑问将成为人类社会经济发展和社会信息化的重要引擎之一。
在全球移动业的共同努力下，经过全球多个推进组和论坛的多年的共同研究，5G愿景和关键需求已经在ITU-R中统一了。这些推进组包括IMT-2020推进组、5GIA、5G论坛、5GMF、5G Americas，5GPPP、NGMN等。三种最有代表性的部署场景也已经明确了，即增强移动宽带(eMBB)、低时延高可靠(URLLC)和低功耗大连接(mMTC)。性能指标方面的看法也已经一致了，如峰值速率、控制面和用户面时延、可靠性，以及ITU-R M.2083中定义的其它关键指标。
基于ITU-R中所定义的有关内容，世界范围内最有影响力的蜂窝通信标准制定组织，3GPP，在2016年就开始着手5G标准化制定工作。新业务使能、新架构和新空口等一系列5G研究项目(Study item)在2017年初就已经完成了。其目的在于，通过对所参与讨论的各项技术的复杂度进行评估，来发现潜在的演进技术，并对其进行定义和描述。相应的5G新空口的工作项目(Work item)也在2017年3月获得了批准，它用于研究具有高度竞争力和全球协同的空口标准，制定商用部署中使得新无线系统能够成功工作的新的(软/硬件)特性。
为了进一步推进全球无线生态系统的发展，GTI已经制定了5G测试和商用化路标(如图1所示)。GTI也相信目前正是发表PoC(概念验证)白皮书的最好时机，以表达其观点，指导其行动，与业界同仁(合作者)一起合作，在以下方面确保不久的将来5G能够及时面市：
· 形成具有高度竞争力和全球协同的5G标准。
· 指导与3GPP标准兼容的PoC工作，展示5G新空口的技术特性，明确可能对商用化造成破坏的问题，如硬件平台。

图1、GTI关于5G PoC测试和5G商用化的时间节点

白皮书中讨论了概念验证(PoC)工作中一些基本性的显著的概念，主要包括以下三大方面：
· PoC工作中需要明确的关键性能指标
· 5G新空口能力相关的本质(软硬件)特性
· PoC系统验证配置和场景

2. 关键性能
针对不同场景，5G相关论坛和组织总结了数十个需求和关键指标，提供给ITU进行5G需求方面的讨论。ITU-R M.2083对系统关键指标进行了整合，如下所示。除此之外，ITU-R M.2083中还对4G(IMT-Advanced)和5G(IMT-2020)的关键指标进行了对比。

图2、ITU-R M.2083中4G和5G关键性能指标的对比图

· 峰值速率：理想条件下单个用户/设备所能够获得的最大速率(单位：Gbps)。
· 用户体验速率：移动用户/终端在覆盖区域内任何地方都能获得的速率(单位：Mbps或Gbps)
· 时延：从源端发送数据包到目的端的过程中无线网络所耗的时间(单位：ms)。
· 移动性：不同层/无线接入技术(Multi-layer/Multi-RAT)中的无线节点间满足特定QoS且无缝传送时的最大速率(单位：Km/h）。
· 连接密度：单位面积上(每平方公里)连接或/和接入的设备的总数。
· 能源效率涉及两个方面：
○ 网络侧，能源效率表示每焦耳能量所能从用户侧收/发的比特数(单位:比特/焦耳)。
○ 终端侧，能源效率表示通信模块中每焦耳能量所能传输的比特数(单位:比特/焦耳)。
· 频谱效率：每小区或单位面积内，单位频谱资源所能提供的平均吞吐量(单位：bit/s/Hz)。
· 区域话务容量：每地理区域内的总的吞吐量(Mbps/m2)。

在所有3种场景中，eMBB对某些指标的要求特别高，如高峰值速率、低时延、用户体验速率、单位话务容量以及宽带操作相关的指标。由于PoC只是采用有限数目的用户来验证系统能力，因此高峰值速率和低时延的优先级较高。
从3G网络开始，当业界意识到电话和其它用户终端应当进行Internet接入并通过数据连接提供业务时，峰值速率就成为了一个很著名的容量指标。每一代通信技术中，数据速率都会跃升到一个新的高度，5G时代甚至可以高达每秒几个Gbps。从4G时代开始，随着E-UTRAN引入一些时延敏感性业务(如V2V)，时延降低成为另一个热点问题。虽然我们对5G应用还不能全面了解，但是VR和AR是5G谈论中的重要议题。为了支持VR和AR类应用，5G系统从诞生之日起(Day 1)就要成为"低时延的一代"。3GPP需求中强调eMBB应满足以下时延要求。

	时延要求
控制面	10ms
用户面	4ms

除了以上所列出的指标之外，宽带操作也是另外一个需要定义的特性。为了保持灵活性，E-UTRAN定义的带宽范围从1.4MHz到20MHz，并通过载波聚合来获得较大带宽。载波聚合确实可以提供宽带操作，但是在进行多个单元载波的聚合时，复杂度和开销都较大。当聚合的成员载波数变大时(如超过100MHz)，控制信令的系统开销显著增加，系统效率迅速降低。5G中，业界使用毫米波(大于6GHz)来获得>100MHz到1GHz的连续频谱，因此，需要较大的系统带宽(如100MHz以上或者更大)，而不是对多个小带宽进行聚合。在标准讨论阶段，3GPP对不同频率做了多个假设，对于6GHz以下频段来说，100MHz是基本假设。
总的来说，PoC白皮书聚焦在至少如下关键特性：
· 峰值速率：每秒多个Gbps
· 时延：用户面4ms，控制面10ms
· 宽带操作：100MHz或以上

3. 新空口特性
PoC系统中，对于5G新空口，为了获得前面第2章所定义和描述的关键性能需求，需要了解灵活的5G新空口和特性设计方面所面临的挑战。
因此，本章中分析3GPP标准相关的新空口特性，它们是5G PoC系统关键的驱动因素，因此建议在5G PoC系统中进行验证。
3.1 通用信息(General Scheme)
3.1.1 参数集和帧结构
OFDM参数集是基于OFDM系统设计时的基本参数，主要包含子载波间隔、循环前缀(CP)长度和TTI长度。对参数集进行设计时，业务类别、载频、信道特性、站间距、UE速度以及可能的传输机制都应该考虑进来。
· 子载波间隔：可扩展参数集应当允许至少从15KHz到480KHz的子载波间隔。采用15KHz和较大子载波间隔的所有参数集，不管其CP开销如何，都在载波的符号边界处对齐。
· CP长度：所有参数集和过程都支持普通CP；R15中，只有60KHz子载波间隔支持扩展CP。一些过程和参数集中需要通过RRC配置来启用扩展CP。
· TTI长度：TTI长度设计应当满足时延需求。
多个子载波间隔可以通过将基本子载波间隔扩展整数N(N=2^n)倍来获得。可扩展参数集应当允许至少从15KHz到480KHz的子载波间隔。对于较高的频段，虽然假定不使用较小的子载波间隔，但是参数集的选择实际上与频段是没有关系的。灵活的网络和UE信道带宽也是支持的。
以上讨论表明，一种参数集可能不能够对多种业务进行有效的支持，因此5G新的无线架构中需要配置不同的OFDM参数集(子载波间隔、循环前缀、TTI长度)。如果需要在一个载波上对多种业务进行参数集复用，则FDM和TDM方式都可以考虑。
一个时隙(slot)中可以包含所有下行或所有上行，甚至包含一部分上行和一部分下行。支持时隙聚合，如数据传送可以在一到多个时隙上进行调度。不管帧结构如何，一个子帧长度固定为1ms，帧长度固定为10ms。新空口中支持DL/UL传输方向的半静态和动态设定。
3.2 基本传输信息(Basic transmission scheme)
3.2.1 调制
支持QPSK、16QAM、64QAM和256QAM(与LTE中的星座图影射相类似)。上行也支持BPSK和0.5 pi-BPSK，其中0.5 pi-BPSK仅用于DFT-s-OFDM。
3.2.2 信道编码
新空口中的信道编码应当考虑许多影响因素，如解码吞吐量(decoding throughput)、时延、错误校验、灵活性和复杂性等。
与TBCC和Turbo等其它候选编码方式相比，LDPC和Polar码在各方面的性能就很突出，尤其是能满足新空口的20Gbps(DL)/10Gbps(UL)的峰值速率指标。另外，LDPC解码器基于并行内部结构，这意味着解码可以与编码并行处理，这不仅便于处理大量数据，也可以降低处理时延。最后，传输块的信道编码算法是伪循环LDPC码，有2个基graph，每个基graph有8种极性校验方法。一个基graph用于大于特定长度或者初始传送码率大于特定门限的码块，否则则使用其它基graph。在对大传输块进行LDPC编码前，传输块被切分为多个码块。广播信道和控制信息的信道编码算法采用Polar码，它基于嵌套序列。在速率适配中会用到船空减码(puncturing)，缩短(shortening)和重复等手段。
主要的信道编码结构如下图所示。5G新空口信道编码技术对采用速率适配的基础码的设计的信息块长度K的灵活性和码字长度的灵活性提供支持，支持的码字长度的粒度为1比特。数据业务的信道编码技术支持增量冗余(IR)或者类似的技术，还支持chase combining(CC) HARQ。

图3、信道编码结构

3.2.3 多天线技术
在5G系统中，要想获得比LTE系统大1000x倍以上的吞吐量，一个重要的手段就是采用多天线技术。为此，数据传输的天线端口需要增加，以使得网络中潜在的空间复用增益最大化。在NR中，单用户(SU)下，定义了8种正交DMRS端口，多用户(MU)下，定义了12种正交DMRS端口。更多工作集中在信令和格式的详细设计方面。另一方面，CSI获取(acquisitaion)和干扰测量也应当增强，以便更好地支持高阶SU/Mu数据传送。为了增强CSI测量和报告，对基于互易性的数据传输，设计了高分辨率的码本以及增强SRS(如增加SRS端口)。当前，已经支持最多到Rank 8的类型1码本以及rank 1&2的类型II的码本。波束赋形的CSI-RS的码本可用于多个波束的线性合并。进一步讲，用于IM的ZP&NZP CSI-RS也在NR讨论通过了，以增强干扰测量技术。另外，NR中期望UE至少具有2T4R的收发能力，还支持SRS的天线转换。
多个TRP协调传送是NR中MIMO的另一个重要话题。对单个PDCCH发送和多个PDCCH发送都支持时，TRP之间的协调可以更加灵活，可以在理想传输和非理想传输之间适配。采用增强多TRP协调传输，如non-coherent joint transmission(NCJT，不一致的协同传输)，小区边缘用户的业务体验可以显著提升。
波束管理是NR中的一个新特性。当频段扩展到6GHz以上时，波束赋形有助于补偿通路率耗的增加。从初始接入的角度看，如果同步、随机接入和广播信号都是基于波束的，则高频小区的覆盖是需要最先考虑的因素。对于数据传输来讲，高频上会遭遇更多的绕射和阻挡，因此有效的波束追踪和配对算法在鲁棒性和吞吐量方面都要仔细设计。波束扫描过程用于发现gNB和UE之间的最准确的波束对，以获得最大的波束赋形增益。应当支持基于组的波束报告，以获得多个信道簇所对应的最大的波束组信息。对于数据传送来说，需要指示RS端口间的伪共址信息，以获取空间接收信道的特性。还有，执行波束恢复过程来提供机会，以便在RLF之前快速从波束失败中恢复过来。
3.3 物理层过程
3.3.1 调度
新空口对上下行都应该至少支持时隙内或者时隙间调度。下行资源分配和对应的下行数据传送之间的定时关系可以采用高层配置的不同的DCI值来指示。此外，也可以直接由上层进行配置。在UE不知道定时关系时，至少需要对定时关系进行定义。采用CP-OFDM的数据支持连续资源分配，也支持非连续资源分配。
为了节省UE的功耗，新空口支持射频带宽适配。UE可以工作在较小的带宽上，以降低功耗，也可以转换到较大的带宽上来收发信号。如图所示，新空口允许UE在第一个RF带宽上接收下行控制信息，但在X us时间内不再指望在比第一个RF带宽大很多的第二个RF带宽上接收信息。

图4、射频带宽适配

3.3.2 HARQ
每个TB(传输块)采用1比特传送HARQ-ACK反馈，一些UE进行下行HARQ过程中也可以对单个UE进行多个下行HARQ进程的操作。UE支持一组最小的HARQ处理时间。NR也支持UE间采用不同的最小HARQ处理时间。HARQ处理时间至少包括以下时延：下行数据接收时间到相应的HARQ-ACK传送时间之间的时延，以及UL许可接收时间到相应的上行数据传送时间之间的时延。UE需要将最小HARQ处理时间相关的能力传送给gNB。
对于基于码块组(CBG)的传送，可采用1个或者多个比特的HARQ-ACK反馈，它具有以下特性。
· 一个HARQ进程只支持同一个TB的基于CBG的传送(重传)。
· 不管TB大小如何，CBG都可以包含TB的所有CB。这种情况下，UE对TB上报单个的HARQ ACK比特。
· CBG可包含一个CB。
· CBG粒度可配置。

3.3.3 初始接入和移动性
采用多个波束或者单个波束的重复来接收同步和广播信道，这是5G新空口区别于LTE的一个关键方面。为此，需要将同步信号(ss)组成多个ss块，并在5ms的窗口范围内进行发送，以便执行完整的波束扫描，如图所示。

图5、An SS burst set composition

NR中采用不连续的SS突发集，SS突发集中的ss块的最大数目取决于相应的频率范围(小于3GHz时为4，3~6GHz时为8，6~52.6GHz时为64)。ss突发集采用周期性进行发送。
一个ss块包含一个NR-PSS符号、一个NR-SSS符号以及2个NR-PBCH符号，它们采用时分方式进行复用，如PSS+PBCH+SSS+PBCH。NR-PBCH的传输带宽为288个子载波，NR-PSS/SSS则只占用127个子载波，它们与NR-PBCH的中心频率是对齐的。请注意，对于每个SS块，TRP/波束对UE都是透明的，因为每个SS块上，NR-PSS、NR-SSS和NR-PBCH都采用同一个单天线端口。
NR物理小区号扩展到1008个，以便灵活部署。它由NR-PSS和NR-SSS共同携带。NR-PSS是频域BPSK M序列，NR-SSS是Gold序列。对于与ss块传输相关的四种子载波间隔(15KHz、30KHz、120KHz和240KHz)，取其中之一作为每种频段相关的缺省值，以便在混合参数集情况下提供快速接入的能力。
要将所发送的系统信息最小化，就可以在NR-PBCH上发送一部分最小化的系统信息。剩余的最小化的系统信息(RMSI)采用下行共享信道NR-PDSCH进行发送。
NR支持4类PRACH前导格式，其长度为839，子载波间隔为5/1.25KHz。其中，5KHz的子载波间隔用于高速(低于500Km/h)和中等小区半径(小于14Km)的场景。NR也支持其他一些PRACH前导格式，其序列长度更短，15/30/120/240KHz子载波间隔所对应的OFDM符号数分别为1/2/4/6。采用更短序列的PRACH前导可用于在RACH occasion内支持gNB Rx波束扫描，这对小小区、高速和高频比较有用。NR中支持4步RACH过程，可以对ss块与RACH资源和/或前导的子集间的关联性进行配置，以帮助后续消息中的下行波束识别。
NR中，为了进行RRM测量，可以对不同信号进行下行测量。空闲模式下的UE使用小区专用的SS块对小区进行测量，来获取小区质量，而不用识别多个波束或者多个TRP。连接模式的UE除了使用ss块之外，还可以使用UE专用的CSI-RS来进行移动性测量。进行同频连接模式的测量时，可以配置最多2个测量窗口周期，便于UE对不同小区进行测量。
3.3.4 功率控制
对于NR-PUSCH，至少在eMBB场景下，需要支持开环功控和闭环功控。开环功控基于链路损耗的估算结果，而上链路损耗可以在波束测量所使用的DL RS的某一个上进行测量。需要注意的是，波束测量RS包括CSI-RS和用于移动性的RS。可以使用同一个gNB天线端口来进行多个进程上的链路损耗的测量。
支持分数(Fractional)功率控制。闭环功控基于网络信令。动态上行功率调整也会予以考虑。
不同信道/RS(如PUSCH、PUCCH和SRS等)可分别进行功率控制过程。
NR支持波束相关的功率控制，也支持UE侧multiple panel的功率控制。
3.4 其他技术
3.4.1 HPUE (高功率终端)
NR初期部署中，6GHz以下频段中最值得关注的频段之一为C-band。与2G、3G和LTE所使用的低频段相比，C-band的穿透损耗会更大，这需要通过先进的空间处理技术来解决，如基站侧的mMIMO和UE侧的多路接收技术。TDD系统已经在世界上很多地方部署了，多数场景下，低频段用于扩大覆盖，高频段用于增强容量。由于高频TDD频段的信号穿透性能更差，因此增加上行发射功率有利于增强TDD频段的性能，改善总体用户体验。引入26dBm最大发射功率的class 2终端，高频段也能增强室内外覆盖、容量和用户体验。26dBm可以由一个上行通路来实现，也可以采用2个23dBm的上行流进行合并。HPUE(高功率终端)已经在LTE Band 41中成功应用了，它在NR 3.5GHz频段的使用已经在3GPP R15 WID中通过了。
4. 5G PoC验证
为了验证5G NR的关键特性，验证典型用户场景下的相关性能，本章对PoC系统的基本配置和验证场景进行了定义。
4.1 PoC系统配置
5G PoC系统主要包括5G NR基站和终端设备。基站和终端设备的特性应当与3GPP R14 NR的Study item的架构相一致。PoC系统的关键配置设定如下。除了配置之外，也应当支持其他一些与PoC系统工作相关的基本过程，当然这与设备的具体实现方式有关系。
PoC系统的关键配置如下：
· 工作频段：3400MHz –3600MHz
· 系统带宽：大于等于100MHz
· 输出功率：宏站部署时~200W
· 参数集和帧结构应当与3GPP R14架构相一致
· 调制阶数：下行支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。上行支持QPSK、16QAM、64QAM。
· 天线端口：最大64T/64R,天线振子：>=128(基站侧)
· 天线端口：2T/4R或者4T/8R (UE侧)

多天线技术：
· 下行：SU-MIMO的最大层数建议根据UE能力来确定(如CPE为8，智能终端为4)；MU-MIMO的最大层数建议不小于16。
· 上行：SU-MIMO的最大层数建议根据UE能力来确定(如CPE为4，智能终端为2)；MU-MIMO的最大层数建议不小于8。

4.2 验证测试项
验证过程中，吞吐量、时延和覆盖是最重要的性能指标。
验证测试项罗列如下：
· 峰值速率
a) UL/DK单用户峰值速率(或者频谱效率)：
验证单用户位于小区中"最好(Best)"点位置上的UL/DL峰值速率(或SE)。
b) UL/DK小区峰值速率(或者小区频谱效率)：
验证多个用户位于小区中"最好(Best)"点位置上的UL/DL峰值速率(或小区SE)。
· 平均吞吐量
a) SU-MIMO：平均UL/DL小区吞吐量
评估不同干扰级别下的SU-MIMO的DL/UL小区吞吐量。好/中/差点上的用户比例为1:2:1。
b) MU-MIMO：平均UL/DL小区吞吐量
评估不同干扰级别下的MU-MIMO的DL/UL小区吞吐量。好/中/差点上的用户比例为1:2:1。
· 覆盖范围
单小区覆盖：测量UL/DL室内外不同干扰级别下的DL/UL最大覆盖距离，以便观察和研究单小区覆盖。
· 时延
a) 控制面时延：
好/中/差点对应的不同位置上，单UE从节电状态(如3GPP中讨论的IDLE或者INACTIVE)转换到应用层连续传输模式(如ACTIVE)所需的时间。
b) 用户面时延：
好/中/差点对应的不同位置上，UE采用不同大小包时的Ping时延。
· 移动性：
切换成功率：邻小区间的小区间切换成功率。

参考资料：
[1] ITU recommendationM.2083 IMT Vision - "Framework and overall objectives of the futuredevelopment of IMT for 2020 and beyond", Sep., 2015
[2] 3GPP TR38.913 v 14.0,Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies,Sep., 2016
[3] 3GPP TR38.802 V14.1.0,Study on new radio access technology -Physical Layer Aspects, Jun.,2017

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