GTI 5G系統概念驗證白皮書V1.0

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

編寫者：CMCC, Huawei, ZTE, Ericsson, MediaTek，Qualcomm

目錄

1. 介紹
2. 關鍵性能
3. 新空口特性
3.1 通用信息(General Scheme)
3.1.1 參數集和幀結構
3.2 基本傳輸信息(Basic transmission scheme)
3.2.1 調制
3.2.2 信道編碼
3.2.3 多天線技術
3.3 物理層過程
3.3.1 調度
3.3.2 HARQ
3.3.3 初始接入和移動性
3.3.4 功率控制
3.4 其他技術
3.4.1 HPUE (高功率終端)
4. 5G PoC驗證
4.1 PoC系統配置
4.2 驗證測試項

1. 介紹

4G大規模商用化之后，第五代移動通信(5G)也已引起了全球的關注。5G預期在2020年前后進行商用。它能夠滿足用戶終極體驗的需求，激發創新服務，因此毫無疑問將成為人類社會經濟發展和社會信息化的重要引擎之一。

在全球移動業的共同努力下，經過全球多個推進組和論壇的多年的共同研究，5G愿景和關鍵需求已經在ITU-R中統一了。這些推進組包括IMT-2020推進組、5GIA、5G論壇、5GMF、5G Americas，5GPPP、NGMN等。三種最有代表性的部署場景也已經明確了，即增強移動寬帶(eMBB)、低時延高可靠(URLLC)和低功耗大連接(mMTC)。性能指標方面的看法也已經一致了，如峰值速率、控制面和用戶面時延、可靠性，以及ITU-R M.2083中定義的其它關鍵指標。

基于ITU-R中所定義的有關內容，世界范圍內最有影響力的蜂窩通信標準制定組織，3GPP，在2016年就開始著手5G標準化制定工作。新業務使能、新架構和新空口等一系列5G研究項目(Study item)在2017年初就已經完成了。其目的在于，通過對所參與討論的各項技術的復雜度進行評估，來發現潛在的演進技術，并對其進行定義和描述。相應的5G新空口的工作項目(Work item)也在2017年3月獲得了批準，它用于研究具有高度競爭力和全球協同的空口標準，制定商用部署中使得新無線系統能夠成功工作的新的(軟/硬件)特性。

為了進一步推進全球無線生態系統的發展，GTI已經制定了5G測試和商用化路標(如圖1所示)。GTI也相信目前正是發表PoC(概念驗證)白皮書的最好時機，以表達其觀點，指導其行動，與業界同仁(合作者)一起合作，在以下方面確保不久的將來5G能夠及時面市：

· 形成具有高度競爭力和全球協同的5G標準。
· 指導與3GPP標準兼容的PoC工作，展示5G新空口的技術特性，明確可能對商用化造成破壞的問題，如硬件平臺。

圖1、GTI關于5G PoC測試和5G商用化的時間節點

白皮書中討論了概念驗證(PoC)工作中一些基本性的顯著的概念，主要包括以下三大方面：

· PoC工作中需要明確的關鍵性能指標
· 5G新空口能力相關的本質(軟硬件)特性
· PoC系統驗證配置和場景

2. 關鍵性能

針對不同場景，5G相關論壇和組織總結了數十個需求和關鍵指標，提供給ITU進行5G需求方面的討論。ITU-R M.2083對系統關鍵指標進行了整合，如下所示。除此之外，ITU-R M.2083中還對4G(IMT-Advanced)和5G(IMT-2020)的關鍵指標進行了對比。

圖2、ITU-R M.2083中4G和5G關鍵性能指標的對比圖

· 峰值速率：理想條件下單個用戶/設備所能夠獲得的最大速率(單位：Gbps)。
· 用戶體驗速率：移動用戶/終端在覆蓋區域內任何地方都能獲得的速率(單位：Mbps或Gbps)
· 時延：從源端發送數據包到目的端的過程中無線網絡所耗的時間(單位：ms)。
· 移動性：不同層/無線接入技術(Multi-layer/Multi-RAT)中的無線節點間滿足特定QoS且無縫傳送時的最大速率(單位：Km/h）。
· 連接密度：單位面積上(每平方公里)連接或/和接入的設備的總數。
· 能源效率涉及兩個方面：
○ 網絡側，能源效率表示每焦耳能量所能從用戶側收/發的比特數(單位:比特/焦耳)。
○ 終端側，能源效率表示通信模塊中每焦耳能量所能傳輸的比特數(單位:比特/焦耳)。
· 頻譜效率：每小區或單位面積內，單位頻譜資源所能提供的平均吞吐量(單位：bit/s/Hz)。
· 區域話務容量：每地理區域內的總的吞吐量(Mbps/m2)。

在所有3種場景中，eMBB對某些指標的要求特別高，如高峰值速率、低時延、用戶體驗速率、單位話務容量以及寬帶操作相關的指標。由于PoC只是采用有限數目的用戶來驗證系統能力，因此高峰值速率和低時延的優先級較高。

從3G網絡開始，當業界意識到電話和其它用戶終端應當進行Internet接入并通過數據連接提供業務時，峰值速率就成為了一個很著名的容量指標。每一代通信技術中，數據速率都會躍升到一個新的高度，5G時代甚至可以高達每秒幾個Gbps。從4G時代開始，隨著E-UTRAN引入一些時延敏感性業務(如V2V)，時延降低成為另一個熱點問題。雖然我們對5G應用還不能全面了解，但是VR和AR是5G談論中的重要議題。為了支持VR和AR類應用，5G系統從誕生之日起(Day 1)就要成為"低時延的一代"。3GPP需求中強調eMBB應滿足以下時延要求。

	時延要求
控制面	10ms
用戶面	4ms

除了以上所列出的指標之外，寬帶操作也是另外一個需要定義的特性。為了保持靈活性，E-UTRAN定義的帶寬范圍從1.4MHz到20MHz，并通過載波聚合來獲得較大帶寬。載波聚合確實可以提供寬帶操作，但是在進行多個單元載波的聚合時，復雜度和開銷都較大。當聚合的成員載波數變大時(如超過100MHz)，控制信令的系統開銷顯著增加，系統效率迅速降低。5G中，業界使用毫米波(大于6GHz)來獲得>100MHz到1GHz的連續頻譜，因此，需要較大的系統帶寬(如100MHz以上或者更大)，而不是對多個小帶寬進行聚合。在標準討論階段，3GPP對不同頻率做了多個假設，對于6GHz以下頻段來說，100MHz是基本假設。

總的來說，PoC白皮書聚焦在至少如下關鍵特性：

· 峰值速率：每秒多個Gbps
· 時延：用戶面4ms，控制面10ms
· 寬帶操作：100MHz或以上

3. 新空口特性

PoC系統中，對于5G新空口，為了獲得前面第2章所定義和描述的關鍵性能需求，需要了解靈活的5G新空口和特性設計方面所面臨的挑戰。

因此，本章中分析3GPP標準相關的新空口特性，它們是5G PoC系統關鍵的驅動因素，因此建議在5G PoC系統中進行驗證。

3.1 通用信息(General Scheme)

3.1.1 參數集和幀結構

OFDM參數集是基于OFDM系統設計時的基本參數，主要包含子載波間隔、循環前綴(CP)長度和TTI長度。對參數集進行設計時，業務類別、載頻、信道特性、站間距、UE速度以及可能的傳輸機制都應該考慮進來。

· 子載波間隔：可擴展參數集應當允許至少從15KHz到480KHz的子載波間隔。采用15KHz和較大子載波間隔的所有參數集，不管其CP開銷如何，都在載波的符號邊界處對齊。
· CP長度：所有參數集和過程都支持普通CP；R15中，只有60KHz子載波間隔支持擴展CP。一些過程和參數集中需要通過RRC配置來啟用擴展CP。
· TTI長度：TTI長度設計應當滿足時延需求。

多個子載波間隔可以通過將基本子載波間隔擴展整數N(N=2^n)倍來獲得?？蓴U展參數集應當允許至少從15KHz到480KHz的子載波間隔。對于較高的頻段，雖然假定不使用較小的子載波間隔，但是參數集的選擇實際上與頻段是沒有關系的。靈活的網絡和UE信道帶寬也是支持的。

以上討論表明，一種參數集可能不能夠對多種業務進行有效的支持，因此5G新的無線架構中需要配置不同的OFDM參數集(子載波間隔、循環前綴、TTI長度)。如果需要在一個載波上對多種業務進行參數集復用，則FDM和TDM方式都可以考慮。

一個時隙(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。支持時隙聚合，如數據傳送可以在一到多個時隙上進行調度。不管幀結構如何，一個子幀長度固定為1ms，幀長度固定為10ms。新空口中支持DL/UL傳輸方向的半靜態和動態設定。

3.2 基本傳輸信息(Basic transmission scheme)

3.2.1 調制

支持QPSK、16QAM、64QAM和256QAM(與LTE中的星座圖影射相類似)。上行也支持BPSK和0.5 pi-BPSK，其中0.5 pi-BPSK僅用于DFT-s-OFDM。

3.2.2 信道編碼

新空口中的信道編碼應當考慮許多影響因素，如解碼吞吐量(decoding throughput)、時延、錯誤校驗、靈活性和復雜性等。

與TBCC和Turbo等其它候選編碼方式相比，LDPC和Polar碼在各方面的性能就很突出，尤其是能滿足新空口的20Gbps(DL)/10Gbps(UL)的峰值速率指標。另外，LDPC解碼器基于并行內部結構，這意味著解碼可以與編碼并行處理，這不僅便于處理大量數據，也可以降低處理時延。最后，傳輸塊的信道編碼算法是偽循環LDPC碼，有2個基graph，每個基graph有8種極性校驗方法。一個基graph用于大于特定長度或者初始傳送碼率大于特定門限的碼塊，否則則使用其它基graph。在對大傳輸塊進行LDPC編碼前，傳輸塊被切分為多個碼塊。廣播信道和控制信息的信道編碼算法采用Polar碼，它基于嵌套序列。在速率適配中會用到船空減碼(puncturing)，縮短(shortening)和重復等手段。

主要的信道編碼結構如下圖所示。5G新空口信道編碼技術對采用速率適配的基礎碼的設計的信息塊長度K的靈活性和碼字長度的靈活性提供支持，支持的碼字長度的粒度為1比特。數據業務的信道編碼技術支持增量冗余(IR)或者類似的技術，還支持chase combining(CC) HARQ。

圖3、信道編碼結構

3.2.3 多天線技術

在5G系統中，要想獲得比LTE系統大1000x倍以上的吞吐量，一個重要的手段就是采用多天線技術。為此，數據傳輸的天線端口需要增加，以使得網絡中潛在的空間復用增益最大化。在NR中，單用戶(SU)下，定義了8種正交DMRS端口，多用戶(MU)下，定義了12種正交DMRS端口。更多工作集中在信令和格式的詳細設計方面。另一方面，CSI獲取(acquisitaion)和干擾測量也應當增強，以便更好地支持高階SU/Mu數據傳送。為了增強CSI測量和報告，對基于互易性的數據傳輸，設計了高分辨率的碼本以及增強SRS(如增加SRS端口)。當前，已經支持最多到Rank 8的類型1碼本以及rank 1&2的類型II的碼本。波束賦形的CSI-RS的碼本可用于多個波束的線性合并。進一步講，用于IM的ZP&NZP CSI-RS也在NR討論通過了，以增強干擾測量技術。另外，NR中期望UE至少具有2T4R的收發能力，還支持SRS的天線轉換。

多個TRP協調傳送是NR中MIMO的另一個重要話題。對單個PDCCH發送和多個PDCCH發送都支持時，TRP之間的協調可以更加靈活，可以在理想傳輸和非理想傳輸之間適配。采用增強多TRP協調傳輸，如non-coherent joint transmission(NCJT，不一致的協同傳輸)，小區邊緣用戶的業務體驗可以顯著提升。

波束管理是NR中的一個新特性。當頻段擴展到6GHz以上時，波束賦形有助于補償通路率耗的增加。從初始接入的角度看，如果同步、隨機接入和廣播信號都是基于波束的，則高頻小區的覆蓋是需要最先考慮的因素。對于數據傳輸來講，高頻上會遭遇更多的繞射和阻擋，因此有效的波束追蹤和配對算法在魯棒性和吞吐量方面都要仔細設計。波束掃描過程用于發現gNB和UE之間的最準確的波束對，以獲得最大的波束賦形增益。應當支持基于組的波束報告，以獲得多個信道簇所對應的最大的波束組信息。對于數據傳送來說，需要指示RS端口間的偽共址信息，以獲取空間接收信道的特性。還有，執行波束恢復過程來提供機會，以便在RLF之前快速從波束失敗中恢復過來。

3.3 物理層過程

3.3.1 調度

新空口對上下行都應該至少支持時隙內或者時隙間調度。下行資源分配和對應的下行數據傳送之間的定時關系可以采用高層配置的不同的DCI值來指示。此外，也可以直接由上層進行配置。在UE不知道定時關系時，至少需要對定時關系進行定義。采用CP-OFDM的數據支持連續資源分配，也支持非連續資源分配。

為了節省UE的功耗，新空口支持射頻帶寬適配。UE可以工作在較小的帶寬上，以降低功耗，也可以轉換到較大的帶寬上來收發信號。如圖所示，新空口允許UE在第一個RF帶寬上接收下行控制信息，但在X us時間內不再指望在比第一個RF帶寬大很多的第二個RF帶寬上接收信息。

圖4、射頻帶寬適配

3.3.2 HARQ

每個TB(傳輸塊)采用1比特傳送HARQ-ACK反饋，一些UE進行下行HARQ過程中也可以對單個UE進行多個下行HARQ進程的操作。UE支持一組最小的HARQ處理時間。NR也支持UE間采用不同的最小HARQ處理時間。HARQ處理時間至少包括以下時延：下行數據接收時間到相應的HARQ-ACK傳送時間之間的時延，以及UL許可接收時間到相應的上行數據傳送時間之間的時延。UE需要將最小HARQ處理時間相關的能力傳送給gNB。

對于基于碼塊組(CBG)的傳送，可采用1個或者多個比特的HARQ-ACK反饋，它具有以下特性。

· 一個HARQ進程只支持同一個TB的基于CBG的傳送(重傳)。
· 不管TB大小如何，CBG都可以包含TB的所有CB。這種情況下，UE對TB上報單個的HARQ ACK比特。
· CBG可包含一個CB。
· CBG粒度可配置。

3.3.3 初始接入和移動性

采用多個波束或者單個波束的重復來接收同步和廣播信道，這是5G新空口區別于LTE的一個關鍵方面。為此，需要將同步信號(ss)組成多個ss塊，并在5ms的窗口范圍內進行發送，以便執行完整的波束掃描，如圖所示。

圖5、An SS burst set composition

NR中采用不連續的SS突發集，SS突發集中的ss塊的最大數目取決于相應的頻率范圍(小于3GHz時為4，3~6GHz時為8，6~52.6GHz時為64)。ss突發集采用周期性進行發送。

一個ss塊包含一個NR-PSS符號、一個NR-SSS符號以及2個NR-PBCH符號，它們采用時分方式進行復用，如PSS+PBCH+SSS+PBCH。NR-PBCH的傳輸帶寬為288個子載波，NR-PSS/SSS則只占用127個子載波，它們與NR-PBCH的中心頻率是對齊的。請注意，對于每個SS塊，TRP/波束對UE都是透明的，因為每個SS塊上，NR-PSS、NR-SSS和NR-PBCH都采用同一個單天線端口。

NR物理小區號擴展到1008個，以便靈活部署。它由NR-PSS和NR-SSS共同攜帶。NR-PSS是頻域BPSK M序列，NR-SSS是Gold序列。對于與ss塊傳輸相關的四種子載波間隔(15KHz、30KHz、120KHz和240KHz)，取其中之一作為每種頻段相關的缺省值，以便在混合參數集情況下提供快速接入的能力。

要將所發送的系統信息最小化，就可以在NR-PBCH上發送一部分最小化的系統信息。剩余的最小化的系統信息(RMSI)采用下行共享信道NR-PDSCH進行發送。

NR支持4類PRACH前導格式，其長度為839，子載波間隔為5/1.25KHz。其中，5KHz的子載波間隔用于高速(低于500Km/h)和中等小區半徑(小于14Km)的場景。NR也支持其他一些PRACH前導格式，其序列長度更短，15/30/120/240KHz子載波間隔所對應的OFDM符號數分別為1/2/4/6。采用更短序列的PRACH前導可用于在RACH occasion內支持gNB Rx波束掃描，這對小小區、高速和高頻比較有用。NR中支持4步RACH過程，可以對ss塊與RACH資源和/或前導的子集間的關聯性進行配置，以幫助后續消息中的下行波束識別。

NR中，為了進行RRM測量，可以對不同信號進行下行測量?？臻e模式下的UE使用小區專用的SS塊對小區進行測量，來獲取小區質量，而不用識別多個波束或者多個TRP。連接模式的UE除了使用ss塊之外，還可以使用UE專用的CSI-RS來進行移動性測量。進行同頻連接模式的測量時，可以配置最多2個測量窗口周期，便于UE對不同小區進行測量。

3.3.4 功率控制

對于NR-PUSCH，至少在eMBB場景下，需要支持開環功控和閉環功控。開環功控基于鏈路損耗的估算結果，而上鏈路損耗可以在波束測量所使用的DL RS的某一個上進行測量。需要注意的是，波束測量RS包括CSI-RS和用于移動性的RS?？梢允褂猛粋€gNB天線端口來進行多個進程上的鏈路損耗的測量。

支持分數(Fractional)功率控制。閉環功控基于網絡信令。動態上行功率調整也會予以考慮。

不同信道/RS(如PUSCH、PUCCH和SRS等)可分別進行功率控制過程。

NR支持波束相關的功率控制，也支持UE側multiple panel的功率控制。

3.4 其他技術

3.4.1 HPUE (高功率終端)

NR初期部署中，6GHz以下頻段中最值得關注的頻段之一為C-band。與2G、3G和LTE所使用的低頻段相比，C-band的穿透損耗會更大，這需要通過先進的空間處理技術來解決，如基站側的mMIMO和UE側的多路接收技術。TDD系統已經在世界上很多地方部署了，多數場景下，低頻段用于擴大覆蓋，高頻段用于增強容量。由于高頻TDD頻段的信號穿透性能更差，因此增加上行發射功率有利于增強TDD頻段的性能，改善總體用戶體驗。引入26dBm最大發射功率的class 2終端，高頻段也能增強室內外覆蓋、容量和用戶體驗。26dBm可以由一個上行通路來實現，也可以采用2個23dBm的上行流進行合并。HPUE(高功率終端)已經在LTE Band 41中成功應用了，它在NR 3.5GHz頻段的使用已經在3GPP R15 WID中通過了。

4. 5G PoC驗證

為了驗證5G NR的關鍵特性，驗證典型用戶場景下的相關性能，本章對PoC系統的基本配置和驗證場景進行了定義。

4.1 PoC系統配置

5G PoC系統主要包括5G NR基站和終端設備。基站和終端設備的特性應當與3GPP R14 NR的Study item的架構相一致。PoC系統的關鍵配置設定如下。除了配置之外，也應當支持其他一些與PoC系統工作相關的基本過程，當然這與設備的具體實現方式有關系。

PoC系統的關鍵配置如下：

· 工作頻段：3400MHz –3600MHz
· 系統帶寬：大于等于100MHz
· 輸出功率：宏站部署時~200W
· 參數集和幀結構應當與3GPP R14架構相一致
· 調制階數：下行支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。上行支持QPSK、16QAM、64QAM。
· 天線端口：最大64T/64R,天線振子：>=128(基站側)
· 天線端口：2T/4R或者4T/8R (UE側)

多天線技術：

· 下行：SU-MIMO的最大層數建議根據UE能力來確定(如CPE為8，智能終端為4)；MU-MIMO的最大層數建議不小于16。
· 上行：SU-MIMO的最大層數建議根據UE能力來確定(如CPE為4，智能終端為2)；MU-MIMO的最大層數建議不小于8。

4.2 驗證測試項

驗證過程中，吞吐量、時延和覆蓋是最重要的性能指標。

驗證測試項羅列如下：

· 峰值速率

a) UL/DK單用戶峰值速率(或者頻譜效率)：
驗證單用戶位于小區中"最好(Best)"點位置上的UL/DL峰值速率(或SE)。
b) UL/DK小區峰值速率(或者小區頻譜效率)：
驗證多個用戶位于小區中"最好(Best)"點位置上的UL/DL峰值速率(或小區SE)。

· 平均吞吐量

a) SU-MIMO：平均UL/DL小區吞吐量
評估不同干擾級別下的SU-MIMO的DL/UL小區吞吐量。好/中/差點上的用戶比例為1:2:1。
b) MU-MIMO：平均UL/DL小區吞吐量
評估不同干擾級別下的MU-MIMO的DL/UL小區吞吐量。好/中/差點上的用戶比例為1:2:1。

· 覆蓋范圍

單小區覆蓋：測量UL/DL室內外不同干擾級別下的DL/UL最大覆蓋距離，以便觀察和研究單小區覆蓋。

· 時延

a) 控制面時延：
好/中/差點對應的不同位置上，單UE從節電狀態(如3GPP中討論的IDLE或者INACTIVE)轉換到應用層連續傳輸模式(如ACTIVE)所需的時間。
b) 用戶面時延：
好/中/差點對應的不同位置上，UE采用不同大小包時的Ping時延。

· 移動性：

切換成功率：鄰小區間的小區間切換成功率。

參考資料：

[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