2.2　5G标准化

早在2015年，面向2020年的5G系统研发已在全球范围内如火如荼地展开。为了在未来5G发展中抢占先机，世界主要国家及相关企业纷纷加大5G研发投入，致力于5G需求、关键技术、标准和频谱方面的研究，日本、韩国等国家也提出了本国5G商用时间表。同时，世界三大主流标准化组织ITU和3GPP也先后启动了面向5G概念及关键技术的研究工作，旨在加速推动5G标准化进程。其中，ITU重点在于制定5G系统需求、指标和性能评价体系，在全球征集5G技术方案，开展技术评估，确认和批准5G标准，并具体进行技术和标准化规范制定工作。3GPP作为全球各主要通信产业组织的联合组织，从事具体的标准化技术讨论和规范制定，并将制定好的标准规范提交到ITU进行评估，当满足ITU的5G指标后将被批准为全球5G标准。

2.2.1　ITU

2010年，随着通信业界和学术界对5G的发展需求逐步明确，5G系统标准化的筹备工作启动。2012年，ITU分别启动IMT.Vision（国际移动通信愿景）建议书和IMT.Technology_Trend（国际移动通信技术趋势）技术报告的制定工作，面向2015—2020技术趋势，开始定义5G需求和制定5G时间表，以凝聚全球对5G的共识。2014年，ITU明确5G标准化工作计划，包括需求分析阶段、准备阶段及提交和评估阶段，2020年最终完成详细标准协议的制定和发布，并将5G也随之命名为IMT-2020[12]，如图2-4所示。

2017年11月，国际电信联盟无线电通信组通过ITU-R M.[IMT-2020.TECH PERF REQ]文件，进一步明确IMT-2020 5G空口的最小技术性能指标，涵盖峰值数据速率、吞吐量、延迟、频谱效率、移动性等诸多指标体系。后续3GPP等国际标准化组织根据指标体系，制定详细的技术方案，并与仿真结果一同提交ITU-R进行评估。2020年ITU-R最终批准IMT-2020技术体系。针对5G需求，中、日、美、韩、欧等各国都提出了对5G发展的趋势理解和需求技术指标。其中，中国提出“5G需求之花”的9项需求得到了广泛认可，如图2-5所示。ITU经过多轮讨论，最终确定了5G三大类主要应用场景和技术指标。

2.2.2　3GPP

3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，承担着5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段启动5G标准的研究项目，R15阶段启动5G标准的制定项目，R16及以后版本将对5G标准进行完善增强。3GPP标准化工作主要由无线接入网（Radio Access Network，RAN）、业务与系统（Services & Systems Aspects，SA）和核心网与终端（Core Network & Terminals，CT）三个工作组开展。

负责系统需求定义的SA1工作组在2016年发布了TS22.261，明确了5G系统目标、基本功能和业务需求的定义；负责系统架构设计的SA2工作组发布了TS23.501、TS23.502和TS23.503，明确了5G的系统架构；负责接入网与空口标准化的工作组RAN启动5G NR研究和标准化制定工作，并于2020年6月完成涵盖R14、R15和R16的三个版本规范。其中，5G基础版本是R15，满足ITU IMT-2020的基本需求，R16则为5G增强版本。同时，根据运营商部署节奏的不同，3GPP标准分阶段支持非独立组网和独立组网等多种5G组网架构[13-15]。

1. 3GPP R15主要特性

1）物理层和底层协议

（1）多址。5G NR选择正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）作为上行和下行多址技术，上行同时支持DFT-S-OFDMA单载波方案。

（2）带宽。在6GHz以下频谱，5G支持最大100MHz带宽；在20～50GHz频谱，5G支持最大400MHz带宽，并支持部分带宽设计，适应多种业务需求。

（3）灵活帧结构。5G NR定义了56种时隙格式，支持准静态配置和快速配置调整，灵活支持不同时延和带宽要求的业务类型。

（4）更大数据分组的传输和接收，提升了控制信道性能。5G增强型移动宽带业务数据信道采用处理大数据分组和高码率方面具有性能优势的低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LPDC）编码方案。控制信道采用鲁棒性更好的Polar极化码技术方案。

（5）为网络灵活部署提供基于波束的系统设计。5G NR的同步、接入、控制信道、数据信道均采用波束传输方式，特别是支持多个同步信号块（Synchronization Signal Block，SSB），通过指向区域的不同配置，为网络规划提供灵活部署策略。

（6）数字和混合波束成形。5G NR在低频段和高频段分别使用数字波束成形和模拟/数字混合波束成形，从而在补偿高频段路径损耗的同时，做到天线成本与性能的平衡。5G NR下行和上行分别最大支持32端口和4端口的天线配置。下行单用户MIMO最大支持8流，最大支持12个正交多用户；上行单用户MIMO最大支持4流。

2）高层协议

NR高层协议包括控制面和用户面两个层面。

（1）新增无线电资源控制层（Radio Resource Control，RRC）的非激活状态。由于终端、基站和核心网可以部分保留RRC和非接入层（Non-Access Stratum，NAS）上下文，从而能够快速进入连接状态，达到节约能耗、降低连接时延和信令开销的目的。

（2）LTE和NR支持双连接架构。扩展NR的RRC协议新增支持RRC分集模式，即辅小区复制主小区的RRC信息，并通过主小区和辅小区同时向终端发送RRC信息，从而提升手机接收RRC消息的成功率和可靠性。

（3）支持多种承载类型，保证无线组网的灵活性。

（4）提高数据可靠性。5G NR新增服务数据适配协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）层，支持IP流和无线承载间映射，同时核心网通过基于IP流的服务质量（Quality of Service，QoS）控制，保证QoS的灵活性。

（5）更灵活的接入网架构。5G支持中心单元（Centralized Unit，CU）/分布单元（Distributed Unit，DU）分离的接入网架构。

3）核心网技术

为了更加灵活地支持5G差异化应用场景，5G核心网总体架构采用基于服务化系统架构（Service-Based Architecture，SBA），并基于网络虚拟化技术实现网元云化部署，同时对端到端网络切片和边缘技术进行标准化。

（1）5G核心网主要网络功能包括接入控制和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、用户面功能（User Plane Function，UPF）、策略控制与计费功能（Policy Control Function，PCF）、统一数据库功能（Unified Data Repository，UDR）、网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）和网络功能库（NF Repository Function，NRF）等。

（2）网络切片功能。运营商基于云化基础设施部署多个公共陆地移动网（Public Land Mobile Network，PLMN）序号的网络切片，每个网络切片可以为不同用户提供定制化的网络资源配置。

（3）边缘计算功能。通过引入用户面功能网元，3GPP可以从真正意义上内生边缘计算能力，实现降低时延并减少传输网络回传压力的目的。

（4）5G语音。基于IP多媒体系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）的分组语音方案，通过基于5G新空口语音承载（Voice over NR，VoNR）和回落4G承载（EPS Fall Back，EPS FB）两种实现机制建立语音业务。

2. 3GPP R16主要特性

R15是5G第一版标准，但不是全部标准，需要经历逐步迭代的发展过程。R16版本是基于5G R15版本的修订与增强，也是5G标准走向成熟和完善的一个关键版本。R16的主要特性如下。

1）功能扩展

R16的研究领域涉及对R15版本的功能扩展和增强，包括增加对垂直行业、非授权频谱（New Radio-Unauthorized，NR-U）、接入回传一体化（Integrated Access Backhaul，IAB）和52.6GHz以上频段的支持等。

（1）52.6GHz以上的频率。其主要目标是5G NR使用更高的频段，且提供高达2GHz带宽的实现方案。

（2）uRLLC应用。R16通过对uRLLC增强来应对工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）应用挑战。R16更侧重于提高uRLLC的可靠性，降低延迟和优化定时，涵盖物理层可靠性增强、时间敏感网络（Time Sensitive Network，TSN）增强等多个功能。

（3）非地面网络通信（Non-Terrestrial Networks，NTN）。该场景主要发生在卫星行业，目标是利用商用5G网络与卫星实现天地一体化通信，新增功能包括物理层控制流程、上行链路定时提前、重传机制和面向卫星通信的5G架构增强等。

（4）NR-V2X。R16侧重于蜂窝车联网（Vehicle to X，V2X）的增强功能，特别是与高级自动驾驶相关的场景，包括编队驾驶（Vehicle Platooning，VP）、车辆到基础设施功能增强、传感器扩展、高级驾驶和远程驾驶等。频段涵盖高低频段，并以低频段为研究重点。

（5）未授权频谱接入。LTE授权频谱辅助接入（License Assisted Access，LAA）支持使用未授权频谱。5G旨在帮助人们以独立方式接入未授权频谱，而无须已授权载波的协助，解决已授权和未授权频带载波之间的双连接。目标是基于5G NR为非授权频谱接入创建统一的全球解决方案。

（6）接入回传一体化（Integrated Access and Backhaul，IAB）。其研究5G网络对无线回传和中继链路的支持，重点面向毫米波mmWave场景下密集部署的基站光纤回传替代。

2）效率提升

（1）干扰抑制。其旨在研究抑制远程5G基站对半静态上行链路/下行链路配置、交叉链路及用于上行链路/下行链路配置的网络协调机制造成的干扰。

（2）软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和大数据。将机器学习和人工智能（AI）技术赋能5G，达到进一步提高5G效率，涵盖一系列以无线接入网为中心的网络自优化（Self-Organized Network，SON）、无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）优化、负载共享和移动性优化等研究内容。

（3）大规模天线技术功能增强。其重点研究毫米波场景下的大规模天线技术（massive Multiple Input Multiple Output，mMIMO）系统的多用户多入多出（Multi-User Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO）、多伪随机后缀（Pseudo Random Postfix，PRP）和多波束场景的功能增强。

（4）位置和定位增强功能。其旨在为室内和室外场景定义更准确的定位技术，当前研究重点侧重于高频段。

（5）功耗改进。其研究基于RRC连接状态下的技术增强，通过增加无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）测量功能，达到降低设备耗电量的目的。

（6）双连接增强功能。该研究包括载波聚合和基于快速链路共享服务（Link Sharing Service，LSS）的双连接两个功能的增强内容。

（7）非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。其进一步评估NOMA实用性，并实现标准化制定工作。

3. 3GPP R17主要特性

2019年12月，在西班牙锡切斯举行的3GPP RAN第86次全会上，3GPP确定针对5G R17版本的技术研究和标准制定项目，预计将于2021年年中或年底完成。其中，R17主要课题如下。

（1）新增52.6～71GHz频段。5G NR频谱范围（Frequency Range，FR）分为FR1和FR2，其中FR1为410M～7.125GHz，FR2为24.25～52.6GHz。现在，R17将5G NR的频段范围从52.6GHz扩展到了71GHz。

（2）覆盖增强（NR Coverage Enhancement）。评估5G NR重耕低频段的性能，评估上下行物理信道的覆盖等，研究覆盖增强方案。

（3）轻量化终端（NR Light）。在LTE eMTC/NB-IoT和NR eMBB/uRLLC终端之间的中高端mMTC，用于工业无线传感器、视频监控、可穿戴设备的场景，相对于NR eMBB终端，降低复杂度、成本和尺寸。

（4）5G扩展现实（Extended Reality，XR）评估。对于典型的虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）和云游戏应用，面向边缘云+轻量化终端的分布式架构，建模业务模型、识别关键性能指标（Key Performance Indicator，KPI）和评估，并优化网络时延、处理能力和功耗等。

（5）面向非地面网络通信的蜂窝物联网技术增强。3GPP R16已经研究5G NR与非地面网络的融合，R17版本将进一步研究NB-IoT/eMTC与非地面网络通信（Non-Terrestrial Networks，NTN）的集成，支持位于偏远山区的农业、矿业、林业和海洋运输等垂直行业的物联网应用。

（6）NR多播和广播服务（evolved Multimedia Broadcast Multicast Services，eMBMS）。NR Rel-15/16不支持多播和广播服务，R17将进行引入。

（7）车联网路侧链路增强。R15支持5G NR V2X技术，同时引入5G路侧单元（NR Sidelink），以支持车辆与车辆、车辆与路边单元等其他设备之间直接通信。R17 NR路侧单元增强将直接通信的应用场景从V2X扩展到公共安全和紧急服务等，甚至终端之间的直接通信应用。为了提升路侧单元对新应用的支持能力，R17将致力于优化路侧单元的功耗、频谱效率、可靠性和时延等关键性能指标。

此外，R17版本还包括5G不同业务需求的体验质量（Quality of Experience，QoE）管理、LTE基站CU/DU分离、无线切片增强等研究课题和标准制定项目。