5G+：5G如何改变社会

面向多样化的业务需求，5G无线网络进行了全新的设计，具备新架构、新设计、新频段、新天线四大关键技术特征。

新架构（CU–DU架构）

无线系统的架构在3G、4G、5G中经过了一系列的改动。在3G中核心网通过RNC（无线网络控制器）节点控制基站，而在4G中为了降低时延，将RNC节点去除，改为基站直接接入核心网。由于5G时代提出了新的组网需求，包括多基站协同、网络能力开放、超低时延传输等，在5G中引入了CU–DU的网络架构（见图6–2）。其中，CU（集中单元）负责完成实时性较低的高层协议栈功能［RRC（无线资源控制）和PDCP（分组数据汇聚协议）层］，而DU（分布单元）完成实时性较强的低层协议栈功能［RLC（无线链路层控制）、MAC（数据链路层）、PHY（物理层）、RF（无线射频）层］（见图6–3）。

从多基站协同的角度来看，使用CU–DU的架构也能够较好地契合多基站信息协作的结构。更广泛地说，对于任何异构网（宏站+微站）

的部署场景，CU–DU的架构都能够在多基站协同方面发挥作用，从而提升空口性能。

在实际部署中，CU–DU可采用较为灵活的部署方式，既可以采用CU、DU合设的方式，也可以采用CU、DU分离的方式（见图6–4）。当CU、DU合设时，可采用专用硬件架构，实际功能上类似于传统的BBU（基带处理单元），由主控板和基带板组成。当CU、DU合设时，CU和DU一般只能采用同厂商的设备。当CU、DU采用分离方式部署时，CU和DU可能采用不同厂商的设备，此时CU必须采用标准规定的接口。当CU、DU分离时，一般建议CU可使用通用服务器架构。

新设计（灵活帧结构）

5G无线网的另一项新变革在于引入了灵活的帧结构，使用统一的空口设计满足不同频段（中低频和毫米波）、不同场景（eMBB和uRLLC）以及不同双工方式（TDD和FDD）的需求。相比4G相对固定的帧结构，5G帧结构可以采用多种参数（上下行配比、子载波带宽、系统带宽等）灵活适配不同的需求。

在系统带宽方面，4G单载波最大带宽为20MHz，5G则引入了更大的系统带宽：在6GHz以下的中低频段系统中，5G最大系统带宽为100MHz；在毫米波频段中，5G最大系统带宽为400MHz。系统带宽的增加可以有效应对5G频段普遍带宽较大的场景［如3.5G载频有200MHz带宽，毫米波频段经常有吉赫（GHz）级的带宽］，避免不必要的过多的载波聚合。

在子载波带宽方面，4G采用的是固定15KHz[1] 的子载波带宽。在5G系统中有多种子载波带宽可选：在6GHz以下的中低频段系统中，可选用15KHz、30KHz、60KHz的子载波带宽进行数据传输；在毫米波系统中，可选用60KHz、120KHz的子载波带宽进行数据传输。

在帧结构方面，4G采用的是静态帧结构，5G中采用的是可配置的静态或半静态帧结构。更进一步，5G系统中还可以配置部分子帧为灵活子帧，当实际数据到达时再将其半静态或动态配置为具体的上行或下行子帧，这样可有效提升频谱效率以及降低时延。

在子帧长度方面，在5G系统中，出于在中低频进行超低时延传输以及在毫米波频段有效利用时域碎片化资源的动机，相比LTE子帧长度为1毫秒的设计，5G引入了更短的子帧设计，长度最短可以缩减到LTE的1/7。短帧不单单是满足国际电信联盟1毫秒用户面时延需求所必需的技术手段，而且在后续车联网以及工业互联网的应用中也是必不可少的技术手段之一。

新频段（多频段协同）

多频段协同主要包含三个方面：一是高中低频段联合组网；二是5G与4G频段之间的交互，即SA与NSA方式；三是使用多频段联合传输，确保上行覆盖。

一是针对高中低频段联合组网，5G的生态系统覆盖了从几百兆赫（MHz）到几十吉赫的载频范围，这些载频都有各自不同的特性，适用于不同的场景。一般来说，5G频段大致可以划分为三个不同的范围。
• 低频段（一般为2.5GHz以下，例如700MHz、900MHz、1800MHz频段）：此频段的网络部署与4G的FDD部署类似；带宽较小（20MHz），天线数目较少（2~4通道），其主要功能在于提供连续覆盖，保证深度覆盖，提供移动性管理以及控制面切换等。
• 中频段（一般为2.5~6GHz，例如2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz频段）：此频段的网络部署与4G的TDD部署类似：带宽较大（如100~200MHz），天线数目较多（8~64通道），其主要功能在于提供基础覆盖，保证全网平均性能。
• 高频段（一般指6GHz以上的频段，如24GHz、37GHz频段）：

此频段的网络部署为全新的部署形态，带宽极大（通常上吉赫级的带宽），天线数目极多（例如1 024天线阵列，通过模拟移相器方式降低通道数量），其主要部署在热点、室内区域，确保单点区域极致体验性能。

5G的组网需要考虑以上三种频段的不同特性，通过混合组网的形式尽可能地提高用户体验与保证部署效率。

二是5G与4G频段之间的协同方面，不同于以往4G只有单独组网的唯一方案，5G中引入了两种不同的组网方式，即SA模式与NSA模式，两种组网模式下也涉及不同频段的协同工作。在SA模式下，5G用户一般驻留在5G上，只有当进入无5G覆盖的区域时，用户才会回落到4G上，在5G与4G之间主要通过核心网交互，这属于4G与5G松耦合的组网方式。在NSA模式下，用户驻留在4G上，即在空闲态下从4G接收控制面信令，当用户数据到达时，通过4G为用户配置可用的5G并进行相应的数据传输，属于4G与5G紧耦合的组网方式（见图6–5）。

SA与NSA方式各有优缺点。SA可以更好地支持网络切片，而且可以使用一些5G特有的控制面设计，但是需要全新的5G核心网，其部署依赖5G核心网的产业成熟度。NSA的标准、无线、终端的产业成熟度均较好，部署快速，但是其难以支持网络切片等先进特性，控制面时延等指标也有待产品和标准的进一步优化。

三是多频段联合传输方面，在大带宽系统中，由于终端发送功率有限，5G系统的上行边缘速率与4G系统类似，这可能会成为整个系统性能的瓶颈与短板。5G中提高上行边缘速率的方法主要是使用更低频率的载波来进行上行传输。在NSA情况下，天然地可以使用4G载波增强5G更高频段的上行性能，通过上行分流的技术即可将4G和5G的上行载波联合进行上行数据传输。在SA情况下，情况较为复杂。一种方法是增强终端，如加入高功率和双发等特性；另一种方法是类似于NSA的模式，从4G载波中截取一段进行5G的上行传输，这一方法称为上行增补载波。

新天线（大规模天线）

大规模天线是5G系统的一个重要特征。相比4G系统2~8天线的设计，在5G中16/32/64等通道的设备在中频段成为主流（见图6–6）。在毫米波频段，更多的天线是主流设计，考虑到成本问题，毫米波频段还需要使用移相器等模拟器件来降低通道数，以达到控制成本的目的。

在5G的系统设计中，针对大规模天线主要有三项优化。

第一项是初始接入信道赋形，5G系统引入了多波束初始接入的功能，使初始接入和数据传输能够达到相对平衡的覆盖范围（见图6–7）。不过，引入多波束接入也在一定程度上增加了系统的复杂度，包括切换与测量时具体测量哪些波束等问题，也都在标准中进行了详细的定义。

第二项优化是MIMO（多输入多输出）的混合操作模式。在4G系统中有两种MIMO的操作模式：第一种是基于信道互易性的赋形，即通过测量上行参考信号得到信道信息并赋形；第二种是基于码本的赋形，即通过终端反馈得到信道信息并赋形，这两种模式各有优缺点。在5G系统中，主要使用的MIMO操作模式是这两种模式的混合，即首先通过信道互易性将高维信道（如16/64通道）降为低维信道（如两通道），然后通过码本进行反馈（见图6–8）。

第三项优化是参考信号的全新设计。4G系统中最主要的参考信号是CRS（公共参考信号），其承担了大部分参考信号的系统功能，包括精同步、解调、反馈和测量等，是4G系统的核心设计。但是，随着天线数目的增长以及异构网络拓扑的引入，CRS的缺陷也逐渐显现，包括多天线下的开销、邻小区干扰、前向兼容困难等。鉴于此，在设计之初5G系统的参考信号就有意去除了CRS，其承载的功能被分配到多个其他参考信号中，包括跟踪参考信号、解调参考信号和信道信息反馈参考信号等。通过多个独立功能的参考信号灵活组合与配置，5G系统可以达到开销和性能的最优平衡。