GTI 5G系统概念验证白皮书

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。

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