5G終端若干關鍵技術研究及探討

阮航，董文佳，宋丹，馬帥

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100053）

5G終端若干關鍵技術研究及探討

阮航，董文佳，宋丹，馬帥

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100053）

相對于4G技術，5G的多種組網方案、支持更多的業務以及更高的性能指標對終端提出了更高的要求，對終端實現帶來了更大的挑戰。基于5G的組網、業務和性能需求，與4G終端關鍵技術相比，對5G終端的關鍵技術進行了全面梳理和分析，并針對這些終端關鍵技術給出了相應的終端技術實現建議，為5G終端設計提供了技術參考。

5G終端 終端多模多頻 獨立組網 非獨立組網

1 引言

第5代移動通信系統（5G）將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等各個領域的多樣化業務需求，構建以用戶為中心的全方位信息生態系統，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴，便捷地實現人與萬物的智能互聯，最終實現“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景。目前，美國、日本、韓國、歐盟等電信發達國家均積極加大在5G領域的戰略投資，并在頻譜規劃、專項資金扶持等方面實施重要舉措，以推進5G產業加快發展和成熟，以期按目標時間實現5G商用部署。我國也于2013年2月由工業和信息化部等多部門聯合成立了IMT-2020（5G）推進組，發布了《5G愿景與需求白皮書》等多部5G指導白皮書，制定了我國的5G試驗時間表，并于2015年底啟動了5G關鍵技術試驗。

未來的5G網絡將是一個多業務、多接入技術、多層次覆蓋的系統，如何將這些系統有機地融合并合理利用，為用戶提供最佳的業務體驗，為運營商提供最強的網絡能力等，這是首先要面對的技術挑戰。與此同時，支撐5G的新傳輸技術與組網方式，將增加網絡、終端的實現復雜度和研發成本，給網絡建設和運營維護等帶來全新挑戰。本文從5G終端設計角度出發，基于5G的組網、業務和性能需求，與4G終端關鍵技術進行對比，對5G終端的關鍵技術進行了全面分析和研究。

2 與組網有關的終端關鍵技術分析

2.1 終端多模多頻需求與實現

從4G部署的經驗來看，4G網絡部署是個逐步推進的過程，在相當長的一段時期內全球運營商都遇到了4G網絡與現有多網并存這一共性問題。為滿足4G引入后業務的連續性以及國際漫游需求，多模多頻終端的引入是市場過渡階段的必然選擇。4G引入后不但要求終端在原有多模的基礎上增加4G模式及相應的工作頻段，還要求增加可以確保用戶實現國際漫游的工作頻段。

對5G而言，5G系統需要滿足不同場景下的應用需求，面向全頻段布局，以滿足網絡對容量、覆蓋、性能等方面的要求。綜合考慮國際頻譜規劃及頻段傳播特性，5G包含6 GHz以下頻段的低頻段以及6 GHz以上頻段的高頻段。5G將工作在較低頻段，形成有效的連續網絡覆蓋，來滿足宏覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗需求。同時，需要利用高頻段豐富的頻段資源，作為低頻段的有效補充，來滿足熱點區域極高的用戶體驗速率和系統容量需求。我國已于2017年6月初發布了“公開征求對第五代國際移動通信系統（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段的意見”和“公開征集在毫米波頻段規劃第五代國際移動通信系統（5G）使用頻率的意見”，擬將C波段，即3.4 GHz—3.6 GHz、3.3 GHz—3.4 GHz、4.8 GHz—5 GHz規劃為5G低頻頻段，并考慮將24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz作為5G高頻頻段。

5G的引入同樣將是一個漸進的過程，從全球范圍來看，5G將與現網已部署的2G、3G、4G多種網絡制式長期共存，并且5G頻譜離散，這對終端支持的制式和頻段提出了較高的需求。從全球漫游的角度出發，5G終端的設計需要考慮支持5G多模多頻，可以是在現有2G/3G/4G多模多頻的設計基礎上增加對5G制式和主要頻段的支持。

如圖1所示，5G終端支持多模多頻與基帶芯片、射頻芯片、射頻前端這三部分有關，多模實現主要影響基帶芯片，多頻段實現主要依賴于射頻芯片和射頻前端。

圖1 終端硬件架構示意圖

多模多頻的設計對5G終端實現將帶來如下較大挑戰，因此5G終端的設計需要進一步研究5G多模多頻的具體實現方案。

（1）對射頻芯片的影響：隨著終端支持的頻段增多，射頻芯片需提供的接收通道也要增加。

（2）對射頻前端器件（濾波器、功放、開關等）的影響：頻段增加對射頻前端器件數量影響最大，隨著終端支持頻段數的增加，其器件數量將逐漸增加。每個頻段需配置專門的濾波器或雙工器，不可共用。不同模式支持相同頻段時可共用濾波器或雙工器。如果PA的工作帶寬較寬，在該帶寬內的多個相鄰頻段可以共用1個PA。

（3）對天線的影響：可單根或多根天線支持多個頻段（例如：700 MHz—3.5 GHz），單根天線支持大帶寬可能需要引入天線調諧模塊，這將會引起成本的增加。

（4）對終端成本、體積和性能都帶來挑戰：性能挑戰體現為網絡搜索時間變長，系統間共存干擾引起射頻性能下降等。

2.2 終端高功率發射需求與實現

4G時代，隨著4G用戶數量的急劇增加，分享類OTT（Over The Top）的普及以及實時視頻電話、即拍即傳等個性化上傳業務的逐漸流行，熱點地區用戶上行流量呈爆發式增長。上下行對稱的VoLTE業務商用進一步加劇了用戶對上行資源的需求。對TD-LTE而言，上行資源偏少，上行速率受限已逐漸成為TD-LTE網絡發展的瓶頸。針對上行受限問題，3GPP引入了高功率終端，最大發射功率可達26 dBm，相比于最大發射功率為23 dBm的4G普通終端提升了3 dB。經過現網測試驗證，引入高功率終端可有效提升上行業務覆蓋能力，顯著改善小區邊緣用戶的業務體驗，節省網絡部署成本，同時還有助于提升VoLTE語音質量，改善VoLTE業務體驗。

對于5G，由于5G采用的主流頻段比4G要高，因此存在上行覆蓋不足的問題。以5G采用3.5G頻段，4G采用2.6G頻段為例，從仿真結果來看，當終端采用單天線發射，發射功率為23 dBm時，3.5 GHz上行覆蓋會比2.6 GHz差約5 dB。如圖2所示，當終端采用雙天線發射（使用發射分集）且總發射功率為26 dBm時，可有效提升3.5 GHz上行覆蓋接近5 dB，增益分別體現在發射分集的2 dB和提高發射功率的3 dB，結果是上行覆蓋效果和2.6 GHz相當。因此5G終端的設計需要考慮支持上行采用雙天線高功率（26 dBm）發射，以增強上行覆蓋。

圖2 從單天線23 dBm到雙天線26 dBm高功率的示意圖

2.3 終端支持不同組網方案的需求與實現

5G組網存在兩種典型的模式：一種是5G獨立組網，不依賴于4G網絡工作；另一種模式是5G非獨立組網，僅具備數據面功能，依賴于4G網絡工作。對于5G獨立組網，5G系統單獨建立一張端到端的全新網絡，包括全新的5G無線接入網、全新的5G核心網以及完整的5G控制面和5G用戶面。5G獨立組網意味著無需依賴4G網絡，就可以單獨為用戶提供通信服務。對于5G非獨立組網，5G依賴于4G來實現部署和組網，目前最可能的實現方式是將控制面錨定在4G網絡上（即4G承載控制信令），對于用戶面數據則是5G網絡和4G網絡共同承載。

5G非獨立組網的最大優點，一個好處是可以快速部署5G，因為不需要部署完整的5G端到端網絡，只需部署5G基站來提高空口的傳輸能力；另一個好處是可以對5G進行局部部署，例如只在熱點地區部署5G基站，由于信令錨點在4G網絡上，由4G網絡提供覆蓋的連續性。但從長期發展來看，5G獨立組網將是最終的解決方案。運營商部署5G，可以是如圖3所示的漸進式部署方案，即先基于非獨立組網方式快速部署，后期過渡到基于獨立組網的部署方式，也可以是一步到位的部署方案，直接基于獨立組網方式部署。不同的組網方式和部署方案對5G終端實現方案提出了需求，因此5G終端的設計需考慮同時支持獨立組網和非獨立組網兩種組網模式，這有利于兼容5G網絡選擇不同的部署方案，有利于5G終端的廣泛應用和全球漫游。

圖3 從非獨立組網到獨立組網的5G漸進式部署示意圖

2017年3月，在3GPP RAN第75次全體大會上，3GPP正式通過了5G加速的提案，即3GPP將在R15版本內，加速5G新空口的標準進程，將5G非獨立組網特性提前至2017年12月完成。2018年3月凍結ASN.1，而5G獨立組網特性將于2018年6月完成，2018年9月凍結ASN.1。由于非獨立組網的標準提速，終端有可能考慮先依據3GPP標準支持非獨立組網模式，然后再支持獨立組網模式，為避免增加改造成本，5G終端在設計之初需要考慮非獨立組網模式和獨立組網模式共平臺的設計方案。

圖4 5G語音方案示意圖

3 與業務有關的終端關鍵技術分析

隨著4G網絡的全面覆蓋和智能手機的普及，以微信、QQ、Skype等為代表的即時通訊（IM）軟件已經日漸成為人們相互溝通聯系的工具和手段。然而傳統的電話業務作為移動通信中最基本的通信方式，始終以其高質量、高可靠性、可信賴等優點，仍然被手機用戶廣泛使用。

圍繞4G時代的語音業務，業界提出了多種解決方案供商用選擇，如CSFB方案、雙待機（單卡雙待）方案和VoLTE方案，主要區別是VoLTE方案是基于LTE的分組域提供語音業務，而其他方案如CSFB和雙待機方案則通過2G/3G的電路域來提供語音業務。相對于電路域方案來說，使用LTE IMS提供VoLTE語音業務有以下兩個優勢：一方面，LTE具有很高的頻譜利用率；另一方面，LTE IMS能提供更好的用戶體驗，語音清晰、時延短，并且可以融合視頻多媒體等多種業務，因此，VoLTE是4G時代的主流語音解決方案。由于VoLTE方案的成熟普及存在一個逐步推進的過程，直到LTE全面覆蓋、全網具備VoLTE應用條件后才發展到全網部署，因此在過渡期間存在其他語音方案的需求，CSFB方案和雙待機方案作為過渡方案都有應用。

5G作為4G的演進和發展，5G時代的語音方案從趨勢來看還會由IMS提供會話控制和基本業務，即IMS Voice over 5G。語音業務不僅要求在各種網絡下能夠使用語音進行通信，而且要求能夠在不同網絡覆蓋區域下保持語音持續。5G的引入是一個漸進的過程，因此需要考慮5G覆蓋不足場景下語音業務從5G轉移到4G的話音連續性問題。另外，不同的組網方案，即5G采用獨立組網還是非獨立組網，對5G的語音方案也有較大影響。

圖4列出了多種5G語音方案。對于5G非獨立組網方式，由于控制面錨定在4G網絡上，語音業務使用VoLTE方案是一個自然的選擇。而對于5G獨立組網方式，3GPP已開展了相關研究，根據4G核心網和5G核心網之間是否有Nx接口，對5G覆蓋不足情況下語音業務轉移到4G的連續性問題，提出了單注冊和雙注冊兩種方案，并通過決議要求終端必選單注冊方案。有公司在3GPP還提出了回落4G（EPS Fallback）的語音方案，即終端在5G上起呼時回落4G，建立VoLTE語音業務，回落方式可以是切換，該方案仍在3GPP討論中。此外，從終端實現角度出發，雙待機方案也是一種實現可能，該方案對標準化和網絡升級無要求，但對終端定制化要求較高，需要考慮雙待功耗、跨待互操作和將來能否升級支持5G語音方案等問題。總之，5G終端在設計之初需要考慮語音方案的選擇，以支持語音業務。

智能終端呈現多元化發展，增強現實（AR）設備、虛擬現實（VR）設備面向游戲、視頻等交互式業務應用，為用戶帶來沉浸式的感官體驗。AR/VR業務對網絡帶寬要求較高，數據傳輸可高達Gb/s，同時，AR/VR業務要求更低的交互時延，使業務應用有更逼真的互動體驗。無人機廠商面向垂直行業領域，提供航拍圖傳、農業植保、搜索救援等解決方案。無人機除了對網絡有大帶寬、低時延的傳輸需求，也要求控制連接的可靠性，以保障無人機的安全控制與飛行。智能汽車、機器人等新型智能終端也在技術及應用場景方面進行積極探索，推出原型概念產品，同樣對網絡提出大帶寬、低時延、高可靠的連接需求。

目前新形態終端與蜂窩通信網絡的結合還處于初級階段，AR/VR、無人機等設備主要依靠有線或Wi-Fi連接入網進行實時數據傳輸。有線的連接方式降低了終端移動的自由度，大大限制了新形態終端的應用場景。Wi-Fi存在覆蓋不連續，傳輸時延大，連接可靠性低等問題，無法為新形態終端提供無縫覆蓋、可靠連接。

5G技術恰恰可以滿足新形態終端對于網絡帶寬、覆蓋和時延的要求，5G終端形態將逐步從數據類終端、智能機擴展到新形態終端（VR/AR、無人機等），需對新形態終端進行進一步的研究及推動，借助5G網絡大帶寬、低時延、高可靠的連接特性，助力5G終端多形態、業務多樣化的發展。

圖5 ITU定義的5G關鍵能力

4 與性能指標有關的終端關鍵技術分析

4.1 5G性能指標要求

根據ITU發布的5G愿景白皮書（ITU-R M.2083建議書），5G系統將滿足增強的移動寬帶、海量的機器間通信、超高可靠和超低時延通信三大類主要應用場景，如圖5所示。5G將支持100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率，10 Gb/s-20 Gb/s的峰值速率，500公里/小時的移動速度，100萬/平方千米的連接數密度，1 ms的空口時延，相對4G提升3～5倍的頻譜效率等關鍵能力指標。

4.2 5G高速率需求與實現

如4.1節所述，與4G相比，5G有更高的速率需求，5G將支持100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率，10 Gb/s～20 Gb/s的峰值速率。影響終端峰值速率的主要因素為帶寬、調制方式、天線數量等。帶寬受限于頻譜資源，調制方式在4G階段已達到上下行256QAM，提升到更高階調制方式將極為困難。多天線是實現終端高速率的關鍵手段，天線數量的增多可以使終端速率實現成倍的提升。20世紀90年代美國貝爾實驗室對多天線技術進行了專門的研究，發現了多天線技術的容量在高信噪比下隨收發天線數目線性增加。1996年Foschini等首先提出MIMO系統的一種實現結構BLAST，并證明其可將傳統無線鏈路的容量提升20～30倍。

目前4G終端的天線現狀如下：

（1）終端天線數目較多：典型4G手機至少支持6個天線單元，包括常規2個LTE天線以及GSM、GPS、WLAN/BlueTooth、NFC等天線，支持帶間載波聚合的手機會在LTE上具備更多并發天線。

（2）目前部分旗艦手機已支持下行4天線：LTE 4天線用于下行接收，預計上行支持2天線設計難度不大，但受限于PA等成本較高。

終端天線數量主要受限于頻段、手機尺寸、材質、天線布局。終端尺寸越大天線越容易設計；頻段越高對終端尺寸的要求就越寬松，實現多天線越容易；非金屬手機會比金屬手機更容易實現多天線。從天線設計角度來看，在Sub 6 GHz普通商用終端上支持多于4天線接收的設計難度較大；在毫米波等高頻段，由于高頻天線尺寸小，多天線設計更具可行性；在尺寸較大的CPE及Tablet上可支持更多數量的天線，如8個接收天線等。因此，對于小尺寸終端，如智能手機，可考慮支持2發4收，而對于大尺寸終端（CPE等），可考慮支持4發8收。圖6給出了2發4收的終端射頻設計參考示意圖。

圖6 2發4收的終端射頻設計參考示意圖

4.3 5G高速移動需求與實現

終端的移動會在基站和終端之間產生多普勒頻移，當移動用戶在高速移動過程中，例如在高鐵場景，產生的多普勒頻移尤其明顯。多普勒頻移會使接收機和發射機之間產生頻率誤差，影響鏈路性能，還會對系統容量和覆蓋產生影響。多普勒頻移的大小與相對運動速度有關，計算公式是：

其中，θ為終端移動方向與信號傳播方向的夾角；v是終端的移動速度；c是電磁波傳播速度；f是載波頻率。

3GPP對4G的高速移動需求是支持最大350 km/h的移動速度，多普勒頻偏要求是最大支持±875 Hz（2.7G頻段）。如4.1節所述，3GPP對5G的高速移動需求是支持最大500 km/h的移動速度，加上5G使用的主流頻段高于4G，更高的速度以及更高的頻段將導致產生更大的多普勒頻偏，這對5G終端的實現帶來了更大的挑戰。以5G采用3.5G頻段為例，按照多普勒頻移計算公式，終端在500 km/h移動速度下對應的最大多普勒頻偏是±1 620 Hz，遠高于4G定義的多普勒頻偏要求。5G終端的多普勒頻偏糾偏性能直接影響5G終端的駐網成功率和業務成功率。如果5G終端不能采取有效方法應對如此高的多普勒頻偏，則會對通信質量產生嚴重影響。

圖7 多徑信號的信號功率和多普勒頻移示意圖

此外，高鐵組網方案也對5G終端實現帶來了較大影響。4G高鐵組網的典型方案是RRU（無線拉遠單元，或稱為RRH）對打小區合并的組網方式，該組網方式將多個RRU覆蓋區域合并成一個小區，擴大了小區覆蓋范圍，減少了小區間的切換次數以提升網絡性能。但該組網方式對終端實現提出了較高的要求，如圖7所示，由于RRU的對打方式，終端將收到來自同一小區不同RRU的2條以上多普勒頻偏方向相反的多徑信號。若終端采用傳統的單徑解調方案，兩條頻偏相反的信號進行疊加，會導致終端側SINR有一定幅度的下降，從而影響用戶的傳輸速率。

3GPP RAN4已開展了提升LTE終端解調能力的研究，并在2016年11月底完成LTE射頻指標的制定，終端只有采用多徑解調方案才能支持該射頻指標。5G高鐵組網預計將沿用RRU對打小區合并的組網方式，因此5G終端的設計需要考慮支持存在相反多普勒頻偏的多徑信道解調。

5 結束語

相對于4G技術，5G的多種組網方案、支持更多的業務以及更高的性能指標對終端提出了更高的要求，對終端實現帶來了更大的挑戰。從5G組網需求角度出發，由于5G將與現網已部署的多種網絡制式長期共存，使得終端需要考慮支持5G多模多頻，以便終端實現全球漫游；5G采用的主流頻段比4G高，存在上行覆蓋不足的問題，終端需要考慮上行采用高功率（26 dBm）發射，以增強上行覆蓋。不同的組網方式和部署方案對5G終端實現方案提出了需求，因此5G終端的設計需要考慮同時支持獨立組網和非獨立組網兩種組網模式，有利于兼容5G網絡選擇不同的部署方案，有利于5G終端的廣泛應用和全球漫游。

從業務需求角度出發，語音業務一直以來都是基本通信業務，終端在設計之初需考慮語音方案的選擇，以支持語音業務。5G終端形態將逐步從數據類終端、智能機擴展到新形態終端（VR/AR、無人機等），需對新形態終端進行進一步的研究及推動。從性能需求角度出發，針對5G的高速率需求，終端多天線技術是實現高速率的關鍵手段，因此終端需要考慮多天線的發射和接收設計。3GPP對5G的高速移動需求是最大500 km/h的移動速度，加上5G使用的主流頻段高于4G，更高的速度以及更高的頻段將導致產生更大的多普勒頻偏，終端需進一步研究如何提升多普勒頻偏糾偏性能。這些需求都需要整個產業做進一步的深入研究，以快速推動5G的順利商用。

[1]IMT-2020推進組. 5G愿景與需求白皮書[S]. 2014.

[2]3GPP TR 38.801. Study on New Radio Access Technology;Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2016.

[3]3GPP TR 38.803. Study on New Radio Access Technology;RF and Co-Existence Aspects[S]. 2016.

[4]3GPP TR 38.804. Study on New Radio Access Technology;Radio Interface Protocol Aspects[S]. 2016.

[5]3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2016.

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[7]Foschini G J, Gans M J. On limits wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Communication, 1998,6(3): 331-335.

Research and Discussion on Key Techniques for 5G Terminals

RUAN Hang, DONG Wenjia, SONG Dan, MA Shuai
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

In contrast to 4G technology, 5G poses higher requirements to 5G terminals due to its multiple networking modes,supporting more services and higher performance metrics. This brings greater challenges to the implementation of terminals. Compared with key techniques of 4G terminals, key techniques of 5G terminals were comprehensively analyzed according to the 5G networking, service and performance requirement. Corresponding implementation proposal of the terminal technology was presented according to the key techniques above to provide the technical reference to the design of 5G terminals.

5G terminal multi-mode multi-band terminal standalone networking non-standalone networking

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.011

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0060-07

阮航,董文佳,宋丹,等. 5G終端若干關鍵技術研究及探討[J]. 移動通信, 2017,41(18): 60-66.

2017-07-04

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

阮航：高級工程師，碩士畢業于華中科技大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，從事終端無線通信新技術研究與驗證工作。

董文佳：研究員，碩士畢業于華北電力大學（北京），現任職于中國移動通信集團公司研究院，從事無線通信及終端測試新技術研究工作。

宋丹：高級工程師，博士畢業于北京航空航天大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，從事終端硬件及射頻關鍵技術研究等工作。