5G移動通信技術標準綜述

杜瀅，朱浩，楊紅梅，王志勤，徐楊

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5G移動通信技術標準綜述

杜瀅，朱浩，楊紅梅，王志勤，徐楊

（中國信息通信研究院，北京 100083）

業界齊心協力打造能滿足移動寬帶業務和物聯網業務的5G技術標準，近期國際標準組織3GPP宣布凍結第一個獨立組網5G標準。5G具有大帶寬、低時延、靈活配置的特點，設計全新的基于服務化系統架構，并具備網絡切片、邊緣計算等重要業務能力。結合5G系統特點，分析了新空口、新核心網和安全機制等內容，同時展望5G標準發展趨勢。

新空口；服務化架構；安全

1 引言

5G是近幾年通信產業的研發重點。2012年全球主要國家和區域紛紛啟動5G移動通信技術需求和技術研究工作。同期國際電信聯盟（ITU）啟動了一系列5G工作，如5G愿景、需求、評估方法等，并于2015年6月正式發布了5G愿景，明確面向2020年及未來的移動通信市場、用戶、業務應用的發展趨勢，并提出未來移動通信系統的框架和關鍵能力。

5G開啟萬物互聯新時代。業界一般認為移動通信10年一代，2G時代提供語音和低速數據業務，3G時代在提供語音業務的同時，開始提供基礎的移動多媒體業務，4G時代提供移動寬帶業務，到了5G時代，移動通信將在大幅提升以人為中心的移動互聯網業務使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯網業務，實現人與人、人與物和物與物的智能互聯[1]。5G滿足增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低時延通信三大類應用場景，在5G系統設計時需要充分考慮不同場景和業務的差異化需求。

新業務新需求對5G系統提出新挑戰。ITU定義了八大關鍵技術指標[2]，其中峰值速率、移動性、時延和頻譜效率是傳統的移動寬帶關鍵技術指標，新定義了4個關鍵指標，即用戶體驗速率、連接數密度、流量密度和能效。5G將滿足20 Gbit/s的光纖般接入速率、毫秒級時延的業務體驗、千億設備的連接能力、超高流量密度和連接數密度及百倍網絡能效提升等極致指標，一個系統如何同時滿足多樣業務需求，5G系統設計面臨新的挑戰。

2 5G標準規劃

3GPP于2018年6月發布第一個獨立組網5G標準。3GPP制定R15和R16標準滿足ITU IMT-2020全部需求，其中R15為5G基礎版本，重點支持增強移動寬帶業務和基礎的低時延高可靠業務，R16為5G增強版本，將支持更多物聯網業務。考慮到5G將與LTE較長時間共存，并且運營商擁有的頻譜不同、部署節奏不同、5G網絡業務定位不同，3GPP標準分階段支持多種5G組網架構。具體地，R15包含3個子階段，第一個子階段為2017年年底完成非獨立組網的5G標準，第二個子階段為2018年6月完成可獨立組網的5G標準，第三個子階段為2018年12月完成支持更多組網架構的版本，這些子版本將為運營商提供更多組網選擇。2017年12月，3GPP發布了R15非獨立組網的標準、5G核心網架構和業務流程標準，重點增強支持移動寬帶業務，5G基站與4G基站或4G核心網連接，用戶通過4G基站接入網絡后，5G新空口和4G空口為其提供數據服務，4G負責移動性管理等控制功能。2018年6月3GPP發布了第一個5G獨立組網標準，5G基站直接連接5G核心網，支持增強移動寬帶和基礎低時延高可靠業務，基于全服務化架構的5G核心網，5G系統能提供網絡切片、邊緣計算等新應用。即將于2018年12月發布的R15第三個子階段標準將完成更多組網架構，支持4G基站接入5G核心網，以快速提供網絡切片、邊緣計算等業務能力，之前兩個子版本在一定程度上對性能、部署周期和成本等進行折中。此外，3GPP將于2019年年底發布R16標準，R16標準在R15的基礎上，進一步增強網絡支持移動寬帶的能力和效率，同時擴展支持更多物聯網場景。

3 5G新空口技術

3.1 物理層和底層協議

5G新空口（new radio，NR）具有大帶寬、低時延、靈活配置的特點，滿足多樣業務需求，同時易于擴展支持新業務。下面分別介紹5G新空口的特點和關鍵技術[3-6]。

在波形和多址方面，NR仍采用正交頻分多址（OFMA）作為上行和下行基礎多址方案，考慮到上行覆蓋問題，上行還支持單載波方案DFT-S-OFDMA，此時，僅支持單流傳輸。相比于LTE系統90%的頻譜利用率，NR支持更高的頻譜利用、更陡的頻譜模板，并通過基于實現的新波形方案避免頻帶之間的干擾。

NR支持更大帶寬。針對6 GHz以下的頻譜，5G新空口支持最大100 MHz的基礎帶寬；針對20~50 GHz頻譜，5G新空口支持最大400 MHz的基礎帶寬，相對于LTE最大20 MHz的基礎帶寬，5G能更有效地利用頻譜資源，支持增強移動寬帶業務。此外，5G新空口采用部分帶寬設計，靈活支持多種終端帶寬，以支持非連續載波，降低終端功耗，適應多種業務需求。

NR支持靈活參數集，以滿足多樣帶寬需求。NR以15 kHz子載波間隔為基礎，可根據15×2靈活擴展，其中=0,1,2,3,4，也就是說NR支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz 5種子載波間隔，其中子載波15 kHz、30 kHz、60 kHz適用于低于6 GHz的頻譜，子載波60 kHz、120 kHz、240 kHz適用于高于6 GHz的頻譜。新空口定義子幀長度固定為1 ms，每個時隙固定包含14個符號，因而對于不同子載波間隔，每個時隙長度不同，分別為1 ms、0.5 ms、0.25 ms、0.125 ms和0.062 5 ms。

NR支持靈活幀結構，定義大量時隙格式，滿足各種時延需求。LTE定義了7種幀結構、11種特殊子幀格式，NR定義了56種時隙格式，并可以基于符號靈活定義幀結構。LTE幀結構以準靜態配置為主，高層配置了某種幀結構后，網絡在一段時間內采用該幀結構，幀結構周期為5 ms和10 ms，在特定場景下，也可以支持物理層的快速幀結構調整；NR從一開始設計就支持準靜態配置和快速配置，支持更多周期配置，如0.5 ms、0.625 ms、1 ms、1.25 ms、2 ms、2.5 ms、5 ms、10 ms，此外，時隙中的符號可以配置上行、下行或靈活符號，其中靈活符號可以通過物理層信令配置為下行或上行符號，以靈活支持突發業務。

NR支持更大數據分組的有效傳輸和接收，提升控制信道性能。增強移動寬帶業務的大數據分組對編碼方案的編譯碼的復雜度和處理時延提出了挑戰，LPDC在處理大數據分組和高碼率方面有性能優勢，成為NR的數據信道編碼方案。對于控制信道，頑健性是最重要的技術指標，極化碼Polar在短數據分組方面有更好的表現，成為NR的控制信道編碼方案。

NR支持基于波束的系統設計，提供更靈活的網絡部署手段。LTE中同步、接入采用廣播傳輸模式，數據信道支持波束成形傳輸模式。為了實現同步、接入和數據傳輸3個階段的匹配，NR中同步、接入、控制信道、數據信道均基于波束傳輸，并支持基于波束的測量和移動性管理，以同步為例，NR支持多個同步信號塊，SSB可以指向不同的區域，比如樓宇的高層、中層和地面，為網絡規劃提供更多可調手段。

NR支持數字和混合波束成形。低頻NR主要采用傳統的數字波束成形，針對高頻NR，既需要補償路損，又需要合理的天線成本，因而NR引入模擬+數字的混合波束成形。NR下行支持最大32端口的天線配置，上行支持最大4端口的天線配置；在具體MIMO傳輸能力方面，下行單用戶最大支持8流，最大支持12個正交多用戶，上行單用戶最大支持4流。另，與LTE定義了多種傳輸模式不同，NR目前定義了一種傳輸模式，即基于專用導頻的預編碼傳輸模式。此外，相比于LTE，5G新空口定義更多導頻格式（如front-loaded和支持高速移動的額外DMRS），以支持更多天線陣列模式和部署場景。

NR實現傳輸資源和傳輸時間的靈活可配。支持多種資源塊顆粒度，如基于時隙、部分時隙、多個時隙的力度，以滿足不同業務需求。支持可配置的新數據分組傳輸和重傳時序，在滿足靈活幀結構的同時，滿足低時延需求。

預計5G新空口預計將部署在較高頻段，考慮到基站和終端天線配置的差異，需要重點研究如何保障5G上行覆蓋。最直接的方案是提升終端發射功率，此外，考慮到5G NR將在較長時間內和LTE共存，可以利用低頻LTE上行資源保障系統上行覆蓋。主要有兩類方案：在5G業務信道覆蓋受限的情況下，回退到低頻LTE業務信道來保證上行覆蓋，如雙連接或切換；在5G業務信道覆蓋受限的情況下，通過補充上行（SUL）保證上行覆蓋，即占用部分低頻LTE上行資源傳輸NR。

3.2 高層協議

NR高層協議大量重用了LTE設計。下面分為控制面和用戶面分別介紹NR高層協議。

控制面，NR與LTE有三大主要差異。相比于LTE，NR新增了RRC inactive狀態，該狀態下，終端、基站和核心網部分保留RRC和NAS上下文，這樣可以快速進入connected狀態，在省電的同時，降低連接時延、減少信令開銷和功耗，以適應未來各種物聯網場景。在LTE和NR雙連接架構中，擴展了NR的RRC協議，新增支持RRC分集模式，即輔小區復制主小區的RRC信息，并通過主小區和輔小區同時向終端發送RRC信息，從而提升手機接收RRC消息的成功率和可靠性。此外，LTE僅支持廣播發送系統信息，NR系統信息支持基于請求和廣播兩種方式，以降低網絡廣播開銷，并提升系統前向兼容性，擴展資源承載類型。

相比于LTE，NR增強協議棧功能和性能。NR支持6種承載類型，以提升接入網的組網靈活度。為了提高數據可靠性，5G核心網支持基于IP流的QoS控制，實現更靈活和更精細的QoS控制，為了實現端到端QoS，NR新增SDAP層，執行IP流和無線承載間映射。

此外，NR提供更靈活的接入網架構。除了支持與LTE相同的接入網架構，5G支持中心單元/分布單元（CU/DU）分離的接入網架構，其中CU為集中控制，DU為靈活部署。

4 新核心網技術

5G核心網標準包括新的總體架構和協議模型，針對移動寬帶數據服務提供優化的用戶接入、會話管理、服務質量、策略控制以及應用與網絡交互能力等基礎網絡內容，還標準化了端到端網絡切片、靠近無線網的邊緣計算應用。

4.1 5G核心網架構與接口

為支持差異化的5G應用場景和云化部署方式，5G采用全新的基于服務化系統架構。系統架構中的元素被定義為一些由服務組成的網絡功能，這些功能可以被部署在任何合適的地方，通過統一框架的接口為任何許可的網絡功能提供服務。這種架構模式采用模塊化、可重用性和自包含原則來構建網絡功能，使得運營商部署網絡時能充分利用最新的虛擬化和軟件技術，以細粒度的方式更新網絡的任一服務組件，或將不同的服務組件聚合起來構建服務切片。圖1（a）顯示了服務化架構的設計原則，同時Stage 2規范還提供了基于參考點的系統架構（圖1（b）），其更注重描述實現系統功能時網絡功能間的交互關系。

圖1 5G核心網系統架構

4.2 5G核心網功能

如圖1所示，5G核心網主要的網絡功能如下。

（1）接入控制和移動性管理功能（AMF）

主要提供網絡接入控制、接入和移動性管理等功能，是NAS信令的終結點。5G AMF針對不同類型的用戶終端提供終端能力參數、不同的移動性策略和模式，并以此為依據提供優化的連接管理和尋呼優化。

（2）會話管理功能（SMF）

核心網使用PDU會話來標識終端到某個數據網絡間的數據業務連接，5G支持的PDU會話類型包括IPv4、IPv6、以太網和無結構。

（3）網絡切片選擇功能（NSSF）

根據用戶簽約和UE上報的候選切片選擇輔助信息NSSAI來為UE選擇一個服務切片實例，并為UE指派提供服務的AMF集合。

（4）策略控制與計費功能（PCF）

在5G系統進行了擴展，從4G單純地針對業務數據流，擴展到覆蓋用戶接入移動性以及終端選路的策略控制。5G系統架構的QoS模型細化到每一個五元組的粒度，且由用戶面標簽直接實現，無需額外信令，使不同的數據服務能夠有效利用無線資源，以支持各種應用需求。

（5）統一數據庫功能（UDR）

5G系統架構引入統一的結構化（UDR）和非結構化數據庫（UDSF）功能，將業務邏輯處理和數據存儲分離，網絡切片的服務彈性更高，負載聚合和容災機制更靈活。

（6）用戶面功能（UPF）

采用控制和用戶面分離的模型，由SMF進行管理，實現靈活的業務流路徑編排和有服務質量保證的轉發。

（7）網絡功能庫（NRF）

提供服務的注冊、管理和查詢功能。

4.3 5G核心網業務

相比于4G網絡通過“專有核心網”的特性支持網絡切片，5G網絡切片是一個更強大的概念。在3GPP 5G系統架構的范圍內，網絡切片是指一組3GPP定義的特征和功能，它們組成向UE提供服務的一個完整PLMN。網絡切片使得網絡運營商能夠在統一的云化基礎設施上部署多個獨立的PLMN，其中每個網絡切片只需實例化所屬簽約用戶所關注的特性、功能和業務。

圖2展示了3GPP網絡切片的更多細節。在圖2中，網絡切片#3是直接部署，其中所有網絡功能僅服務于單個網絡切片。還展示了一個UE如何從多個網絡切片＃1和＃2獲得服務。在這樣的部署中，一組切片可以共享一些網絡功能，包括AMF、相關的策略控制（PCF）以及網絡功能庫（NRF）。用戶面業務，特別是數據業務，可以通過多個獨立的網絡切片獲得。切片＃1向UE提供訪問數據網絡＃1的服務，切片＃2向UE提供訪問數據網絡＃2的服務。除了用戶所有業務共同使用的接入和移動性控制（AMF）的交互之外，這些切片和數據業務彼此獨立。可以為每個切片定制例如不同的QoS數據業務或不同的應用功能，全部通過策略控制框架來確定。

3GPP 邊緣計算支持應用功能在網絡拓撲靈活的按需部署，以優化時延和傳輸網絡負載。主要優化功能包括會話和業務連續性（SSC）模式或用戶面的上行分類器、分支點。SSC模式包括傳統的模式（SSC 1）和新模式，SSC 1是在UE位置變化時仍然維持IP地址矛盾穩定來持續支持應用并維護到UE的路徑。新的模式允許IP地址矛盾的重置，包含兩種方式：先建后斷（SSC mode 3）和先斷后建（SSC mode 2）。這種架構使得應用可以影響合適的數據業務特性和SSC模式的選擇。

由于5G網絡部署預計將服務于海量的移動數據流量，因此高效的用戶面路徑管理至關重要。除了SSC模式之外，系統架構還定義了上行鏈路分類器和分支點的功能，以允許在IP錨點之前在用戶面路徑上有選擇性地卸載和插入數據流。而且在策略允許時，應用功能可提供優化數據流路由相關的信息實現和網絡協調，或者向5G系統訂閱可能與應用相關的事件。

R15版本的5G系統將全面采用基于IMS的分組語音方案，考慮到5G形成滿足語音連續性要求的覆蓋能力需要一個過程，5G語音方案需要考慮使用戶盡可能駐留5G網絡監聽語音呼叫，并根據網絡質量來選擇建立語音業務的路徑。總的來說，5G提供VoNR和EPS fallback兩種語音機制。

（1）VoNR

用戶駐留在5G小區，接入5G核心網完成IMS語音業務注冊，當要發起入呼/出呼業務時，終端在NR基站和UPF間建立QCI=1的語音專用業務流，實現語音接續。呼叫過程中如果移出5G覆蓋，則進行PS切換操作，到LTE網絡重建語音和數據業務會話。

（2）EPS fallback

用戶駐留在5G小區，接入5G核心網完成IMS語音業務注冊，當要發起入呼/出呼業務時，基站側將拒絕在5G系統建立語音業務流的請求，同時觸發PS切換或重定向過程，到4G網絡完成語音業務承載的建立。由于PGW與UPF是合設的，所以呼叫過程可以保持IP地址和業務連續性。

基于自組織的分布式網絡管理模型如圖3所示。

圖3 基于自組織的分布式網絡管理模型

5 5G安全技術

5G網絡新的發展趨勢，尤其是5G新業務、新架構、新技術，對安全和用戶隱私保護都提出了新的挑戰。5G安全機制除了要滿足基本通信安全要求之外，還需要為不同業務場景提供差異化的安全服務，能夠適應多種網絡接入方式及新型網絡架構，保護用戶隱私，并能提供開放的安全能力。因而5G網絡安全設計目標如下。

? 提供統一的認證框架，支持多種接入方式和接入憑證，從而保證所有終端設備安全地接入網絡。

? 提供按需的安全保護，滿足多種應用場景中的終端設備的生命周期、業務的時延要求。

? 提供隱私保護，滿足用戶隱私保護以及相關法規的要求。

5G安全除了應保護多種應用場景下的通信安全以外，還應能保護5G網絡架構本身的安全。5G網絡架構的重要特征包括NFV/SDN、網絡切片以及能力開放。因此，5G安全應保證NFV/SDN引入之后移動網絡的安全，NFV/SDN技術實現了軟件與硬件的解耦，NFV技術的部署使得部分功能網元以虛擬功能網元的形式部署在云化的基礎設施上，網絡功能由軟件實現，不再依賴于專有通信硬件平臺，因此，5G安全需要考慮5G基礎設施的安全，從而保障5G業務在NFV環境下能夠安全運行。另外，5G網絡中通過引入SDN技術提高數據傳輸效率，實現更好的資源配置，需要考慮SDN控制網元和轉發節點的安全隔離和管理以及SDN流表的安全部署和正確執行；再者，5G網絡通過建立網絡切片，為不同業務提供差異化的安全服務，根據業務需求針對切片定制其安全保護機制，實現客戶化的安全分級服務，所以5G安全還應保證網絡切片的安全，包括切片安全隔離、切片的安全管理、UE接入切片的安全、切片之間通信的安全等；還有，5G網絡的能力開放功能部署于網絡控制功能之上，以便網絡服務和管理功能向第三方開放，能力開放不僅體現在整個網絡能力的開放上，還體現在網絡內部網元之間的能力開放上，與4G網絡的點對點流程定義不同，5G網絡的各個網元都提供了服務的開放，不同網元之間通過API（應用程序接口）調用其開放的能力，所以5G安全應能保證能力開放的安全，既能保證開放的網絡能力安全地提供給第三方，也應能保證網絡的安全能力（如加密、認證等）可以開放給第三方使用。

5G網絡安全架構[7]需滿足5G多樣化業務場景和新技術新特征引入的新的安全需求和挑戰。5G網絡安全架構的設計原則包括支持數據安全保護、體現統一認證框架和業務認證、滿足能力開放以及支持切片安全和應用安全保護機制。5G網絡安全架構如圖4所示。

圖4中，將5G網絡安全架構分為以下8個安全域：網絡接入安全，保障用戶接入網絡的數據安全；網絡域安全，保障網元之間信令和用戶數據的安全交換；首次認證和密鑰管理，包括認證和密鑰管理的各種機制，體現統一的認證框架；二次認證和密鑰管理，UE與外部數據網絡（如業務提供方）之間的業務認證以及相關密鑰管理；安全能力開放，體現5G網元與外部業務提供方的安全能力開放，包括開放數字身份管理與認證能力。另外，通過安全開放能力，5G網絡也可以獲取業務對于數據保護的安全需求，完成按需的用戶面保護；應用安全，保證用戶和業務提供方之間的安全通信；切片安全，體現切片的安全保護，例如UE接入切片的授權安全、切片隔離安全等；安全可視化和可配置，體現用戶可以感知安全特性是否被執行，這些安全特性是否可以保障業務的安全使用和提供。

5G網絡安全技術標準確定了5G系統安全架構和流程相關要求，主要包括安全框架、接入安全、用戶數據的機密性和完整性保護、移動性和會話管理安全、用戶身份的隱私保護以及與EPS（演進的分組系統）的互通等相關內容。5G安全采用可擴展認證協議（EAP）框架實現統一認證，支持用戶在接入網間無縫切換，同時，通過增強的安全機制進行用戶隱私保護（如身份標識等），并支持按需的用戶數據保護方法。

圖4 5G網絡安全架構示意

此外， NFV/SDN等新技術將會給5G網絡安全帶來新的影響，ETSI NFV安全組的研究內容涉及NFV安全架構、隱私保護、合法監聽、MANO（管理和編排）安全、證書管理、安全管理、安全部署等方面；ONF（開放網絡基金會）以及ITU-T的研究內容涉及SDN安全的標準化工作。

6 5G標準發展趨勢

5G標準將持續發展。5G第二版本（R16）標準的預研已經啟動，R16在增強基礎的移動寬帶業務能力和基礎網絡架構能力的同時，重點提升對垂直行業應用的支持，特別是對低時延高可靠類業務的支持。在移動寬帶業務能力方面，R16將重點研究多天線增強、載波聚合與大帶寬增強、遠端干擾刪除以及已經開展的非正交多址和免許可5G技術。在基礎能力提升方面，重點研究終端節能、定位增強、移動性增強、基于RAN的大數據收集與應用、服務化架構增強、智能化運營、切片增強等內容。在垂直行業應用方面，研究5G車聯網（NR V2X）、低時延高可靠（uRLLC）增強、工業物聯網增強（NR IIoT）、NB-IoT/mMTC增強等內容。

7 結束語

支持萬物互聯的5G標準已經發布，端到端服務化的5G網絡將更好地服務于人和物的需要。目前，我國正通過技術試驗促進產業發展，運營商5G網絡部署的策略也日益清晰，我國已啟動5G移動通信行業標準的制定，5G產業進入快行道。

[1] IMT-2020. 5G 愿景與需求白皮書[R]. 2014.

IMT-2020. 5G vision and demand white paper[R]. 2014.

[2] ITU. 2410-2017-MSW-E-Minimum requirements[S]. 2017.

[3] 3GPP. NR; physical channels and modulation: TS38.211[S]. 2018.

[4] 3GPP. Physical layer procedures for control: TS38.213[S]. 2018.

[5] 3GPP. Physical layer procedures for data: TS38.214[S]. 2018.

[6] 3GPP. Physical layer measurements: TS38.215[S]. 2018.

[7] 3GPP. Security architecture and procedures for 5G system: TS33.501 (v15.1.0)[S]. 2018.

Review of 5G mobile communication technology standard

DU Ying, ZHU Hao, YANG Hongmei, WANG Zhiqin, XU Yang

China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100083, China

The industry is working together to create 5G technology standard, which should meet the needs of mobile broadband and internet of things. Recently, 3GPP declares the first 5G standard which supports the standalone deployment frozen. 5G supports wider bandwidth, low latency, flexible configuration. New service-based architecture is designed for 5G, which supports important service capabilities, e.g. network slice, edge computing. 5G standards were introduced, including new radio, new core and security. In the end, the trends of 5G standard were summarized.

new radio, service-based architecture, security

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018231

杜瀅（1978?），女，中國信息通信研究院技術與標準研究所副主任，長期從事移動通信無線新技術研究、國際標準研制與仿真評估工作。

朱浩（1982?），男，中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師，長期從事移動通信網絡新技術研究、標準研制和測試工作。

楊紅梅（1974?），女，中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師，長期從事移動通信核心網技術研究、安全技術研究及國際國內標準研究和相關測試工作。

王志勤（1970?），女，中國信息通信研究院副院長，負責移動通信產業和發展策略研究工作。

徐楊（1983?），女，現就職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，長期從事移動通信技術研究工作。

2018?07?03；

2018?08?10