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5G无线增强设计与国际标准 主要介绍了5G无线增强技术及相应的国际标准化内容。其中，包括5G车联网技术、5G非授 权接入技术、大规模天线增强技术、终端节能技术、超高可靠低时延（URLLC）技术、接入增强技术（包括非正交多址标准化过程的介绍）、多连接及载波聚合增强技术等。本书不仅对这些关键技术进行了介绍，还对这些技术的标准化过程及标准化方案进行了详细分析。 本书适合从事移动通信研究的本科生及研究生、从事移动通信工作的工程师及希望了解5G相关情况的专业人士阅读。
图书在版编目（CIP）数据
5G无线增强设计与国际标准 / 刘晓峰等著．-- 北京：人民邮电出版社，2020.8
ISBN 978-7-115-54403-2
Ⅰ．①5… Ⅱ．①刘… Ⅲ．①无线电通信—移动网—网络设计②无线电通信—移动网—国际标准 Ⅳ．①TN929.5
中国版本图书馆CIP数据核字（2020）第117664号
著 刘晓峰 沈祖康 王欣晖
魏贵明 高秋彬 徐晓东
责任编辑 李 强
责任印制 彭志环
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
固安县铭成印刷有限公司印刷
开本：800×1000 1/16
印张：24.75
字数：436千字
2020年7月第1版
2020年7月北京第1次印刷
读者服务热线：（010）81055488 印装质量热线：（010）81055316
反盗版热线：（010）81055315
广告经营许可证：京东工商广登字20170147号
本书主要介绍了5G无线增强技术及相应的R16版本国际标准化内容。其中，包括5G车联网技术、5G非授权接入技术、大规模天线增强技术、终端节能技术、超高可靠低时延（URLLC）技术、接入增强技术（包括非正交多址标准化过程的介绍）、接入回传一体化（IAB）、多连接及载波聚合增强技术等。本书不仅对这些关键技术进行了介绍，还对这些技术的标准化过程及标准化方案进行了详细分析。
本书适合从事移动通信研究的本科生及研究生、从事移动通信工作的工程师及希望了解5G相关情况的专业人士阅读。
王志勤
第五代移动通信（5G）作为新型基础设施的核心，将开启万物互联的新时代，为科技创新、经济发展和社会进步带来新机遇。
2019年是全球5G商用元年。中国于2019年6月6日发放了5G商用牌照，2020年进入5G加速发展的关键阶段。当前全球5G建设均基于5G第一版标准（3GPP R15版本）。该版本可以基本满足5G愿景中对于移动增强宽带、超高可靠低时延和海量连接的基本指标要求。但为了提供更高质量的服务，满足与各行业的深度融合，5G标准还需要在第一版本的基础上进一步增强演进。
5G第二版国际标准在第一版本的基础上进行了多个维度的增强与扩展。对于移动宽带业务，提供了更高的频谱效率、更节能的终端设计和更灵活的网络部署方式；对于超高可靠低时延业务，进一步支持更高可靠性和更低空口时延；对于垂直行业扩展，实现5G的车联网设计，支持5G在免许可频段的使用等。
本书以5G第二版国际标准为依据，重点介绍了5G无线增强技术的整体设计和关键技术。本书和之前出版的《5G无线系统设计与国际标准》是姊妹篇，内容有很强的接续性，建议读者可以将两本书对比参阅学习，以便共同构成对5G技术标准的系统解读与分析。本书是5G技术难得的教科书，有利于读者准确、深入地理解5G技术与标准。
本书创作团队是《5G无线系统设计与国际标准》的原班人马，作为IMT-2020（5G）推进组的成员，对标准制定及产品研发有着丰富的实践经验。相信在前作基础上，本书将给您带来更多的收获和启发。期待5G技术不断地演进发展，加速5G与各行业的深度融合，步入移动、互联和融合的经济社会。
随着5G第一版国际标准的完成，全球也开始了5G的广泛部署，我们的生活也迈进了5G时代。5G将改变我们生活的方方面面，在为传统的智能终端业务提供更高的速率，更短的接入传输时延的同时，也将向更多垂直行业扩展，成为构建未来信息化社会的基础。
5G第一版国际标准完成了新空口的基础设计，满足了ITU关于5G需求的基本指标要求。但是面对构建未来信息社会的需求，标准还需要不断演进，在多个维度尚需进行扩展和增强来应对不同情况下的挑战。为更好地迎接这些挑战，全球主要通信企业及大量的垂直行业企业通力合作在3GPP开展了5G第二版国际标准（R16版本）的标准化工作。
5G第二版国际标准以第一版标准为基础，在完全兼容第一版标准的前提下，进行了多个层面的增强和扩展。对于传统的移动宽带业务，进行了大规模天线的设计、接入设计、定位技术、终端节能技术、基站回传技术、载波聚合及双连接技术等关键设计的增强；对于垂直行业扩展，进行了超高可靠低时延（URLLC）的增强，支持了车联网的设计，实现了在非授权频谱部署的相关设计。综合来看，5G第二版国际标准对第一版标准进行了全面的扩展，为5G进一步发展奠定了良好基础。
本书的架构紧贴5G国际标准标准化进展，章节设置基于标准化开展过程中的重点项目。第1章对5G第二版国际标准的整体设计思路和重点项目进行介绍。后续各章依次对不同的标准化重点项目进行详细的介绍，涵盖接入增强、大规模天线增强、定位技术、终端节能、车联网（V2X）、URLLC增强、接入回传一体化、免许可接入、双连接和载波聚合增强。
在全书的撰写过程中，为了便于读者理解标准化技术内容及国际标准化关键点，每章的撰写遵循从技术原理入手，分析每项关键技术标准化要点，展现国际标准化方案的基本写作思路。考虑到5G第二版国际标准与第一版标准之间有非常紧密的关系，本书撰写中涉及5G第一版国际标准已经实现的基础特性只进行简略的介绍，具体内容可以参见《5G无线系统设计与国际标准》。通过两本书的介绍，读者可以更系统和完整地了解5G的整体设计、国际标准化过程及关键内容。
本书的撰写依托IMT-2020（5G）推进组，集合了多名工作在国际标准化一线的专家的辛勤工作。本书创作团队是《5G无线系统设计与国际标准》的原班人马。刘晓峰负责全书组织架构和统稿，并承担第1章和第9章部分内容的撰写工作。王欣晖、田力、张峻峰、李卫敏、邱徵虹负责第2章的撰写工作。高秋彬、苏昕、李辉、陈润华、黄秋萍、骆亚娟、高雪媛、达人、任斌、任晓涛、全海洋、李健翔、侯云静、王加庆、罗晨、杨美英、傅婧负责第3～5章部分内容的撰写工作。徐晓东、高秋彬、刘晓峰、魏贵明、金环、闫志宇、沈霞负责第6章部分内容的撰写工作。沈祖康、成艳、赵旸、王瑞、官磊、马蕊香、胡丹、李胜钰、徐修强负责第7章和第10章的撰写工作。陈琳、黄莹、王丽萍、刁雪莹、毕峰、刘文豪、苗婷、卢有雄、邢卫民负责第8章的撰写工作。魏贵明、徐菲、杜滢、焦慧颖、江甲沫、徐晓燕、刘慧、周伟、朱颖负责第1章、第3章、第5章、第6章和第9章部分内容的撰写和修订工作。
受新型冠状病毒肺炎疫情的影响，3GPP在2020年取消了线下会议，改为线上会议，这在一定程度上影响了R16标准化内容的进程。截至本书成书之时，仍有一些技术方案还在不断讨论和标准化的进程中，如有机会，也希望能够进一步补充和修正。对于本书存在不当之处，敬请读者和专家批评指正。
作者
随着第一版5G国际标准（3GPP NR R15版本）于2018年9月正式冻结，5G的大门正式开启。5G技术的广泛应用给人们生活的方方面面带来巨大改变。根据ITU的愿景，5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。其中，5G用户体验速率可达100Mbit/s～1 Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致的业务体验；5G峰值速率可达10Gbit/s～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/（s·m2），能够支持未来千倍以上移动业务流量的增长；5G连接数密度可达100万个/平方米，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500km/h的移动速度，能够在高铁环境下满足良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有效利用，5G的频谱效率将比4G提高3～5倍，能效将比4G提升100倍。
3GPP NR R15版本完成了一系列基础的设计。这些基础的设计包括帧结构设计、接入设计、调制编码设计、大规模天线设计、控制信道设计及多种接入架构设计。相对于4G系统，5G NR的系统设计更加灵活，可以支持更多的基本参数配置、上下行对称的波形设计、自包含且灵活的帧结构配置；同时，5G NR中还引入了一系列的新技术，其中比较有代表性的是控制信道采用的Polar码（极化码）、数据信道采用的LDPC码。
总体来说，NR R15版本的设计已经满足了ITU对于5G各项基础指标的要求。但是，相对于宏大的5G愿景，该版本标准在多个维度尚需进行扩展和增强。对于传统的增强移动宽带（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）业务，NR R15版本已经提供了很好的支持，但是在大规模天线的码本设计、终端的节能、网络的覆盖、定位、接入流程、高低频的组合载波聚合技术等方面还存在很大的优化空间。对于超高可靠低时延通信（URLLC，Ultra-Reliable and Low Latency Communications），NR R15版本以1 ms空口时延和99.999%可靠性为目标，定义了一些URLLC的基础特性，考虑到URLLC应用场景多种多样，且对时延和可靠性有更高的性能要求，故还需进一步增强。在垂直行业扩展方面，NR R15版本对多个重要领域并未支持，典型的如车联网、非授权频段部署、卫星网络等。综上所述，第一版5G NR标准存在非常广阔的优化和扩展空间。
为达成ITU的愿景，满足全面构建以5G为基础的信息化社会的需求，3GPP在NR R15版本的基础上进行了全面增强，完成了NR R16版本的国际标准。NR R16版本增强的主要方向为传统的eMBB业务增强和垂直行业扩展，主要增强内容包括大规模天线增强、定位增强、接入回传一体化、2步接入、双连接/载波聚合、5G车联网、5G免许可频段接入、超高可靠低时延增强等。通过NR R16版本的全面增强，5G将提供更强的网络覆盖能力、更低的接入与传输时延、更高的传输速率、更低的终端功耗，使能以5G车联网为代表的一批垂直行业应用，并实现授权与非授权频谱的共同使用。
NR R16版本始于2018年6月，于2019年12月基本完成版本标准化工作，并于2020年6月被正式冻结。R16版本的国际标准也被称为5G第二阶段（5G Phase 2），该版本也将和R15版本一起作为5G标准的一部分，被整体提交至ITU。
NR在R16阶段的增强设计采用多个独立项目的方式开展，该方式与R15阶段采用的在一个大项目下进行所有关键技术整体标准化的方式有所不同。R16阶段每个项目针对某一具体方向或一类技术进行增强，多个项目形成对R16标准的整体增强。当不同的项目存在共性技术时，通过3GPP项目协调机制，共性技术会选择在一个项目中开展，避免重复标准化。本书的章节设置基于NR R16开展的主要项目，对已经完成标准化的项目及相关内容进行重点介绍。
3GPP NR R16的项目主要分为行业扩展项目和已有特性的持续增强项目。图1-1所示为3GPP NR R16无线增强项目总体情况。在垂直行业扩展方面，R16主要开展了5个项目：5G车联网（5G V2X）、5G免许可接入（NR-U）、5G非地面网络（NTN）、5G工业物联网信道建模（IIOT信道建模）、超高可靠低时延（URLLC）增强。其中，NTN和IIOT信道建模都是研究项目，没有进行真正的标准化。在持续增强特性方面，R16开展了7个项目：UE（终端）节能、接入回传一体化（IAB）、定位增强、2步接入（2-Step RACH）、大规模天线增强、远程干扰删除和多RAT的双连接/载波聚合增强（LTE_NR_DC_CA_enh）。其中，UE节能、IAB、定位增强3个项目有一个研究阶段来确认其标准化内容；其余4个项目直接进行了标准化。非正交多址技术（NOMA）虽然进行了充分的研究，但是受标准化时间、方案比较发散等影响，R16阶段只对NOMA的主要应用场景2步RACH进行了标准化。
R16版本的持续时间是2018年6月至2020年6月，很多项目并不是在R16期间才开始的，而是在R15版本标准化没有结束时就已开始了研究工作，这些项目包括：5G V2X、NR-U、NTN、IAB和NOMA。它们在R15开始阶段就完成了立项的讨论，并且获得了通过。但是，受R15阶段标准化工作量大、标准化时间受限的影响，这5个项目并没有在R15开始阶段与NR的整体标准化同期开展，而是推迟到了2018年。可以看出，这5个项目中的3项都和垂直行业关系密切，这也体现了3GPP希望5G能够向垂直行业扩展的强烈愿望。
3GPP NR R16版本的演进以R15版本为基础，充分保证了前向兼容性。R16版本没有改变5G NR的基础设计（如调制编码方式、基本的波形、系统基础参数配置、帧结构配置、大规模天线架构、系统接入架构、HARQ机制等），主要的增强聚焦于新功能的引入和对已有特性的持续优化。
从图1-1可以看出，3GPP NR R16版本通过多个项目对R15版本的标准进行全方位的增强，内容涉及时延、速率、可靠性、覆盖方式、接入方式、功耗和应用场景等多个方面。各个项目虽然包含内容多样，但仍然可以体现出一些整体的设计思路，具体如下。
1. 频谱效率持续提升
频谱效率提升是无线网络持续追求的目标。R16的设计中对频谱效率提升最直接的方式是继续提升大规模天线的性能，增强的内容包括信道状态信息反馈、多点协作传输、波束管理、上行满功率传输以及低PAPR参考信号等。在高低频联合部署的系统效率提升方面，R16版本支持了更加多样的载波聚合和双连接方式。在降低开销方面，每个项目的增强中，尽量重用目前的控制信息或者采用更低系统开销的设计，避免增加系统开销，降低频谱使用效率。
2. 更高可靠和更低时延
对超高可靠低时延业务的支持是5G网络的一大优势。NR R15版本支持1ms空口时延和99.999%可靠性，R16版本则以使能更高性能要求为目标，支持更高可靠性（99.9999%）和更低空口时延（0.5～1ms量级），满足电网差动保护、工厂自动化、远程驾驶、智能交通、增强现实和虚拟现实等典型应用场景的性能要求。为实现这一目标，R16中对接入机制、上下行控制信道、数据信道、调度机制、HARQ反馈机制、不同业务复用机制进行了系统增强。
3. 更节能的设计
能耗是5G重要的设计指标，提高5G终端能量效率，可直接延长电池寿命、提升用户体验，对5G网络顺利部署且广泛应用至关重要。在R16标准化过程中，对终端节能进行了重点讨论和设计，进行了从物理层到高层的全面优化。终端节能的设计中不仅考虑了节能的问题，还兼顾了业务性能，通过精细化的设计，在不影响业务体验质量的前提下达到节能的效果。
4. 更灵活的网络部署方式
为提供更高的系统容量，超密集组网是5G的关键技术之一。超密集网络下的接入链路和回传链路，对传输速率及时延都提出了更高的要求。传统无线网络的回传链路大多采用有线电缆或光纤，但是有线回传使用效率低，容易造成投资浪费。为了避免上述问题，3GPP在R16版本引入了无线回传的概念，即回传链路和接入链路使用相同的无线传输技术，共用同一频点，通过时分/频分/空分的方式复用资源。通过该技术的使用支持灵活的自组织传输节点部署，可有效降低部署成本。
5. 多种频谱联合使用
基于R15版本的NR只能运行在授权频谱，授权频谱可以提供高质量的连接。非授权频谱虽然不能像授权频谱一样提供完全受保障的高质量通信，但是5G NR支持非授权频谱的使用仍然可以带来巨大的价值：一方面可使现有的运营商和厂商能够很好地扩展使用现有对4G、5G的无线和核心网络的投资；另一方面也可以扩展未来5G在垂直行业的应用。R16版本通过对接入机制、上下行信道及信号、HARQ机制、调度机制的增强支持了5G NR在非授权频谱的部署。
6. 重点需求定制化增强
5G除数据传输功能外，也支持以定位为代表的重要应用。3GPP在R16阶段完成了基于NR信号进行UE定位的第一个标准版本，弥补了R15标准不支持基于NR信号进行UE定位的不足。R16所定义的目标性能指标包括政策监管的紧急服务定位性能指标和商业应用定位性能指标两类。R16支持的定位精度为米级，可以满足相关业务指标要求。
车联网是5G重要的应用场景之一，支持基于5G NR的车联网也是5G NR标准化的重要演进方向。在NR R15架构下，R16的5G V2X项目重点引入了基于NR的Sidelink设计，重点标准化了发现机制，车联网特有的接入、控制、数据和反馈信道及同步机制。通过系列关键技术的标准化，基于5G NR的车联网可以支持车联网中车辆编队、高级驾驶、外延传感器、远程驾驶四大典型应用，同时可以很好地与基于LTE的LTE-V2X设备与网络联合部署。
NR R16版本虽然标准化了多个项目，但是从标准版本上还是采用统一的标准版本管理。各个项目对标准产生的影响在R16后期统一纳入已有标准中。从NR R16正式发布的标准来看，并不能显式区分标准中哪些内容专门为哪一项业务定义。在实际的部署和业务应用中，不同类型的终端可以根据完整的规范选择必要的特性进行支持。
