5G系统设计——端到端标准详解

序

移动通信的发展和普及对人类社会带来了巨大的影响，彻底改变了人们的生产生活方式以及全球商业模式。今天，移动通信用户已达数十亿。经过十年一代的发展，移动通信峰值速率实现了近千倍的增长，现在5G技术已经步入了历史的舞台。

2019年，中国与发达国家同步商用5G。2020年疫情期间，广大民众对网络应用的需求急剧增长，进一步加速了5G建设的进程。我国原定计划在2020年年底建设60万个5G基站，实际上有希望完成70万个，在地级及以上城市实现主城区的5G覆盖。截至2020年10月底，我国5G用户已超过1.5亿，约占全世界5G用户数量的70%。到2035年，5G将为全球经济平均产出增加4.6%，对应于中国GDP增长接近一万亿美元，为中国净增加就业岗位950万个。

5G带动经济增长的能力获得大家一致的认可，5G技术的落地和应用已成为人们关注的焦点。回顾移动通信的发展历史，新技术的发展都会激发新应用的诞生：1991年全球开启2G时代，数字终端催生了短信、QQ等应用；此后的3G时代催生了智能手机、移动电子商务、微博、微信等一系列应用；4G则为人们带来了快手、抖音等内容形式更加丰富的产品，移动宽带业务如网页浏览、社交应用程序、文件共享、音乐下载和视频流等都已经非常流行。随着5G时代的到来，新的应用如超高清视频、3D视频，以

及增强现实和虚拟现实将会得到更好的服务，其高宽带、低时延、大连接的技术优势为5G的应用奠定了坚实的基础，今后随着网络覆盖与用户规模的增长，一定会出现我们现在还想象不到的新业态。

除了满足消费者更丰富多样的应用需求，5G也在行业应用场景中发挥着越来越重要的作用。今天，中国的多个数字化港口已经部署了5G，遍布港口各个角落的高清摄像头可以实时上传监控视频到港口的边缘计算控制器，支撑自动化港口实现毫秒级时延的远程装卸操控。现在利用工业高清摄像头在生产线上拍摄产品视频，通过5G传到边缘计算和云端进行AI分析，与预存的合格产品的视频比对，这种机器视觉质检效率与准确度远优于人工检测。5G是连接云计算、大数据、人工智能、物联网、区块链与工业互联网的纽带，将新一代信息技术融入各行各业，赋能数据，发挥数据作为生产要素的作用，为大数据、人工智能创造了很多应用机会。

5G作为未来社会生产生活的信息化基础设施，其技术基石正是汇聚各国通信专家智慧打造的全球统一标准。本书由5G标准的核心制定者之一的华为无线标准团队撰写，详细介绍了5G新空口（5G NR）和核心网（5GC）的设计，全面介绍了5G端到端系统以及关键特性，并提供了5G与4G系统的比较，非常适合于移动通信的从业者和5G应用的开发者阅读和参考。

信息技术革命方兴未艾，宽带化需求将持续发展，随着5G网络部署的规模化覆盖，未来的应用空间会远超今天的预期；5G的价值发掘需要各行各业在实践中持续丰富其应用场景，推动企业数字化转型，从而真正实现社会的全面信息化和智能化。

中国工程院院士  

2020年11月

译者序

随着2018年6月的5G NR个标准版本（Rel-15）的发布，遵从5G标准的商用网络已在全球范围开始进行规模商用，5G的产业链也在逐步成熟。同时，3GPP在同步开展Rel-16 NR的标准化，以扩展5G对垂直业务的支持。与此同时，产业界也在积极探索5G与行业的结合，促进各行业的数字化。5G端到端的系统设计是实现各种功能的基础，也是5G演进的基石。

《5G系统设计——端到端标准详解》是在无线通信领域耕耘多年，并亲自参与了5G标准化制定的资深专家们的思考、论述的总结。这本书全面而系统地论述了5G端到端的系统设计，主要包括：5G的应用场景和需求，5G空口基本设计及上下行解耦技术，5G流程、RAN架构和协议栈，5G 系统架构，5G 能力展望，以及5G 市场与产业等内容。本书在论述的过程中，以4G LTE作为对比，从各个维度有针对性地介绍了5G NR设计的不同考虑及创新之处。本书一方面可使读者认识5G系统的全貌，另一方面也能使其全面了解5G标准的整个产生过程，对需要了解5G系统和标准化过程的读者将有很大的帮助。

本书的前言、第2章LTE和NR信道部分的内容由刘江华翻译，第2章和第3章中NR MIMO的相关内容由张雷鸣翻译，第2章中5G NR频谱和频段、LTE/NR共存的相关内容由郭志恒翻译，第2章中的波形、信道编码和mMTC部分内容由程型清翻译，第1章和第5章由邵家枫

翻译，第4章由李岩翻译，第3章的RAN协议栈部分由赵旸翻译，第6章由余政翻译，同时刘江华负责全书统稿。感谢同事刘建琴在翻译过程中提供了技术支持。在本书翻译的过程中，在技术术语的使用上再三斟酌，以确保读者更易理解和掌握相关技术知识。后，非常感谢电子工业出版社的编辑李树林老师为本书的出版付出的辛勤劳动，对翻译内容的规范提供了很多的建议，从而保证了翻译的质量。由于译者水平有限，译文若有不当之处，敬请读者不吝指正。

译  者

前  言

HSPA和LTE技术对全球社会带来了很大的影响，改变了人们的生活以及世界各地的商业模式。现在，使用这些技术的移动用户已达数十亿，这些是如何发生的呢？这些3GPP技术的优势并不是在其研究开始阶段就是很确定的。有许多因素可以解释其成功的原因，但是可以肯定的是，这些因素包括标准和技术的质量以及全球部署带来的规模经济。对于第五代移动通信网络（5G），情形有所不同，由于全球统一了标准，可以预期3GPP技术将主导未来的全球部署。5G的愿景超越了传统的移动宽带业务范畴。2015年，ITU-R针对IMT-2020制定了5G的需求目标，针对三种主要应用场景提出了不同需求：增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）。

移动宽带业务如网页浏览、社交应用程序、文件共享、音乐下载和视频流等都已经非常流行，并在4G通信系统中已得到支持。在5G时代，新的应用如超高清视频、3D视频、增强现实和虚拟现实将会以每秒几百兆比特甚至千兆比特的数据速率得到更好的服务。另外，上行链路高数据速率业务的需求也将出现，例如高清视频共享。针对这些业务需求以及高用户密度和用户移动条件下随时随地的体验需求，为eMBB场景定义了新的目标。

将来，可以从连接中受益的任何事物都可通过无线技术被连接起来。这种趋势就要求把广泛应用中的对象／机

器／事物都进行连接。无人驾驶汽车，增强的移动云服务、实时流量控制优化、紧急情况和灾难响应、智能电网、远程医疗和工业通信等都期望通过无线连接来实现或改善。通过仔细观察这些应用，这些业务有两个主要特征：一个是所需的连接数，另一个是在给定时延之内要求达到的可靠性。 这两个重要特征推动了mMTC和URLLC场景的定义。

针对上述的所有潜在用例，ITU-R定义了对应的IMT-2020（5G）需求，包括八项关键能力：20 Gbps峰值速率，小区边缘用户的100 Mbps感知数据速率，IMT-Advanced频谱效率的3倍，移动性高达500 km/h，低于1 ms的空口往返时间，每平方千米100万的连接密度，IMT-Advanced能效的100倍和每平方米10 Mbps的流量密度。可以预见，5G的区域流量容量将增加至少100倍，可用带宽将增加10倍。总而言之，5G系统可以为人和机器提供使用所有这些应用的基础信息设施，类似于我们现在所使用的交通运输和电力系统基础设施。

世界上的每个地区都在规划或分配其5G频谱。在欧洲，多个国家／地区已分配了5G频谱，主要在C频段，并给多个移动网络运营商发放了5G运营许可证。英国已经拍卖了6 GHz以下的190 MHz频谱用于5G部署，另外还有200 MHz的低频频谱在进行拍卖。在亚洲，中国已经给四大移动运营商总共分配了处于700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz和4.9 GHz附近频段的约620 MHz带宽，以便在2020年实现5G规模部署。日本给四个移动运营商总共分配了2.2 GHz 5G频谱，其中包括C频段的600 MHz和28 GHz毫米波频段的1.6 GHz频谱，未来五年5G投资约为1.6万亿日元（约144亿美元）。韩国已经在三家电信运营商中为5G网络拍卖了3.5 GHz附近频段的280 MHz和28 GHz附近频段的2.4 GHz带宽的频谱，而SKT在2019年4月3日就发布了首批5G商用服务。在美国，5G许可已把现有的600 MHz附近频段、2.6 GHz附近频段，以及28 GHz和38 GHz的毫米波频段授予5G使用。2019年，美国对24 GHz、28 GHz，以及更高的毫米波频谱37 GHz、39 GHz和47 GHz进行了拍卖并用于5G。欧洲、亚洲和北美洲都宣布了2021年以前的5G网络早期部署计划。

本书详细介绍了5G新空口（5G NR）和核心网（5G NC）的设计，同时全面介绍了5G端到端系统以及关键特性。此外，本书提供了5G NR与长期演进（LTE，也称为4G）的比较，以体现相似性与差异性，这对熟悉LTE系统的读者很有帮助。3GPP Rel-15（即5G标准的个版本）已完成5G非独立（NSA）和独立（SA）架构的标准化。5G部署终将转为基于新载波的SA部署，其具有切片、移动边缘计算（MEC）等先进的核心网功能。但是，对于某些运营商而言，由于重大投资和快速部署之间的商业考虑，可以从一开始就进行NSA部署，即与LTE主连接和与NR辅连接。除了网络架构，NR还具有与LTE共存的配置和操作。这包括低频频谱中NR和LTE的相同频带（甚至相同信道）部署。其中，有一个特别重要的用例——更高频率的NR TDD部署，出于覆盖原因，该部署还包括在现有LTE频段中放置补充上行链路（SUL）。

本书共6章。第1章主要讨论5G的应用场景、需求、主要的标准化组织和相关活动。所讨论的需求是5G需求，而不是NR的需求，因为从ITU的角度，任何满足此需求的技术都可以作为5G候选技术提交给ITU，包括一组由NR和LTE组成的无线接入技术（RAT），每个RAT都可以满足5G需求的不同方面。第2章详细介绍了NR和LTE的空口设计。首先描述了用于NR设计的一部分LTE基本技术，随后是关于NR特定技术，例如载波／信道、频谱／双工（包括SUL）、LTE/NR共存和新的物理层技术（包括波形、Polar/ LDPC、MIMO和URLLC/mMTC）。在这些方面，对NR相对于LTE所做的创新都进行了阐述。第3章包含NR流程（初始接入和移动性／波束管理／功率控制／HARQ）、协议栈（CP/UP／移动性，包括免调度）和RAN架构的说明。第4章详细讨论了端到端系统架构、5G核心网（5GC）、网络切片、业务连续性、5GC与EPC的对接、网络虚拟化和边缘计算。第5章由负责3GPP 5G自评估的议题报告人撰写，详细介绍ITU-R提交的5G能力评估报告，以及NR和LTE如何满足5G要求。后，本书对5G市场和产业进行了展望。

本书详细介绍了5G新空口（5G NR）和5G核心网（5GC）的设计，同时全面介绍了5G端到端系统设计和关键功能。本书首先讨论5G的应用场景、需求，以及主要的标准化组织和相关活动；然后详细介绍了NR和LTE的空口设计、NR流程（IAM／波束管理／功率控制／HARQ）、协议栈（CP/UP／移动性）、RAN架构、端到端系统架构、5GC、网络切片、服务连续性、5GC与EPC的对接、网络虚拟化、边缘计算；接着详细介绍了ITU-R提交的5G能力评估报告，以及NR如何满足5G要求和外场测试结果；*后对5G市场和产业进行了展望。

本书适合通信领域相关人士阅读，不仅可以作为5G研发和工程人员的研究资料，还可作为通信相关专业的高校老师、学生和研究人员的参考书。

万蕾（Wan Lei），华为Fellow，毕业于北京理工大学，获通信与电子系统专业博士学位，现任华为智能汽车解决方案BU政策与标准专利部部长，曾任华为无线网络标准专利部部长、华为无线标准首席。万蕾博士从事移动通信国际标准化工作二十余年，全程参与了4G和5G移动通信系统标准化工作，是ITU?4G评估和5G评估的主要贡献者，也是3GPP?5G首版标准的主要推动者，长期致力于推动全球统一标准和一致频谱分配，2019年荣获3GPP?终身成就奖。她是当代通信系统评估建模的奠基者，提出的MI-模型被3GPP/IEEE/3GPP2广为采纳。她致力于推动FDD、TDD融合，提出并推动LTE/NR频谱共存的标准化。

万蕾博士还曾担任CCSA?TC5?副主席、Future?Forum?副理事长、中国IMT-2020推进组专家组成员、国家科技重大专项03专项总体组专家、中国无线电频率规划专家咨询组委员、中国通信学会无线及移动信息专委会委员等职务。

刘江华（Lin Jianghua），毕业于北京邮电大学，获通信与信息系统硕士学位，现为海思Balong标准专利部部长，无线研究与标准技术专家，负责Balong Modem领域的研究与标准化工作。自2005年加入华为，一直在从事4G/4.5G/5G的研究与标准化工作，并于2014—2019年先后担任华为的4.5G标准研究项目及RAN研究的负责人。主要的研究方向包括多天线、信道建模、MUST和IoT等，已有多项个人贡献的关键技术被标准采纳。

目 录 

第1章 从4G到5G的应用场景与需求 / 1 
1.1 引言 / 1 
1.2 全球5G发展 / 3 
1.2.1 IMT-2020（5G）研究工作在ITU-R的开展过程 / 4 
1.2.2 5G在区域中的发展与推进过程 / 6 
1.2.3 标准制定过程 / 9 
1.3 应用场景扩展和需求 / 10 
1.3.1 5G应用场景和业务需求 / 11 
1.3.2 5G关键能力及技术性能需求 / 21 
1.3.3 5G需求总结 / 27 
1.4 标准组织和5G活动 / 28 
1.4.1 ITU-R评估流程／IMT-2020候选技术方案提交流程 / 28 
1.4.2 3GPP向ITU-R提交5G候选技术提案 / 31 
1.4.3 独立评估组协助ITU-R批准IMT-2020规范 / 33 
1.5 本章小结 / 34 
参考文献 / 35 
第2章 5G空口基本设计 / 37 
2.1 LTE空口概述 / 37 
2.1.1 LTE帧结构 / 38 
2.1.2 物理层信道 / 40 
2.1.3 参考信号 / 46 
2.1.4 下行传输 / 68 
2.1.5 上行传输 / 80 
2.1.6 HARQ定时 / 88 
2.1.7 载波聚合（CA）和频段组合 / 91 
2.1.8 初始接入和移动性流程 / 91 
2.2 5G NR载波和信道设计 / 95 
2.2.1 载波的关键参数设计 / 95 
2.2.2 帧结构 / 98 
2.2.3 物理信道 / 103 
2.2.4 物理层参考信号 / 114 
2.3 5G NR频谱和频段定义 / 136 
2.3.1 5G频谱和复用 / 136 
2.3.2 3GPP 5G NR频段定义 / 154 
2.4 4G/5G频谱共享（即LTE/NR共存） / 164 
2.4.1 动机和有益效果 / 165 
2.4.2 LTE/NR频谱共享：网络部署场景 / 175 
2.4.3 LTE/NR频谱共享：更高频谱共享效率的需求 / 181 
2.4.4 NR SUL频段组合：上行链路载波选择和切换 / 193 
2.4.5 4G/5G下行频谱共享 / 202 
2.5 5G NR物理层新技术 / 206 
2.5.1 波形和多址 / 206 
2.5.2 信道编码 / 210 
2.5.3 MIMO设计 / 216 
2.5.4 5G NR针对eMBB和URLLC的统一空口设计 / 230 
2.5.5 mMTC / 232 
2.6 本章小结 / 238 
参考文献 / 240 
第3章 5G NR的新流程、RAN架构和协议栈 / 248 
3.1 5G NR新流程 / 248 
3.1.1 初始接入和移动性（IAM） / 248 
3.1.2 波束管理 / 251 
3.1.3 功率控制 / 254 
3.1.4 HARQ / 256 
3.2 RAN架构演进和协议 / 258 
3.2.1 整体架构 / 258 
3.2.2 NR系统的基本流程 / 276 
3.2.3 移动性控制 / 284 
3.2.4 垂直行业支持 / 288 
3.3 本章小结 / 291 
参考文献 / 292 
第4章 5G系统架构 / 294 
4.1 5G端到端架构概述 / 294 
4.2 5G核心网服务化架构 / 297 
4.2.1 NF服务注册示例 / 298 
4.2.2 NF服务发现示例 / 299 
4.3 网络切片 / 299 
4.4 注册、连接和会话管理 / 302 
4.4.1 注册管理 / 302 
4.4.2 连接管理 / 302 
4.4.3 注册管理流程 / 303 
4.4.4 PDU会话建立流程 / 305 
4.4.5 服务请求流程 / 307 
4.4.6 其他流程 / 308 
4.5 5GC下的会话和业务连续性 / 308 
4.6 与EPC对接 / 311 
4.7 5G核心网中的控制面和用户面协议 / 313 
4.7.1 控制面协议栈 / 313 
4.7.2 用户面协议栈 / 314 
4.8 支持虚拟化部署 / 315 
4.9 支持边缘计算 / 316 
4.10 5G系统的策略与计费控制 / 317 
4.11 本章小结 / 320 
参考文献 / 321 
第5章 5G能力展望：ITU-R提交＆性能评估 / 323 
5.1 5G需求概述 / 323 
5.2 评估方法概述 / 324 
5.2.1 eMBB技术性能需求的系统级仿真 / 324 
5.2.2 连接密度评估 / 326 
5.2.3 可靠性和移动性评估 / 328 
5.2.4 分析方法 / 328 
5.2.5 检查方法 / 328 
5.3 评估指标定义及评估方法 / 328 
5.3.1 eMBB的评估指标 / 329 
5.3.2 mMTC的评估指标——连接密度 / 342 
5.3.3 URLLC的评估指标 / 344 
5.4 5G性能评估 / 345 
5.4.1 5G宽带帧结构和物理信道结构 / 345 
5.4.2 NR MIMO、多址和波形 / 365 
5.4.3 LTE/NR共存（上下行解耦） / 372 
5.4.4 NB-IoT / 383 
5.4.5 LTE/NR频谱共享外场测试 / 384 
5.5 本章小结 / 391 
参考文献 / 392 
第6章 5G市场和产业 / 393 
6.1 5G 市场 / 393 
6.1.1 5G的增强移动宽带业务 / 394 
6.1.2 5G在垂直行业的应用 / 394 
6.2 全球统一的5G标准和生态系统 / 397 
6.2.1 3GPP / 397 
6.2.2 其他组织 / 402 
6.3 早期部署 / 407 
6.3.1 IMT-2020（5G）推进组的5G试验 / 408 
6.3.2 5G部署计划 / 409 
6.4 展望 / 413 
参考文献 / 414 
缩略语 / 417

本书详细介绍了5G新空口（5G NR）和5G核心网（5GC）的设计，同时全面介绍了5G端到端系统设计和关键功能。本书首先讨论5G的应用场景、需求，以及主要的标准化组织和相关活动；然后详细介绍了NR和LTE的空口设计、NR流程（IAM／波束管理／功率控制／HARQ）、协议栈（CP/UP／移动性）、RAN架构、端到端系统架构、5GC、网络切片、服务连续性、5GC与EPC的对接、网络虚拟化、边缘计算；接着详细介绍了ITU-R提交的5G能力评估报告，以及NR如何满足5G要求和外场测试结果；*后对5G市场和产业进行了展望。

本书适合通信领域相关人士阅读，不仅可以作为5G研发和工程人员的研究资料，还可作为通信相关专业的高校老师、学生和研究人员的参考书。

万蕾（Wan Lei），华为Fellow，毕业于北京理工大学，获通信与电子系统专业博士学位，现任华为智能汽车解决方案BU政策与标准专利部部长，曾任华为无线网络标准专利部部长、华为无线标准首席。万蕾博士从事移动通信国际标准化工作二十余年，全程参与了4G和5G移动通信系统标准化工作，是ITU?4G评估和5G评估的主要贡献者，也是3GPP?5G首版标准的主要推动者，长期致力于推动全球统一标准和一致频谱分配，2019年荣获3GPP?终身成就奖。她是当代通信系统评估建模的奠基者，提出的MI-模型被3GPP/IEEE/3GPP2广为采纳。她致力于推动FDD、TDD融合，提出并推动LTE/NR频谱共存的标准化。

万蕾博士还曾担任CCSA?TC5?副主席、Future?Forum?副理事长、中国IMT-2020推进组专家组成员、国家科技重大专项03专项总体组专家、中国无线电频率规划专家咨询组委员、中国通信学会无线及移动信息专委会委员等职务。

刘江华（Lin Jianghua），毕业于北京邮电大学，获通信与信息系统硕士学位，现为海思Balong标准专利部部长，无线研究与标准技术专家，负责Balong Modem领域的研究与标准化工作。自2005年加入华为，一直在从事4G/4.5G/5G的研究与标准化工作，并