1.2 5G NR系统要求及标准化

1.2.1 5G的应用场景

5G需要比4G支持更多的应用场景和案例。ITU-R M.2083《IMT愿景-2020年及之后IMT未来发展的框架和总体目标》建议书（以下简称“建议书”） [6] 中定义了3种5G应用场景，包括增强型移动宽带（eMBB）、大连接物联网（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）。

1. eMBB

移动宽带（MBB）主要处理的是以人为中心的应用场景，涉及用户对多媒体内容、服务和数据的访问。3G系统和4G系统的主要驱动力来源于移动宽带，对于5G来说，移动宽带仍是最重要的使用场景。然而，由于对移动宽带的要求将持续增长，移动宽带技术需要进一步增强。eMBB在现有移动宽带应用的基础上提出了新的要求——续提高性能、不断致力于实现无缝用户体验。该应用场景涵盖一系列使用案例，包括热点覆盖和广域覆盖。就热点覆盖而言，用户密度大的区域需要极强的通信能力和极高的通信速率，但对移动性的要求低。就广域覆盖而言，最好要有无缝连接和连接高移动性的介质，用户数据速率也要远高于现有用户数据速率。不过广域覆盖对数据速率的要求一般低于热点覆盖对数据速率的要求。

2. mMTC

mMTC的应用场景主要以机器为中心，主要针对大规模物联网业务，其主要特点是连接设备数量庞大，一般要达到每平方千米容纳百万以上的设备连接。这些设备通常传输数据量小并且对时延不敏感。存在的挑战是设备成本需要降低，电池续航时间需要大幅延长，以能够支持数年的使用。

3. URLLC

URLLC业务对时延、可靠性和传输速率等性能要求十分严格，其主要应用于工业制造或生产流程的无线控制、远程医疗手术、智能电网配电自动化、物流运输安全等场景。URLLC在交通安全和控制方面，譬如无人驾驶领域也具有很大的应用潜力。在无人驾驶技术中，URLLC的低时延特性和高可靠特性均会得到很好的体现。

图1-3展示了上述三大主要5G应用场景和一些相关的使用案例。其他应用场景和使用案例目前虽无法预见，但也会随着5G的标准化、演进和商用不断涌现。对于未来5G及B5G通信系统而言，它们要想适应因各类新的需要而产生的全新场景，所具备的灵活性及适应性将不可或缺。

在5G已经发布的前3个正式版本中（Rel-15、Rel-16、Rel-17）,Rel-15版本重点对eMBB进行了标准化，Rel-16、Rel-17版本除了对eMBB进行继续增强和优化外，还对URLLC和mMTC进行了研究和标准化，例如成立IIoT/URLLC、轻量级RedCap终端等工作项目。而在5G已经立项的第4个版本Rel-18（在2022—2024年研究与制定）中，上述3种5G应用场景均有相关课题被立项研究，在未来会继续演进和增强。

无论对于哪一种场景，在5G NR已经完成的3个协议版本中，授权频谱都是最主要的使用频谱类型。而非授权频谱作为授权频谱的一种重要补充，最初在5G NR低频（5GHz与6GHz非授权频段）被独立立项，后来在高频（52.6～71GHz）与授权频谱被联合立项研究，目前已经延伸到IIoT/URLLC、直连链路通信、车联网、定位、无人机等多个课题，涉及的应用场景和使用案例越来越多。

1.2.2 5G关键能力指标

5G及其后续演进需要能够提供更强的无线通信能力。ITU-R在建议书中 [6] 给出了IMT-2020（5G）系统需要具备的八大关键能力及相应指标，并且与IMT-Advanced（4G）系统进行了对比，如图1-4所示。

IMT-2020（5G）系统需要具备的八大关键能力及指标的具体内容如下。

（1）峰值数据速率。峰值数据速率是指单个用户/单台设备在理想条件下能够达到的最大数据速率（单位：Gbit/s）。5G中eMBB的峰值数据速率需要达到10Gbit/s。在某些条件和场景下，5G支持高达20Gbit/s的峰值数据速率。由于在低频段没有较大的可用带宽，较高的峰值数据速率一般更容易在高频段实现。

（2）用户体验数据速率。用户体验数据速率是指移动用户/设备在覆盖区域内随处可获取的可用数据速率（单位：Mbit/s或Gbit/s）。对于广域覆盖场景，例如城市和郊区等，用户体验数据速率需要能够达到100Mbit/s以上。而在室内或热点环境中，用户体验数据速率应达到更高的1Gbit/s。

（3）频谱效率。频谱效率是指每个小区单位频谱资源的平均数据吞吐量（单位：bit/s·Hz -1 ）。由图1-4可以看出，尽管4G的频谱效率已经很高，5G仍期望能够支持达到4G 3倍的频谱效率。5G实现的频谱效率增幅在不同场景中存在差异，在部分场景中频谱效率增长得更快。

（4）移动性。移动性是指移动用户/设备在不同小区间移动时，能够满足界定的服务质量（QoS）和无缝转换能达到的最大移动速率（单位：km/h）。考虑到高铁场景，5G期望在可接受的QoS条件下能够支持500km/h的移动速度。

（5）时延。时延是指无线网络对从信源开始传送数据包到接收端正确接收数据包经过的时间（单位：ms）。5G能够支持最大1ms的空口时延，用于支持低时延业务的传输。时延对URLLC而言是一个极其重要的关键能力指标。

（6）连接数密度。连接数密度是指每单位面积内连接设备和/或可访问设备的总数（单位：设备量/km 2 ）。5G能够支持每平方千米百万设备连接的密度。该能力指标主要与mMTC的应用场景相关。

（7）网络能效。网络能效包括以下两个方面。

① 网络能耗。网络能耗是指无线接入网（RAN）使用单位能量发送/接收的信息比特数目（单位：bit/J）。

② 终端能耗。终端能耗是终端中通信模块使用单位能量能够发送/接收的信息比特数量（单位：bit/J）。

5G RAN的能耗不应高于当今部署的IMT网络能耗，同时还应提供各类增强性能。

（8）区域通信能力。区域通信能力是指服务于单位面积内总的通信吞吐量（单位：Mbit/（s·m 2 ）。5G期望能够达到每平方米10Mbit/s的吞吐量。它不仅取决于上面定义的频谱效率和可用带宽，还依赖于5G网络设备部署的密集程度。

虽然在某种程度上，上述关键能力及指标对大部分应用场景、使用案例而言均十分重要，但某些关键能力在不同应用场景、使用案例中的重要性还是存在很大的差异。图1-5给出了5G各关键能力在eMBB、URLLC及mMTC这三类应用场景中的重要程度，分“高”“中”“低”3个等级进行说明。

在eMBB场景中，峰值数据速率、用户体验数据速率、区域通信能力、移动性、网络能效和频谱效率都很重要。但是，移动性和用户体验数据速率并非同时在该场景中的所有使用案例中同等重要。例如，与广域覆盖使用案例相比，热点覆盖需要的是更高的用户体验数据速率，而对移动性要求则相对较低。

低时延对URLLC场景而言是极其重要的特性。此外，URLLC场景中的交通运输与安全等使用案例同样需要支持较高且可靠的移动性，但是并不要求较高的峰值数据速率和用户体验数据速率等特性。

在mMTC场景中，为了支持生活中无处不在的巨量设备，譬如在智能家居/智慧城市/环境监测/森林防火等多方面，高连接密度（每平方千米连接百万以上设备）及较低的能耗（尤其是终端能耗）是支持5G网络运行不可或缺的特性。但是，该场景对传输速率、移动性及频谱效率等特性的要求相对较低。

1.2.3 5G标准化与发展趋势

5G相关标准主要由ITU-R和3GPP协同制定和发布。ITU-R是ITU分属的无线电通信部门，它的职责是确保卫星业务等所有无线通信业务合理、平等、有效及经济地使用无线频谱，不受频率范围限制地开展研究。它是专门负责制定无线电通信相关国际标准的组织。ITU-R自身不制定详细的技术规范，它通过和各个区域性或国际性标准化组织（例如3GPP）合作制定满足IMT技术要求的标准。3GPP由来自北美、欧洲和亚洲的7个标准化组织在1998年联合成立，成员分别包括欧洲的ETSI、美国的ATIS、日本的TTC和ARIB、韩国的TTA、印度的TSDSI和中国的CCSA。3GPP制定的标准规范以Release-X作为版本进行管理，平均一到两年会完成一个大版本的制定。

ITU在2015年9月发布了ITU-R M.2083《IMT愿景-2020年及之后IMT未来发展的框架和总体目标》建议书 [6] ，该建议书论述了潜在用户和应用发展趋势、流量增长、技术发展趋势和频谱作用，并且界定了2020年及之后IMT的未来发展框架和总体目标。2015年10月，ITU-R正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。ITU-R还根据该建议书和之前其他的研究成果继续为IMT-2020系统定义需求、设计评估方法，这项工作于2017年年中完成。在2017年10月举行了关于IMT-2020的研讨会之后，IMT-2020正式开始接收候选建议。各国和国际组织可以向ITU提交候选技术。ITU-R在2018年开始对候选技术进行评估。2020年7月，ITU-R国际移动通信工作组（WP5D）在第35次会议上确定3GPP系标准成为被ITU认可的5G标准。2021年2月，ITU正式发布了5G NR国际标准《IMT-2020空口的详细规范》。

3GPP在2016年3月RAN#71次全会开启了5G NR的标准化工作。从上述时间点开始到2017年年初，3GPP依托于5G NR Rel-14研究项目（SI），主要开展5G系统框架和关键技术的研究。2017年年初，3GPP新成立了5G NR工作项目（WI），在该工作项目下继续开展5G第1阶段标准化的研究工作，于2017年年底完成了Rel-15非独立组网（NSA）的标准化工作，于2018年年中完成了Rel-15独立组网（SA）的标准化工作。2019年3月完成支持LTE-NR及NR-NR双连接的标准化工作。至此，3GPP完成了5G第1阶段的主要工作，并发布了5G Rel-15标准。5G Rel-15只针对eMBB场景进行了标准化，构建了NR的系统框架，并且规范了一些基本关键技术，包括波形、信道编码、信道与信号、功率控制、接入和传输过程等。

5G第2阶段的主要工作，即Rel-16的标准化从2018年中后期开始，它是5G NR的第1个演进版本。2019年年底RAN1工作基本完成，随后3GPP发布了5G Rel-16标准。5G Rel-16标准除了在NR引入非授权频谱接入（位于FR1频段）特性外，还支持URLLC场景，并且涵盖了MIMO增强、节能、两步RACH、车联网、大气波导干扰/跨链路干扰管理、接入回传一体化（IAB）和定位等特性。2020年7月，3GPP宣布5G标准的第二版规范Rel-16冻结。

5G第3阶段包括Rel-17及之后演进版本，目前已将支持的频段从52.6GHz以下拓展到52.6～71GHz，该频段不仅包括授权频谱，还包括非授权频谱，可利用的频谱资源更多、带宽更大。Rel-17是对5G NR的进一步演进，除了进一步增强eMBB场景（如MIMO、节能、接入回传一体化等）外，还对URLLC、IIoT及其他垂直行业进行了标准化，包括高频非授权频谱通信、IIoT/URLLC、非地面网络（NTN）、定位增强、多播广播、车联网/直连链路及轻量级RedCap终端。3GPP原计划从2020年年初第一次工作组（WG）会议开始在RAN1讨论Rel-17相关议题 [7,8] ，但是由于疫情影响，3GPP取消了面对面的线下会议，改成通过邮件和电话讨论的线上电子会议，并且对Rel-17的讨论进行了延期。2021年12月，3GPP在RAN1的Rel-17标准化工作基本完成，2022年6月3GPP冻结了5G标准的第三版规范Rel-17（ASN.1）。从2022年下半年开始，3GPP各个子组逐步恢复线下会议。

图1-6展示了ITU和3GPP关于5G研究和标准化的主要历程。

3GPP在2021年4月27日的第46次PCG（项目合作组）在线会议上正式将5G演进的名称确定为5G-Advanced（5G-A）。5G-A将大幅提升eMBB性能，普及扩展现实（XR）等沉浸式新业务，满足行业大规模数字化，并最终实现万物智联的5G愿景。5G-A将为5G面向2025年后的发展定义新的目标和新的能力，通过全面演进和增强，使5G产生更大的社会价值和经济价值。

5G-A从5G标准的第3个演进版本Rel-18开始。Rel-18众多课题在2021年12月的RAN#94次全会上立项成功 [9] ，除了在MIMO、节能、定位、覆盖增强、直连链路通信、非地面网络和轻量级RedCap终端等方向继续演进和增强外，还会将5G标准化进一步延伸到人工智能/机器学习、全双工、扩展现实（包括虚拟现实、增强现实和混合现实）、无人机、智能中继等课题中。Rel-18标准化从2022年第二季度开始，预计将持续18个月。Rel-18初步研究计划如图1-7所示 [10] 。

我们可以基于5G NR已经完成的前3个版本（Rel-15、Rel-16、Rel-17）来展望未来5G-A和6G标准化的发展趋势。

首先，从3G、4G到5G,3GPP对MIMO技术的研究和标准化几乎从未中断。基于超大规模MIMO天线技术仍将是未来5G-A和6G标准化的重点之一，3GPP仍将不断深耕；除此之外，3GPP对IIoT和垂直行业的标准化会更加关注，包括窄带物联、车联网、机器类通信及URLLC相关业务等；作为传统蜂窝网络的补充，非地面网络、无人机、海洋通信、智能中继/智能反射表面将进一步丰富未来网络的异构性，充分实现无缝覆盖和深度覆盖；通信和感知的一体化、人工智能（AI）与无线通信的深度融合将在业务和技术两个层面驱使3GPP标准由5G向6G演进；另外，面向5G-A和6G,3GPP标准化的目标频段会越来越高，从Rel-15、Rel-16最高支持52.6GHz，到Rel-17最高支持71GHz。可以预料，未来5G-A和6G支持的频段势必要高于71GHz，甚至超过100GHz，乃至触及太赫兹和可见光频段；同时，在更高频段采用非授权频谱或共享频谱接入仍将是蜂窝网络的重要接入方式之一；由于5G支持的频段越来越高，3GPP对于高频段的移动性、覆盖和功耗等也会越来越关注，这些方面也将是3GPP未来标准化的重点方向。