《5G无线网络规划与优化》 课件 第二章 5G关键技术

2.1频谱效率提升技术 2.2覆盖增强技术2.3时延降低技术 2.4毫米波技术 2.5网络切片第2章5G关键技术12.1.1非正交多址技术 2.1.2新型双工技术 2.1.3新型调制与编码 2.1.4多天线技术

2.1频谱效率提升技术21G到4G系统中分别采用了FDMA、TDMA、CDMA、和OFDMA技术，这些技术使接收端信号检测复杂度大大降低。

为了满足5G高频谱效率和高连接数目的需求，采用多个用户在相同资源上重叠发送的技术，即采用NOMA（非正交多址）方式，在接收端采用更复杂的检测算法实现用户的正确检测。2.1.1非正交多址技术 3非正交多址技术有多种实现方案：PD-NOMA基于功率域的非正交多址接入SCMA稀疏码分多址接入MUSA多用户共享接入PDMA图样分割多址接入用户2用户1SIC接收机用户2解码用户1解码频率功率基站PD-NOMA原理示意图41.PD-NOMA技术PD-NOMA是从功率域区分不同用户的信息。F-OFDM原理示意图52.SCMA技术SCMA在多址方面主要结合低密度扩频和F-OFDM(自适应正交频分复用技术)两项重要的多址技术、通过联合优化中的F-OFDM调制器和线性稀疏扩频，根据设计好的码本集合将数据比特直接映射为码字。MUSA原理示意图3.MUSA技术MUSA采用低互相关的复数域进行调制扩频，减少了系统的复杂度。PDMA原理示意图4.PDMA技术

PDMA在发射端给每个用户分配不同的“图样”，将用户所在的时域、频域、功率域或空域的信息等进行多维度扩展。82.1.2新型双工技术

传统网络只能用一种双工模式，对频谱利用过于死板，无法适应多变的网络环境需求，5G采用新型双工技术来适应复杂的网络环境:1.灵活的双工技术2.全双工技术91.灵活的双工技术

灵活双工技术能够根据上下行业务变化情况动态分配上、下行资源，有效提高系统资源利用率。

为既能灵活分配，又具有标准化，需要对频谱（带宽）和时间（帧）作进一步的划分。5GNR采用可变Numerology，可设置不同子载波带宽，并且支持多种时隙格式，有利于灵活双工方式的实现。根据业务需要，可以动态地配置DL/UL的混合比例，这时在传输格式中，设置一时隙帧指示（SFI），通知用户OFDM符号中是否包含有DL，UL或二者。自干扰消除电路原理示意图102全双工技术

全双工将指收发双方在同一个时频资源进行数据传输，发送端把信息传递给接收端，接收端进行相关干扰消除运算，实现同时收发，也称同频同时全双工技术。实现全双工的首要挑战是解决自干扰问题。112.1.3新型调制与编码 5G兼容LTE调制方式，同时在上下行引入比LTE更高阶的调制技术--256QAM，进一步提升频谱效率。引入高阶调制技术256QAM主要有以下两大增益：（1）提升近点用户的频谱效率，从而提升上下行峰值速率。（2）提升小区下行峰值吞吐率。制式链路5GLTE上行QPSK、16QAM、64QAM、256QAMQPSK、16QAM、64QAM下行QPSK、16QAM、64QAM、256QAMQPSK、16QAM、64QAM125G中LDPC作为数据信道编码（即长码编码），Polar码成为控制信道编码（即短码编码）。LDPC码是一种校验矩阵密度非常低（即1的密度比较低）的线性分组码，核心思想是用一个稀疏的向量空间把信息分散到整个码字中，错误信息会在译码器的迭代中被分散到整个译码器中，正确解码的可能性相应提高，译码性能良好。Polar码的理论基础是信道极化。信道极化包括信道组合和信道分解部分。当组合信道的数目趋于无穷大时，则会出现极化现象：一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道，这种现象就是信道极化现象。Polar码的编码策略应用了这种现象的特性，利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。新型调制与编码（续） 132.1.4多天线技术LTE的MIMO和MassiveMIMO对比示意图MassiveMIMO是多天线技术演进的一种高端形态，是5G网络的一项关键技术，能够提升小区覆盖、用户体验和系统容量。目前，一般认为通道数达到64个或以上的MIMO就是MassiveMIMO技术。1.MassiveMIMO技术MassiveMIMO对网络的要求频段要求：由于MassiveMIMO的天线阵子数量远远超过传统的天线，阵子之间的距离不宜过大，否则造成天线尺寸过大，无法满足工程安装的要求。阵子之间的距离和频段相关，频段越高阵子间隔越小，越有利于MassiveMIMO的部署（当前MassiveMIMO一般只用于2.6GHz以上的频段）。双工方式的要求：MassiveMIMO中引入了波束赋型技术，TDD系统的上下行信道的互易性更有利于下行赋型的权值计算，因此TDD系统更适合部署MassiveMIMO。通过引入了新的参考信号（CSI-RS），也可以实现FDD系统的下行权值计算，但性能比TDD略差。波束赋型原理示意图2.波束赋形波束赋形利用信道信息对发射信号进行加权预编码，以获得阵列增益。波束赋形流程示意图下行波束赋形的流程包括通道校正、权值计算与加权以及赋型四个步骤。波束赋形的流程17（1）通道校正。通道校正的目的是保证收发通道的互易行和通道间的一致性。（2）权值计算。gNodeB基于下行信道特征计算出一个向量，用于改变波束形状和方向。（3）加权。加权是指gNodeB计算出权值后，将权值与待发射的数据（数据流和解调信号DM-RS）进行矢量相加，改变信号幅度和相位，以达到调整波束的宽度和方向的目的。（4）赋形。赋形应用了干涉原理，调整波束的宽度和方向。图2-7中弧线表示载波的波峰，波峰与波峰相遇的位置叠加增强，波峰与波谷相遇的位置叠加减弱。18

多个用户之间配对复用相同的时频资源来实现多个数据流的技术就叫做MU-MIMO（多用户MIMO），而一个用户内部的多个数据流则为传统的SU-MIMO（单用户MIMO）。MU-MIMO的配对原则要求不同UE之间SINR接近以及信道相关性低，MassiveMIMO通过引入大量的天线阵子，采用更多的窄波束，降低了不同UE之间的信道相关性，因此UE之间更容易满足MU-MIMO的配对条件。

同时，通过增加天线的阵子数，总的复用流数也增加了，目前主流的5G手机能支持4天线接收，因此可以和基站形成最多4条独立的传播路径，也就是对于单个手机来说，SU-MIMO最多可支持4流传输。3.MU-MIMO与SU-MIMOMassiveMIMO增益–降低上行干扰接收分集、用户级波束跟踪，解决“高干扰”64R接收分集用户级波束跟踪在商用场景下，64T64R小区与8T8R小区相比，有效降低小区边缘干扰6dB以上天线1信号天线64信号合并信号抑制深衰落20

多天线阵列的好处在于，不同的波束之间，不同的用户之间的干扰比较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不大有交集。多天线阵列的不利之处在于，系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置，否则就不能精准地将波束对准这个用户。

因此，良好的波束管理和波束控制对massiveMIMO十分重要。4.波束管理波束管理主要包括四个步骤：（1）波束扫描（BeamSweeping）。（2）波束测量（Beammeasurement）。（3）波束决策（Beamdetermination）。（4）波束报告（Beamreporting）。（1）gNodeB使用多个窄波束在覆盖区域内的下行方向进行扫描，从而满足区域内的覆盖要求。（2）波束测量用来评估波束的质量，评估指标包括波束中RSRP、RSRQ、SINR等。gNodeB或者UE对所接收到的波束中的质量和特性进行测量。（3）根据波束测量选择最优波束（或波束组）；下行波束由UE来确定，其判决准则是波束的最大接收信号强度应大于特定的门限。上行方向上，gNodeB对UE上传的SRS进行测量以确定最好的上行波束。（4）确定最好波束后，UE或者gNodeB将所选择的波束信息通知给对端。在UE侧选择完最佳波束后，需通过执行随机接入过程将波束质量和波束决策信息上报给gNodeB，以实现UE与gNodeB之间波束对齐，建立定向通信。

波束扫描原理示意图2.2.1上下行解耦 2.2.2超级上行

2.2

覆盖增强技术22

上下行覆盖差异232.2.1上下行解耦随着波束赋形、CRS-Free（不使用小区参考信号）等技术的引入，下行干扰减小，TDD系统中C-Band频段上下行覆盖差距进一步扩大，导致上行覆盖受限。SUL原理示意图1.上下行解耦为解决上下行覆盖差异问题，提出了上下行解耦方案SUL（SupplementaryUplink，补充的上行链路），即NR下行链路中gNodeB使用高频段进行通信，上行可以视UE覆盖情况选择与LTE共享低频资源进行通信，从而实现NR上下行频段解耦。NSA场景下连接态UE接入SUL小区的流程252.SUL载波管理流程

当系统引入SUL频段后，SUL小区在随机接入、功率控制、调度、链路管理和移动性管理上，与NUL（NR中UE正常的上行链路）频段的过程有所区别。在NSA组网和SA组网场景下，连接态和空闲态的UE接入流程不同，首先讨论NSA组网场景的情况，NSA场景下连接态UE接入SUL小区的流程如图所示。26SA组网场景下空闲态初始接入时SUL的选择过程如下：（1）UE接收系统广播消息，获取SUL载波选择门限。（2）UE测量下行SSBRSRP并和选择门限相比较，如果测量结果大于等于门限，UE在NUL载波发起随机接入；如果测量结果小于门限，则UE在SUL载波发起随机接入。27SA组网场景下UE在RRC连接态切换时，若目标小区是SUL小区，对于支持上下行解耦的UE，网络侧需要为UE选择NUL载波或SUL载波，并在RRC重配置消息中指示UE要接入的上行载波，SUL载波的选择过程如下：（1）切换前，源gNodeB向UE下发系统内测量控制（A3事件），指示UE测量邻区信号强度。（2）源gNodeB收到UE上报的测量报告后，将邻区测量的RSRP转发给目标gNodeB，目标gNodeB根据上行链路选择规则为UE选择上行载波。（3）目标基站在切换响应消息中将SUL或NUL的信息传递给源基站，源基站通过切换命令将该信息传递给UE。（4）UE根据响应的指示在SUL或NUL发起随机接入。

上下行解耦调度时序283.无线资源管理算法上下行解耦特性生效时，下行链路承载在NUL载波上，上行链路承载在SUL载波上。由于NUL的子载波间隔为30kHz，SUL载波的子载波间隔为15kHz，NUL载波与SUL载波的TTI数量比例是2∶1，所以调度时需要考虑不同时序的调度。上行SUL调度时序图29在上下行解耦中，网络侧通过C-Band调度指示了UE在SUL上调度的资源，调度时序为N+K2。当UE在C-Band时隙N收到包含上行调度的DCI时，会在C-Band时隙N+K2对应的Sub-3G上行时隙发送上行数据。LTEPUCCHNRPUCCH/PUSCHLTEPUSCHLTEPRACHLTEPUCCHLTEPUCCHNRPUCCH/PUSCHLTEPUSCHLTEPUCCHLTEPUCCHNRPUCCH/PUSCHLTEPUSCHLTEPUCCH时间频率TTI0TTI1TTI2LTE和NR上行频谱共享示意图304.SUL频率获取方案（1）通过频率重耕方式获取。即从当前的FDD系统中直接划分出固定的带宽给5G的SUL使用，该方案实现比较简单，对网络设备没有要求，但会对当前的LTE网络的性能造成影响。（2）通过LTE和NR的频率共享方式获取SUL频率。通过频率共享方式获取的SUL频率并不是固定不变的，NR的SUL和LTE共享上行20MHz的频率资源，如图所示，在不同的时刻，4G和5G可以以使用不同的的频率资源.SUL与CA对比312.2.2超级上行1.SUL与CASUL能通过补充的上行链路来保证UE的上行覆盖。CA（载波聚合）技术也能提升上行覆盖。CA与SUL的区别就在于：(1)SUL只对应上行链路，而CA下每个CC既可以有上行链路，也可以有下行链路；(2)SUL属于同一个Cell内，而CA下不同的band属于不同cell。

322.超级上行的定义

5G业务，特别是SA场景下的新业务，对上行的大带宽和低时延提出了更高的要求。现阶段5G网络上行受限于终端、帧结构和频段，体验远不如下行，为此，3GPP在Rel-16中引入了新特性超级上行（Uplinkswitching）。其主要原理是UE在两个载波（通常是低频+高频）进行上行传输的时候，通过时分的方式复用低频载波和高频载波，从而可以兼具低频穿透性好、全时隙可进行上行传输，以及高频大带宽的优势，进而可以更加充分的利用上行资源，提升上行覆盖和吞吐率。

超级上行技术可实现网络容量、覆盖性能的提升，以及更低的空口时延，全面满足5G时代应用对于更高上行速率和更低时延的需求。3.5GDDDSUDDSUU3.5GDDDSUDDSUU2.1GUUUU

超级上行全时隙调度原理示意333.超级上行的实现当3.5G频段传送上行数据时，FDD的Sub3G上行不传送数据，这可充分发挥TDD大带宽和终端双通道发射的优势来提升上行吞吐率；当3.5G传送下行数据时，Sub3G传送上行数据，从而实现了FDD和TDD时隙级的转换，保证全时隙均有上行数据传送。华为创新“超级上行”利用NRFDD增强上行覆盖、体验及容量。2.3.1免授权调度技术 2.3.2异步HARQ2.3.3D2D技术

2.3

时延降低技术345G时延降低技术35

影响RAN时延大小包括信号传输时延与处理时延、重传机制、覆盖干扰等多种因素：

如TTI(传输时间间隔)过长会导致时延增大；

RTT本身会产生时延，RTT过长也会导致时延增大；

另外上下行覆盖不合理或干扰过大都会导致时延变长。影响时延的因素

免授权调度原理示意图UEgNodeBUEgNodeB申请资源授权数据数据36由于调度存在RTT时延，NR中对于时延比较敏感的业务提出免调度的过程，终端有需求直接发送。2.3.1免授权调度技术 301230123重传与初传的时间间隔固定30123????重传可以在任意时间进行

同步HARQ原始示意图

异步HARQ原始示意图372.3.2异步HARQ5G上下行链路均采用异步HARQ协议，重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，能尽快将反馈发送回发射机，有效降低重传时延。D2D技术原理示意图382.3.3D2D技术D2D（设备到设备）通信技术是指两个对等的设备之间直接进行通信的一种通信方式，它能够提升通信系统的频谱效率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

两个终端采用的是运营商的授权频谱进行通信，可以使用当前小区的剩余频谱资源或者复用当前小区的上下行频谱资源进行通信。2.4.1高频传播特性及信道模型 2.4.2高频通信中的关键技术

2.4

毫米波技术3940毫米波的优点主要包括以下几点∶可利用的频谱范围宽，信息容量大;易实现窄波束和高增益的天线，因此分辨率高，抗干扰性好;穿透等离子体的能力强;多普勒频移大，测速灵敏度高。毫米波的缺点主要包括：大气中传播衰减严重以及器件加工精度要求高；与光波相比，毫米波利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小。412.4.1高频传播特性及信道模型 1．信道的大尺度参数

高频传输首要面对的是更高的衰落的问题。根据电磁波的空间自由传播模型：

式中，PT

、PR表示发射功率和接收功率；GT

、GR表示收发天线增益;R为收发端的间距；而λ则表示载波的波长。2.信道的小尺度参数

小尺度衰落，是指信道短时的变化，主要考虑多径的时延参数、功率、以及各种角度以及多普勒频移的影响。其中，多径时延扩展将影响到后续的系统帧结构的设计。

由于高频信道下，载波频点的升高，会导致频率域的整体偏移（多普勒偏移）会更高。但是因为粒子性更强，散射更小，每个多径内的子径传播的环境很相似，会导致多普勒扩展相比于低频会更小。2.4.2高频通信中的关键技术5G移动场景下存在高速数据传输等问题，在毫米波异构网络中，引入以下关键技术：1.双连接技术2.小区范围拓展3.波束赋形既可以充分利用毫米波的频谱资源优势，也可以有效解决高移动性下高速数据传输的问题。441.双连接技术DC(双连接技术)是指工作在RRC连接态的UE同时由至少两个网络节点提供服务，通常包括一个MeNB（主基站）和一个SeNB（辅基站）。主基站是NR的基站称为MgNB，辅基站是NR的基站称为SgNB。3GPP提出了四种部署模型，分别是：（1）NR-DC(NR双连接）。（2）EN-DC(4G无线接入网和NR的双连接)。(3)

NGEN-DC(5G核心网下的4G无线接入网与NR的双连接)。（4）NE-DC(NR与4G无线接入网的双连接)。5GCXngNodeBgNodeB5Gradio5GradioNR-DC部署模型EPCX2gNodeBeNodeB4Gradio5GradioEN-DC部署模型5GCXngNodeB4Gradio5Gradiong-eNodeBNGEN-DC部署模型5GCXngNodeB5G信号4Gradiong-eNodeBNE-DC部署模型2.小区范围拓展

为了实现小区拓展，可以考虑采用设置CIO（CellIndividualOffset，小区偏置）的方法，也就是在终端进行下行导频强度的判断时，人为地为毫米波微小区的导频信号增加一个偏置值，使得终端优先选择毫米波Small-cell作为服务小区。在高移动性场景下，利用大规模天线阵列，结合波束赋形技术可以有效对抗毫米波通信的高损耗。由于毫米波有不同于微波频段的传播特性，因此必须通过设计新的码本、角度估算方法和波束赋形矩阵等适应毫米波的波束赋形需求。3.波束赋形技术2.5.15G业务差异化需求2.5.2网络切片的定义2.5.35G端到端切片实现

2.5

网络切片 50515G网络的三大应用场景的服务需求也各不相同。（1）eMBB移动宽带。5G时代将面向4K/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，移动宽带的主要需求是更高的数据容量。（2）mMTC海量物联网。海量传感器部署于测量、建筑、农业、物流、智慧城市、家庭等领域，这些传感器设备是非常密集的，大部分是静止的。（3）uRLLC任务关键性物联网。任务关键性物联网主要应用于无人驾驶、自动工厂、智能电网等领域，主要需求是超低时延和高可靠性2.5.15G业务差异化需求网络切片就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其它虚拟网络。每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网在逻辑上隔离，适配各种类型的业务应用。在一个网络切片内，至少包括无线子切片、承载子切片和核心网子切片。2.5.2网络切片的定义53(1)无线子切片。无线切片通过QoS调度或RB资源预留等方式对业务进行保障。(2)核心网子切片。微服务按业务需求不同进行灵活的编排，对不同的切片选择部署不同的微服务功能。切片的微服务可以灵活部署再网络的不同位置。(3)传输子切片。传输承载网可以实现基于VPN(虚拟专用网络）的软切片和基于FlexE的硬切片。54

实现“端到端”的网络切片能力，终端、无线接人网、传输承载网、核心网及管理侧的各域协同至关重要。2.5.35G端到端切片实现无线网需要具备网络切片粒度的资源按需调度能力。无线侧网络切片55承载网网络切片承载网需要实现基于时隙传输等方法的时分网络切片。56

核心网作为实现端到端切片的关键和端到端管理的中枢，按需组合不同的网络功能，灵活构建核心网络切片。核心网网络切片2.5.1

网络安全威胁 2.6.25G空口安全 2.6.35G网络安全保障 2.6

5G网络安全 2.6.1

网络安全威胁UERAN核心网MECInternet运营商网络VPLMN1432OMClient

空口安全威胁用户数据、信息窃听/篡改DDoS攻击拒绝用户接入非授权终端违法接入网络伪基站触发终端降维攻击空口恶意干扰

外部访问EMS安全威胁用户敏感信息传输泄露非授权用户的越权访问合法用户的恶意操作DDoS攻击瘫痪运维功能Web攻击(SQL注入)

网络漫游安全威胁用户敏感信息传输泄露、篡改仿冒转接运营商拒绝服务

Internet安全威胁用户数据传输泄露、篡改仿冒网络应用拒绝特定服务Internet侧DDoS攻击，拒绝数据业务能力开放API非授权访问

合法监听访问安全威胁非法监听网关接入监听目标号码泄露监听端口数据窃听和攻击5合法监听网关12345EMS域外关键安全威胁域内：网元间、网元内模块间关键威胁分析SBA服务化架构威胁

对NRF进行DoS攻击，导致服务无法注册/发现

攻击者假冒NF接入核心网络，进行非法访问

NF间传输的通信数据被窃听和篡改

利用业界公开已有的HTTPS协议漏洞进行攻击MEC模块间威胁

恶意APP，对MEC平台或者UPF

VNF进行攻击

APP间抢占资源(计算/存储/网络)，影响其他APP

越权进行第三方应用的管理运维5GC网元间接口、网元内模块间接口威胁窃听传输数据篡改传输数据非法访问网元/模块N4N9N4NEFNRFUDMPCFAFAMFSMFAUSFNSSF1324AAUBBUeCPRIMEC平台MEPMAPPAPPMEPUPF756MECUPFgNBN2/N3N3gNBXn控制面SBA架构用户面5G

UE和核心网互相认证鉴权5G网络侧仍无法抵御降维攻击+2G伪基站威胁UERAN核心网核心网核心网认证终端终端认证核心网2G伪基站5G基站2G基站回落到2G伪基站回落到2G基站如需避免特定用户信息泄露，核心网可拒绝该用户（IMIS）回落X2G网络单向认证，网络侧无法解决降维攻击后2G伪基站问题有效防御2G伪基站，需终端侧关闭2G功能或删除2G模组2G网络单向认证导致2G伪基站问题难以解决3/4/5G均采用双向认证鉴权入网申请2.6.2

5G空口安全4G：

注册认证前IMSI明文传输，存泄露可能5G：SUPI加密传输，避免IMSI传输泄露EncryptSUPI(IMSI/NAI)SUCIDecryptSUCISUPI附着请求(IMSI明文)附着请求(IMSI明文)安全认证，附着成功，分配临时标识(TMSI)IMSICatcher跟踪定位用户IMSI附着请求(SUCI)附着请求(SUCI)安全认证，附着成功，分配临时标识(TMSI)IMSICatcher无法获取UEeNB核心网UEeNB核心网后续业务使用TMSI标识用户后续业务使用TMSI标识用户SUPI加密传输5G密钥增强为256BitUERAN核心网RRC/UPcipher(2G-64Bit/3G&4G-128Bit)4GNAScipher(128Bit)Summit（巅峰）超级计算机解密2/