作者简介
刘晓峰
中国信息通信研究院技术与标准研究所无线与移动研究部主任工程师，博士，主要从事4G、5G国际标准化及无线移动先进技术相关工作，研究领域包括信道编码、帧结构设计、非授权频段接入技术、终端节能等，多次荣获CCSA一等奖，《5G无线系统设计与国际标准》作者。
论文引用格式：
刘晓峰. 5G高频设计及国际标准化分析[J]. 信息通信技术与政策, 2020(5):87-91.
5G高频设计及国际标准化分析
刘晓峰
（中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191）
摘要：高频是移动通信的重要应用方向，也是5G设计的重要方向。3GPP在R15、R16及R17中对于高频都做了相关研究和标准化工作。结合3GPP国际标准化工作，首先对高频的各种用例、部署场景进行了详细介绍；接着对3GPP标准化中帧结构设计、接入设计、大规模天线设计和频域配置等关键技术进行了分析；最后对5G高频相关的国际标准化内容进行了总结和展望。
关键词：5G；高频；3GPP
1 引言
高频频谱的使用是未来移动通信发展的重要方向之一。一方面，随着可分配低频频谱逐渐减少，未来的新频谱分配将逐步转向以高频频谱分配为主；另一方面，高频具有更大的带宽，具有广泛的应用前景。随着5G的广泛部署，移动通信的主要应用场景也不再局限于传统的eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）网络。依托5G强大的网络覆盖能力和网络处理能力，将呈现以5G网络为核心的多系统接入。利用更多频谱资源，构建立体、全方位的信息系统也是未来5G发展的重要愿景。
3GPP在5G新空口（New Radio，NR）开始阶段进行需求研究[1]时，就确定了为了支持到100 GHz的设计指标，在进行系统设计时，要兼顾各种因素，采用统一的框架支持高频与低频设计。3GPP在5G国标标准中对于高频的支持也是分阶段进行的。在R15阶段的第一版5G规范中，通过NR统一的设计，支持的频率达到52.6 GHz；在R16 第二版5G规范中，对更高频率的支持进行了相关的研究工作[2]；在5G后续演进版本中，还将逐步对更高频率的支持进行研究与标准化[3]。
针对5G中高频的应用与设计，本文首先对5G高频的主要用例及部署场景进行了介绍；接着基于高频设计的需求，对已经标准化的设计中与高频相关的关键技术进行了梳理和详细阐述；最后根据3GPP已经开展的52.6 GHz以上更高频率的研究和后续版本的开展情况，对5G高频后续国际标准化工作进行了分析与展望。
2 5G高频段主要用例及部署场景
2.1 5G高频段主要用例
2.1.1 高速eMBB用例
对于6 GHz以上更高频率，最重要的应用是eMBB业务。大型体育场馆、大型会场、办公楼宇、商场、超市、餐厅等人群比较密集的场所，对带宽和传输速率都有大量的业务需求。高频大带宽的使用可以带来强大的eMBB业务支持能力，为很多高速率的业务提供支持。这些支持不仅使现有业务得到增强，也会使能一些要求更高速率的新应用。比较有前景的超高清视频业务、移动3D虚拟现实业务、大型虚拟会议，对更高速率的移动宽带业务的需求也是使用高频的主要动力。
2.1.2 移动数据分流用例
短距离的点到点（Device-to-Device，D2D）的高速数据传输也是高频的潜在用例。在目前的家庭、办公室和工厂，大量设备间采用连接线进行直连。智能家居连接、无线工作台、投屏、增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）、可穿戴设备、无线USB等应用均可利用高频高指向性的特点进行短距离的终端间的高速连接。在车联网中，短距离的车车通信、车辆的环境监测、车路通信中的路基设备之间也可以利用高频资源。
2.1.3 垂直行业工厂部署用例
在垂直行业的智能工厂应用中也可以利用高频进行无线连接。工厂需要支持多种类型的服务，不同服务需求不尽相同，如远程控制、移动控制、机器人遥控AR等。这种成体系化的需求需要针对不同场景和用例进行详细规划、设计，合理使用不同频率来满足吞吐量、时延、可靠性等方面的要求，同时还要兼顾部分数据的安全性和保密性要求。高频通信大带宽、短距离的特性非常适合局域的工厂部署。
2.1.4 局域网络用例
目前，存在大量的政府网、校园网、购物广场提供的本地网络及无线固定家庭连接等分布式网络应用，高频也可以在这些用例中扮演重要角色。对低速移动或者相对静止的终端，高频可以利用波束赋形技术提高覆盖范围，提供高质量的服务。
2.1.5 数据回传用例
在一些基站间存在视距的情况下，基站间可以利用高频作为基站间的数据回传，实际网络中已经存在大量利用高频进行后传数据的应用。5G也可以利用高频的大带宽特性在没有光纤及直连的情况下对数据回传进行增强支持。目前，已经有一些点到点的微波通信协议可以支持该类服务，但是通过NR灵活的网络架构，可以更好地支持多点组网的应用。
2.1.6 医疗用例
智能医疗中也有高频的应用空间。一些远程手术需要大量实时未压缩图像的无损传输，而且这些图像的传输时延要求也非常高。在这种情况下，为保证传输速率与时延，必须采用大的带宽进行传输。高频的大带宽特性可以很好地匹配这种超高时延和大数据速率的传输。
2.1.7 AR/VR用例
AR/VR业务也离不开高频的应用。在AR/VR业务的各种应用中，端到端需要全程的高速率低时延高可靠性传输。对于AR/VR的一些无损视频传输，传输速率要求可能达到10 Gbit/s 以上。任何一个环节的无线传输均需要大的带宽支持来保证。
2.2 5G高频段主要部署场景
5G在6 GHz以上的高频面临的首要问题是大气衰减带来的路径损耗。对于eMBB业务，如果按照传统的独立组网模式实现6 GHz以上的单频点全域覆盖，为保障移动性和一定的业务传输质量，站点部署的密度和设备所需要的功耗相对于更低频率部署将呈几何级数增加。在组网形态上，比较典型的是考虑高频与低频的联合组网。低频提供基础的覆盖，高频根据业务需要和覆盖情况进行分流。为支持不同的业务类型和部署场景，高频也需要支持独立部署和工作。尤其是在短距离覆盖和低移动性业务时，高频也可以独立部署。根据上述分析可见，不同的用例涵盖了不同的部署场景。这些部署场景包括但不限于室内热点、密集市区、市区微站、市区宏站、郊区、工厂开间以及室内D2D场景。表1给出了高频的部署场景和潜在业务用例之间的关系。可以看出，高频在室内热点及市区部署时应用空间十分广阔。
表1 高频部署场景与潜在用例关系
3 5G NR高频相关关键技术
5G NR中从系统架构到具体的关键技术设计，对于高频进行了全面的支持。整体来看，5G NR采用在统一的系统设计框架下进行高频和低频的支持。针对高频的特点，进行了一些针对性增强设计。这些设计包括多种子载波间隔及灵活帧结构设计、支持高频的接入设计、控制与数据一体化的大规模天线设计、灵活的频域设置。
3.1 子载波间隔及帧结构设计
5G NR依然采用OFDM作为基本的系统架构方式，目前已经支持了5种子载波间隔，分别为15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz 和240 kHz。随着载波频率增高需要考虑更大的子载波间隔来对抗相位噪声和多普勒频移等影响。对于6 GHz以上频段，需要采用60 kHz以上的子载波间隔。NR采用子载波间隔扩大、时域等比例缩小的设计。如60 kHz子载波间隔下一个时隙长度为0.25 ms，相当于15 kHz 子载波间隔下1 ms 的时隙长度的1/4，而到240 kHz 的子载波间隔，一个时隙长度变为62.5 μs。采用此种设计后，在带宽相同的情况下，不同子载波间隔可用的时频传输资源数相同。
随着子载波间隔增加，单位时间内的时隙及符号数增加，传输时间缩短。在采用相同符号数进行数据传输时，数据传输时延也相应减少。这种设计为高频支持低时延、高可靠业务创造了有利条件。但是，随着单符号时间缩短，用于循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的长度也相应减少。这使得采用大子载波间隔时对抗多径能力变差，覆盖距离受限。在实际的使用中，子载波间隔不是越大越好，需要综合考虑可使用带宽、覆盖条件等限制。
NR的帧结构对于低频和高频采用统一的配置方式，支持以时隙为基础半静态配置和动态配置。高频采用更大子载波间隔，时隙持续时间变短，上下行配置周期相比低频更短。目前，NR中已经支持0.5 ms~10 ms的单周期和双周期配置。在进行高频使用时，可以根据子载波间隔和业务分布灵活选择不同的上下行配置。
3.2 接入设计
NR中支持了5种同步广播信息块（SS/PBCH块）发送方式，其中方式4和方式5是专门为120 kHz和240 kHz的子载波间隔设计。NR中以5 ms的半帧为单位进行SS/PBCH块发送。图1给出120 kHz下的SS/PBCH块发送图样。对于120 kHz子载波间隔，5 ms内包含64个SS/PBCH块，共占用16个时隙对（一个时隙对包含2个时隙，一个时隙包含14个OFDM符号），每个时隙对包含4个同步广播块。4个时隙对为一组，每组之间间隔2个时隙，这样4组同步信号对就可以均匀地分布在一个5 ms的半帧内。
图1 120 kHz子载波间隔SS/PBCH图样
图2给出了240 kHz下的SS/PBCH 发送图样。一个同步广播块集合包含64个同步广播块，共占用8个时隙对（一个时隙对包含2个时隙，一个时隙包含14个OFDM 符号），每个时隙对包含8个同步广播块。4个时隙对为一组，共有2组时隙对，每组之间同样间隔2个时隙。
图2 240 kHz子载波间隔SS/PBCH图样
在高频区域，频带带宽大，跨越的频率范围也大。对于高频段的设计，相对于低频，需要采用更大的频域搜索栅格。在频率范围为3000 MHz ~24250 MHz时，同步栅格为1440 kHz；在频率范围为24250 MHz ~100000 MHz 时，同步栅格为17.28 MHz。
3.3 大规模天线设计
大规模天线设计是高频使用的关键。随着载波频率提高，天线尺寸缩小，单位面积内容纳天线的个数也随之增加。在高频段，虽然路径损耗快速增加，但是通过更多天线的使用，可以对路径损耗带来的衰减进行一定程度的补偿。在高频系统中进行多天线部署时面临的主要问题是如何使接入、控制与数据传输同覆盖。如果接入和控制信息采用宽波束广覆盖，而数据发送采用窄波束，这种覆盖距离的差异将极大地限制大规模天线在高频段的使用。
在NR系统的大规模天线设计中，采用了接入、控制和数据传输的一体化设计。如图1、图2所示，SS/PBCH块以4个符号为一组进行发送，每一组采用一种发送方向。这种设计使得同一个基站可以通过不同的波束对整个区域进行覆盖。控制和数据信道与SS/PBCH块的联系通过准静态共址（QCL）关系进行绑定[4]。终端在接入时，对不同的SS/PBCH块进行测量，对选中的SS /PBCH块进行QCL关系的上报。在基站获知终端相关QCL关系后，利用终端上报的相关信息进行控制与数据信道发送。
NR中支持了以面板（Panel）为基础的大规模天线设计。随着频率上升，设备支持天线数快速增加，在几十GHz的频率上，设备支持的天线个数可以达到数百根。针对每根天线的设计很难适应大规模天线的部署，NR设计中支持把物理天线根据不同的排列方式，虚拟为多个天线端口，进而组成一个或者多个面板。以这种方式，NR中大规模天线的码本设计和发送接收方案都可以灵活地对高频进行扩展使用。
3.4 频域配置
对于高频大带宽的使用，NR支持多种方案。对于一段连续的大带宽数据发送，NR支持6 GHz以下单载波带宽100 MHz，6 GHz ~ 52.6 GHz单载波带宽400 MHz。对于单载波大带宽的使用，考虑到功耗问题，NR标准化了BWP（Bandwidth Part）技术。在一个大的载波带宽内，可以配置多个BWP，根据业务情况可以激活不同的BWP进行数据传输。在数据传输结束后，还可以回退到一个默认的BWP，以达到整个系统节能的效果。
NR也支持用载波聚合或者双连接的方式实现大带宽的使用。在载波聚合中，不同的载波可以使用相对小的带宽，主载波可以通过跨载波调度等方式实现不同载波的联合数据传输，不同载波还可以使用不同的子载波间隔。当不需要多个载波同时使用时，可以通过信令快速地使辅载波进入休眠状态。
4 5G高频国际标准化分析与展望
对于高频的支持是5G的重要特性，是标准化的重点方向。5G NR经过R15和R16两个版本的演进,支持频率达到52.6 GHz。在R15版本中，主要是采用统一的设计框架对低频和高频进行了统一的支持；在R16版本中，对于高频并没有进行特别的增强，主要是对52.6 GHz ~100 GHz以上频率的使用和所需设计进行了研究。R16标准化了多个高频相关的技术，如5G车联网（V2X）、基站间的数据回传（IAB）、5G非授权频谱接入（NR-U）、载波聚合和双连接增强、5G终端节能技术等。这些项目的标准化在R17及后续更高频率的标准化中将产生重要影响。
在3GPP R17的标准演进中，将考虑对52.6 GHz ~71 GHz频段进行支持。该部分工作也会分为研究项目[3]和标准化项目两步走。对该频段进行标准化的考虑一方面在于高频是NR的重要研究方向；另一方面也考虑了该频段各国已经有部分频谱分配。在该段频谱的分配中，既有授权频谱，又有非授权频谱。因此，该段频谱的接入设计要兼顾授权与非授权频谱相关的设计和监管要求。
在52.6 GHz~71 GHz频段工作，需要确定是采用新的波形，还是在现有NR的波形基础上进行扩展。经过讨论，目前各公司基本认同，在此频段可以不改变基础波形，在现有框架下进行增强设计。R16非授权频段的接入技术已经完成标准化，因此52.6 GHz~71 GHz频段的标准化工作主要在于更大带宽支持和LBT机制增强。R17中52.6 GHz~71 GHz频段的研究项目内容包括：现有NR的上下行波形基础上的必要增强，包括适用的子载波间隔信道带宽、与射频器件匹配的必要的物理层功能设计和现有物理层信道和信号支持该频段传输的关键问题；基于波束的信道接入方法，考虑与其他接入点的干扰，并满足52.6 GHz~71 GHz非授权频段的频率监管规则。
根据R17的规划可以看出，5G经过3个版本的演进，将最高频率支持到71 GHz。对于到100 GHz及以上的设计还要在5G后续设计中完成，具体的时间点规划需要在3GPP进一步讨论。在对71 GHz以上的频率进行设计时还需要考虑实际的频谱分配情况、各地监管规则和实际使用的用例与部署场景。如果需要改变基本的波形，将需要更多的研究和技术储备，并兼顾基站与终端设备的实现限制。
5 结束语
对高频的使用是5G NR相对于4G LTE的一大提升。5G系统实现了低频与高频的统一设计，并在前两个版本上实现了到52.6 GHz的设计。高频的使用扩展了5G的应用空间，不仅可以对传统的eMBB业务带来极大性能的提升，对各种垂直行业的应用也提供了广阔前景。随着5G系统的广泛部署，5G中对于更高频率的标准化也将逐步展开。可以预见在不久的将来，5G网络将通过高低频的联合应用，为整个社会的信息化带来巨大提升。
参考文献
[1] TR 38. 913. V15. 0. 0, 2019. Technical specification group radio access network; study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S], 2018.
[2] TR 38. 807. V2. 0. 0, 2019. Study on requirements for NR beyond 52.6 GHz[S], 2019.
[3] Intel Corporation. New SID: Study on supporting NR from 52.6GHz to 71 GHz[R]. 3GPP TSG RAN Meeting (RP-193259), 2019.
[4] 刘晓峰. 5G无线系统设计与国际标准[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2019.
5G high frequency design and international standardization analysis
LIU Xiaofeng
（Institute of Technology and Standards, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China）
Abstract: High frequency is an application direction of wireless mobile communication and 5G. 3GPP has made lots of research and standardization work for high frequency in R15, R16 and R17. In this paper, based on 3GPP international standardization development, various use cases and deployment scenarios of high frequency are introduced in detail. Then the key technologies of 3GPP standardization, such as frame structure design, access design, large-scale antenna design and frequency domain configuration, are analyzed. Finally, this paper summarizes and prospects the contents of 5g high frequency related international standardization.
Key words: 5G; high frequency; 3GPP
本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第5期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、 国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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