5G终端若干关键技术研究及探讨

阮航，董文佳，宋丹，马帅

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100053）

5G终端若干关键技术研究及探讨

阮航，董文佳，宋丹，马帅

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100053）

相对于4G技术，5G的多种组网方案、支持更多的业务以及更高的性能指标对终端提出了更高的要求，对终端实现带来了更大的挑战。基于5G的组网、业务和性能需求，与4G终端关键技术相比，对5G终端的关键技术进行了全面梳理和分析，并针对这些终端关键技术给出了相应的终端技术实现建议，为5G终端设计提供了技术参考。

5G终端 终端多模多频 独立组网 非独立组网

1 引言

第5代移动通信系统（5G）将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各个领域的多样化业务需求，构建以用户为中心的全方位信息生态系统，为用户带来身临其境的信息盛宴，便捷地实现人与万物的智能互联，最终实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。目前，美国、日本、韩国、欧盟等电信发达国家均积极加大在5G领域的战略投资，并在频谱规划、专项资金扶持等方面实施重要举措，以推进5G产业加快发展和成熟，以期按目标时间实现5G商用部署。我国也于2013年2月由工业和信息化部等多部门联合成立了IMT-2020（5G）推进组，发布了《5G愿景与需求白皮书》等多部5G指导白皮书，制定了我国的5G试验时间表，并于2015年底启动了5G关键技术试验。

未来的5G网络将是一个多业务、多接入技术、多层次覆盖的系统，如何将这些系统有机地融合并合理利用，为用户提供最佳的业务体验，为运营商提供最强的网络能力等，这是首先要面对的技术挑战。与此同时，支撑5G的新传输技术与组网方式，将增加网络、终端的实现复杂度和研发成本，给网络建设和运营维护等带来全新挑战。本文从5G终端设计角度出发，基于5G的组网、业务和性能需求，与4G终端关键技术进行对比，对5G终端的关键技术进行了全面分析和研究。

2 与组网有关的终端关键技术分析

2.1 终端多模多频需求与实现

从4G部署的经验来看，4G网络部署是个逐步推进的过程，在相当长的一段时期内全球运营商都遇到了4G网络与现有多网并存这一共性问题。为满足4G引入后业务的连续性以及国际漫游需求，多模多频终端的引入是市场过渡阶段的必然选择。4G引入后不但要求终端在原有多模的基础上增加4G模式及相应的工作频段，还要求增加可以确保用户实现国际漫游的工作频段。

对5G而言，5G系统需要满足不同场景下的应用需求，面向全频段布局，以满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。综合考虑国际频谱规划及频段传播特性，5G包含6 GHz以下频段的低频段以及6 GHz以上频段的高频段。5G将工作在较低频段，形成有效的连续网络覆盖，来满足宏覆盖、高移动性场景下的用户体验需求。同时，需要利用高频段丰富的频段资源，作为低频段的有效补充，来满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求。我国已于2017年6月初发布了“公开征求对第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段的意见”和“公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统（5G）使用频率的意见”，拟将C波段，即3.4 GHz—3.6 GHz、3.3 GHz—3.4 GHz、4.8 GHz—5 GHz规划为5G低频频段，并考虑将24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz作为5G高频频段。

5G的引入同样将是一个渐进的过程，从全球范围来看，5G将与现网已部署的2G、3G、4G多种网络制式长期共存，并且5G频谱离散，这对终端支持的制式和频段提出了较高的需求。从全球漫游的角度出发，5G终端的设计需要考虑支持5G多模多频，可以是在现有2G/3G/4G多模多频的设计基础上增加对5G制式和主要频段的支持。

如图1所示，5G终端支持多模多频与基带芯片、射频芯片、射频前端这三部分有关，多模实现主要影响基带芯片，多频段实现主要依赖于射频芯片和射频前端。

图1 终端硬件架构示意图

多模多频的设计对5G终端实现将带来如下较大挑战，因此5G终端的设计需要进一步研究5G多模多频的具体实现方案。

（1）对射频芯片的影响：随着终端支持的频段增多，射频芯片需提供的接收通道也要增加。

（2）对射频前端器件（滤波器、功放、开关等）的影响：频段增加对射频前端器件数量影响最大，随着终端支持频段数的增加，其器件数量将逐渐增加。每个频段需配置专门的滤波器或双工器，不可共用。不同模式支持相同频段时可共用滤波器或双工器。如果PA的工作带宽较宽，在该带宽内的多个相邻频段可以共用1个PA。

（3）对天线的影响：可单根或多根天线支持多个频段（例如：700 MHz—3.5 GHz），单根天线支持大带宽可能需要引入天线调谐模块，这将会引起成本的增加。

（4）对终端成本、体积和性能都带来挑战：性能挑战体现为网络搜索时间变长，系统间共存干扰引起射频性能下降等。

2.2 终端高功率发射需求与实现

4G时代，随着4G用户数量的急剧增加，分享类OTT（Over The Top）的普及以及实时视频电话、即拍即传等个性化上传业务的逐渐流行，热点地区用户上行流量呈爆发式增长。上下行对称的VoLTE业务商用进一步加剧了用户对上行资源的需求。对TD-LTE而言，上行资源偏少，上行速率受限已逐渐成为TD-LTE网络发展的瓶颈。针对上行受限问题，3GPP引入了高功率终端，最大发射功率可达26 dBm，相比于最大发射功率为23 dBm的4G普通终端提升了3 dB。经过现网测试验证，引入高功率终端可有效提升上行业务覆盖能力，显著改善小区边缘用户的业务体验，节省网络部署成本，同时还有助于提升VoLTE语音质量，改善VoLTE业务体验。

对于5G，由于5G采用的主流频段比4G要高，因此存在上行覆盖不足的问题。以5G采用3.5G频段，4G采用2.6G频段为例，从仿真结果来看，当终端采用单天线发射，发射功率为23 dBm时，3.5 GHz上行覆盖会比2.6 GHz差约5 dB。如图2所示，当终端采用双天线发射（使用发射分集）且总发射功率为26 dBm时，可有效提升3.5 GHz上行覆盖接近5 dB，增益分别体现在发射分集的2 dB和提高发射功率的3 dB，结果是上行覆盖效果和2.6 GHz相当。因此5G终端的设计需要考虑支持上行采用双天线高功率（26 dBm）发射，以增强上行覆盖。

图2 从单天线23 dBm到双天线26 dBm高功率的示意图

2.3 终端支持不同组网方案的需求与实现

5G组网存在两种典型的模式：一种是5G独立组网，不依赖于4G网络工作；另一种模式是5G非独立组网，仅具备数据面功能，依赖于4G网络工作。对于5G独立组网，5G系统单独建立一张端到端的全新网络，包括全新的5G无线接入网、全新的5G核心网以及完整的5G控制面和5G用户面。5G独立组网意味着无需依赖4G网络，就可以单独为用户提供通信服务。对于5G非独立组网，5G依赖于4G来实现部署和组网，目前最可能的实现方式是将控制面锚定在4G网络上（即4G承载控制信令），对于用户面数据则是5G网络和4G网络共同承载。

5G非独立组网的最大优点，一个好处是可以快速部署5G，因为不需要部署完整的5G端到端网络，只需部署5G基站来提高空口的传输能力；另一个好处是可以对5G进行局部部署，例如只在热点地区部署5G基站，由于信令锚点在4G网络上，由4G网络提供覆盖的连续性。但从长期发展来看，5G独立组网将是最终的解决方案。运营商部署5G，可以是如图3所示的渐进式部署方案，即先基于非独立组网方式快速部署，后期过渡到基于独立组网的部署方式，也可以是一步到位的部署方案，直接基于独立组网方式部署。不同的组网方式和部署方案对5G终端实现方案提出了需求，因此5G终端的设计需考虑同时支持独立组网和非独立组网两种组网模式，这有利于兼容5G网络选择不同的部署方案，有利于5G终端的广泛应用和全球漫游。

图3 从非独立组网到独立组网的5G渐进式部署示意图

2017年3月，在3GPP RAN第75次全体大会上，3GPP正式通过了5G加速的提案，即3GPP将在R15版本内，加速5G新空口的标准进程，将5G非独立组网特性提前至2017年12月完成。2018年3月冻结ASN.1，而5G独立组网特性将于2018年6月完成，2018年9月冻结ASN.1。由于非独立组网的标准提速，终端有可能考虑先依据3GPP标准支持非独立组网模式，然后再支持独立组网模式，为避免增加改造成本，5G终端在设计之初需要考虑非独立组网模式和独立组网模式共平台的设计方案。

图4 5G语音方案示意图

3 与业务有关的终端关键技术分析

随着4G网络的全面覆盖和智能手机的普及，以微信、QQ、Skype等为代表的即时通讯（IM）软件已经日渐成为人们相互沟通联系的工具和手段。然而传统的电话业务作为移动通信中最基本的通信方式，始终以其高质量、高可靠性、可信赖等优点，仍然被手机用户广泛使用。

围绕4G时代的语音业务，业界提出了多种解决方案供商用选择，如CSFB方案、双待机（单卡双待）方案和VoLTE方案，主要区别是VoLTE方案是基于LTE的分组域提供语音业务，而其他方案如CSFB和双待机方案则通过2G/3G的电路域来提供语音业务。相对于电路域方案来说，使用LTE IMS提供VoLTE语音业务有以下两个优势：一方面，LTE具有很高的频谱利用率；另一方面，LTE IMS能提供更好的用户体验，语音清晰、时延短，并且可以融合视频多媒体等多种业务，因此，VoLTE是4G时代的主流语音解决方案。由于VoLTE方案的成熟普及存在一个逐步推进的过程，直到LTE全面覆盖、全网具备VoLTE应用条件后才发展到全网部署，因此在过渡期间存在其他语音方案的需求，CSFB方案和双待机方案作为过渡方案都有应用。

5G作为4G的演进和发展，5G时代的语音方案从趋势来看还会由IMS提供会话控制和基本业务，即IMS Voice over 5G。语音业务不仅要求在各种网络下能够使用语音进行通信，而且要求能够在不同网络覆盖区域下保持语音持续。5G的引入是一个渐进的过程，因此需要考虑5G覆盖不足场景下语音业务从5G转移到4G的话音连续性问题。另外，不同的组网方案，即5G采用独立组网还是非独立组网，对5G的语音方案也有较大影响。

图4列出了多种5G语音方案。对于5G非独立组网方式，由于控制面锚定在4G网络上，语音业务使用VoLTE方案是一个自然的选择。而对于5G独立组网方式，3GPP已开展了相关研究，根据4G核心网和5G核心网之间是否有Nx接口，对5G覆盖不足情况下语音业务转移到4G的连续性问题，提出了单注册和双注册两种方案，并通过决议要求终端必选单注册方案。有公司在3GPP还提出了回落4G（EPS Fallback）的语音方案，即终端在5G上起呼时回落4G，建立VoLTE语音业务，回落方式可以是切换，该方案仍在3GPP讨论中。此外，从终端实现角度出发，双待机方案也是一种实现可能，该方案对标准化和网络升级无要求，但对终端定制化要求较高，需要考虑双待功耗、跨待互操作和将来能否升级支持5G语音方案等问题。总之，5G终端在设计之初需要考虑语音方案的选择，以支持语音业务。

智能终端呈现多元化发展，增强现实（AR）设备、虚拟现实（VR）设备面向游戏、视频等交互式业务应用，为用户带来沉浸式的感官体验。AR/VR业务对网络带宽要求较高，数据传输可高达Gb/s，同时，AR/VR业务要求更低的交互时延，使业务应用有更逼真的互动体验。无人机厂商面向垂直行业领域，提供航拍图传、农业植保、搜索救援等解决方案。无人机除了对网络有大带宽、低时延的传输需求，也要求控制连接的可靠性，以保障无人机的安全控制与飞行。智能汽车、机器人等新型智能终端也在技术及应用场景方面进行积极探索，推出原型概念产品，同样对网络提出大带宽、低时延、高可靠的连接需求。

目前新形态终端与蜂窝通信网络的结合还处于初级阶段，AR/VR、无人机等设备主要依靠有线或Wi-Fi连接入网进行实时数据传输。有线的连接方式降低了终端移动的自由度，大大限制了新形态终端的应用场景。Wi-Fi存在覆盖不连续，传输时延大，连接可靠性低等问题，无法为新形态终端提供无缝覆盖、可靠连接。

5G技术恰恰可以满足新形态终端对于网络带宽、覆盖和时延的要求，5G终端形态将逐步从数据类终端、智能机扩展到新形态终端（VR/AR、无人机等），需对新形态终端进行进一步的研究及推动，借助5G网络大带宽、低时延、高可靠的连接特性，助力5G终端多形态、业务多样化的发展。

图5 ITU定义的5G关键能力

4 与性能指标有关的终端关键技术分析

4.1 5G性能指标要求

根据ITU发布的5G愿景白皮书（ITU-R M.2083建议书），5G系统将满足增强的移动宽带、海量的机器间通信、超高可靠和超低时延通信三大类主要应用场景，如图5所示。5G将支持100 Mb/s～1 Gb/s的用户体验速率，10 Gb/s-20 Gb/s的峰值速率，500公里/小时的移动速度，100万/平方千米的连接数密度，1 ms的空口时延，相对4G提升3～5倍的频谱效率等关键能力指标。

4.2 5G高速率需求与实现

如4.1节所述，与4G相比，5G有更高的速率需求，5G将支持100 Mb/s～1 Gb/s的用户体验速率，10 Gb/s～20 Gb/s的峰值速率。影响终端峰值速率的主要因素为带宽、调制方式、天线数量等。带宽受限于频谱资源，调制方式在4G阶段已达到上下行256QAM，提升到更高阶调制方式将极为困难。多天线是实现终端高速率的关键手段，天线数量的增多可以使终端速率实现成倍的提升。20世纪90年代美国贝尔实验室对多天线技术进行了专门的研究，发现了多天线技术的容量在高信噪比下随收发天线数目线性增加。1996年Foschini等首先提出MIMO系统的一种实现结构BLAST，并证明其可将传统无线链路的容量提升20～30倍。

目前4G终端的天线现状如下：

（1）终端天线数目较多：典型4G手机至少支持6个天线单元，包括常规2个LTE天线以及GSM、GPS、WLAN/BlueTooth、NFC等天线，支持带间载波聚合的手机会在LTE上具备更多并发天线。

（2）目前部分旗舰手机已支持下行4天线：LTE 4天线用于下行接收，预计上行支持2天线设计难度不大，但受限于PA等成本较高。

终端天线数量主要受限于频段、手机尺寸、材质、天线布局。终端尺寸越大天线越容易设计；频段越高对终端尺寸的要求就越宽松，实现多天线越容易；非金属手机会比金属手机更容易实现多天线。从天线设计角度来看，在Sub 6 GHz普通商用终端上支持多于4天线接收的设计难度较大；在毫米波等高频段，由于高频天线尺寸小，多天线设计更具可行性；在尺寸较大的CPE及Tablet上可支持更多数量的天线，如8个接收天线等。因此，对于小尺寸终端，如智能手机，可考虑支持2发4收，而对于大尺寸终端（CPE等），可考虑支持4发8收。图6给出了2发4收的终端射频设计参考示意图。

图6 2发4收的终端射频设计参考示意图

4.3 5G高速移动需求与实现

终端的移动会在基站和终端之间产生多普勒频移，当移动用户在高速移动过程中，例如在高铁场景，产生的多普勒频移尤其明显。多普勒频移会使接收机和发射机之间产生频率误差，影响链路性能，还会对系统容量和覆盖产生影响。多普勒频移的大小与相对运动速度有关，计算公式是：

其中，θ为终端移动方向与信号传播方向的夹角；v是终端的移动速度；c是电磁波传播速度；f是载波频率。

3GPP对4G的高速移动需求是支持最大350 km/h的移动速度，多普勒频偏要求是最大支持±875 Hz（2.7G频段）。如4.1节所述，3GPP对5G的高速移动需求是支持最大500 km/h的移动速度，加上5G使用的主流频段高于4G，更高的速度以及更高的频段将导致产生更大的多普勒频偏，这对5G终端的实现带来了更大的挑战。以5G采用3.5G频段为例，按照多普勒频移计算公式，终端在500 km/h移动速度下对应的最大多普勒频偏是±1 620 Hz，远高于4G定义的多普勒频偏要求。5G终端的多普勒频偏纠偏性能直接影响5G终端的驻网成功率和业务成功率。如果5G终端不能采取有效方法应对如此高的多普勒频偏，则会对通信质量产生严重影响。

图7 多径信号的信号功率和多普勒频移示意图

此外，高铁组网方案也对5G终端实现带来了较大影响。4G高铁组网的典型方案是RRU（无线拉远单元，或称为RRH）对打小区合并的组网方式，该组网方式将多个RRU覆盖区域合并成一个小区，扩大了小区覆盖范围，减少了小区间的切换次数以提升网络性能。但该组网方式对终端实现提出了较高的要求，如图7所示，由于RRU的对打方式，终端将收到来自同一小区不同RRU的2条以上多普勒频偏方向相反的多径信号。若终端采用传统的单径解调方案，两条频偏相反的信号进行叠加，会导致终端侧SINR有一定幅度的下降，从而影响用户的传输速率。

3GPP RAN4已开展了提升LTE终端解调能力的研究，并在2016年11月底完成LTE射频指标的制定，终端只有采用多径解调方案才能支持该射频指标。5G高铁组网预计将沿用RRU对打小区合并的组网方式，因此5G终端的设计需要考虑支持存在相反多普勒频偏的多径信道解调。

5 结束语

相对于4G技术，5G的多种组网方案、支持更多的业务以及更高的性能指标对终端提出了更高的要求，对终端实现带来了更大的挑战。从5G组网需求角度出发，由于5G将与现网已部署的多种网络制式长期共存，使得终端需要考虑支持5G多模多频，以便终端实现全球漫游；5G采用的主流频段比4G高，存在上行覆盖不足的问题，终端需要考虑上行采用高功率（26 dBm）发射，以增强上行覆盖。不同的组网方式和部署方案对5G终端实现方案提出了需求，因此5G终端的设计需要考虑同时支持独立组网和非独立组网两种组网模式，有利于兼容5G网络选择不同的部署方案，有利于5G终端的广泛应用和全球漫游。

从业务需求角度出发，语音业务一直以来都是基本通信业务，终端在设计之初需考虑语音方案的选择，以支持语音业务。5G终端形态将逐步从数据类终端、智能机扩展到新形态终端（VR/AR、无人机等），需对新形态终端进行进一步的研究及推动。从性能需求角度出发，针对5G的高速率需求，终端多天线技术是实现高速率的关键手段，因此终端需要考虑多天线的发射和接收设计。3GPP对5G的高速移动需求是最大500 km/h的移动速度，加上5G使用的主流频段高于4G，更高的速度以及更高的频段将导致产生更大的多普勒频偏，终端需进一步研究如何提升多普勒频偏纠偏性能。这些需求都需要整个产业做进一步的深入研究，以快速推动5G的顺利商用。

[1]IMT-2020推进组. 5G愿景与需求白皮书[S]. 2014.

[2]3GPP TR 38.801. Study on New Radio Access Technology;Radio Access Architecture and Interfaces[S]. 2016.

[3]3GPP TR 38.803. Study on New Radio Access Technology;RF and Co-Existence Aspects[S]. 2016.

[4]3GPP TR 38.804. Study on New Radio Access Technology;Radio Interface Protocol Aspects[S]. 2016.

[5]3GPP TR 38.913. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2016.

[6]ITU-R M.2083-0. IMT Vision: Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[7]Foschini G J, Gans M J. On limits wireless communications in a fading environment when using multiple antennas[J].Wireless Personal Communication, 1998,6(3): 331-335.

Research and Discussion on Key Techniques for 5G Terminals

RUAN Hang, DONG Wenjia, SONG Dan, MA Shuai
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

In contrast to 4G technology, 5G poses higher requirements to 5G terminals due to its multiple networking modes,supporting more services and higher performance metrics. This brings greater challenges to the implementation of terminals. Compared with key techniques of 4G terminals, key techniques of 5G terminals were comprehensively analyzed according to the 5G networking, service and performance requirement. Corresponding implementation proposal of the terminal technology was presented according to the key techniques above to provide the technical reference to the design of 5G terminals.

5G terminal multi-mode multi-band terminal standalone networking non-standalone networking

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.011

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0060-07

阮航,董文佳,宋丹,等. 5G终端若干关键技术研究及探讨[J]. 移动通信, 2017,41(18): 60-66.

2017-07-04

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

阮航：高级工程师，硕士毕业于华中科技大学，现任职于中国移动通信集团公司研究院，从事终端无线通信新技术研究与验证工作。

董文佳：研究员，硕士毕业于华北电力大学（北京），现任职于中国移动通信集团公司研究院，从事无线通信及终端测试新技术研究工作。

宋丹：高级工程师，博士毕业于北京航空航天大学，现任职于中国移动通信集团公司研究院，从事终端硬件及射频关键技术研究等工作。