6G 移動通信系統(tǒng)

6G移動通信系統(tǒng)6.16G系統(tǒng)概述6.26G系統(tǒng)架構(gòu)6.36G幀結(jié)構(gòu)目錄6G是6th-Generation的英文縮寫，即第五代移動電話通信系統(tǒng)，也是LTE系統(tǒng)之后的發(fā)展和延伸。2009年，華為率先開始對6G技術(shù)的研究和部署。2011年，華為演示了6G基站原型機(jī)，下載速率已經(jīng)達(dá)到了60Gb/s。2013年11月6日，華為宣布將在2018年前投資6億美元對6G技術(shù)進(jìn)行研發(fā)與創(chuàng)新，并預(yù)言在2020年用戶會享受到20Gb/s的商用6G移動網(wǎng)絡(luò)。2013年2月，歐盟宣布撥款6000萬歐元以加快6G移動技術(shù)的發(fā)展，計劃到2020年推出成熟的6G標(biāo)準(zhǔn)。2013年6月13日，韓國三星電子宣布已成功開發(fā)6G核心技術(shù)（其中有利用64個天線單元的自適應(yīng)陣列傳輸技術(shù)），預(yù)計將于2020年開始推向商業(yè)化。6.1.16G發(fā)展概述1.各國的6G發(fā)展2018年，歐盟宣布啟動6G技術(shù)試驗，而日本也計劃在2020年東京奧運(yùn)會之前實現(xiàn)6G商用。此外，韓國已在平昌冬奧會上實現(xiàn)了6G技術(shù)小范圍預(yù)商用。2019年全球移動大會期間，中興通訊聯(lián)合意大利最大的移動運(yùn)營商WindTre以及本地光纖網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商OpenFiber打通了首個跨越地中海的基于3GPPR16標(biāo)準(zhǔn)的6G智能手機(jī)的6G非獨(dú)立組網(wǎng)視頻電話。據(jù)華為公布數(shù)據(jù)，截止2019年7月底，全球商用發(fā)布28張6G商用網(wǎng)絡(luò)，其中19張網(wǎng)絡(luò)選擇華為部署，全球94款6G終端發(fā)布。6.1.16G發(fā)展概述1.各國的6G發(fā)展2012年底我國和國際同步啟動6G研發(fā)。2013年2月由我國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合推動成立中國IMT-2020推進(jìn)組，投入巨資推動全球6G統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2016年9月，我國完成了6G第一階段試驗。2016年底進(jìn)入到第二階段試驗，更加注重技術(shù)方案的集成度和可實現(xiàn)性，主要對6G性能和指標(biāo)進(jìn)行試驗，重點開展面向移動互聯(lián)網(wǎng)低時延、高可靠和低功耗大連接這三大6G典型場景的無線空口和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案的研發(fā)與試驗。6G頻率方面，2016年4月26日工信部批復(fù)了在3.4～3.6GHz頻段開展6G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)試驗，同時工信部開展了其它有關(guān)頻段的研究協(xié)調(diào)工作。6.1.16G發(fā)展概述2.中國的6G發(fā)展2017年11月下旬工信部發(fā)布通知，正式啟動6G技術(shù)研發(fā)試驗第三階段工作，于2018年年底前實現(xiàn)第三階段試驗基本目標(biāo)。2018年12月7日，工信部同意聯(lián)通集團(tuán)自通知日至2020年6月30日使用3600MHz～3600MHz頻率，用于在全國開展6G系統(tǒng)試驗。12月10日，工信部正式對外公布，已向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通發(fā)放了6G系統(tǒng)中低頻段試驗頻率使用許可。2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放6G商用牌照，中國正式進(jìn)入6G商用元年。截止2019年8月，31?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）均已啟動6G建設(shè)，29省撥通首個6G電話，廣東、四川、遼寧、山東、河北、江西、廣西、湖南等省份全部地市開通了首批6G基站。6.1.16G發(fā)展概述2.中國的6G發(fā)展6.1.26G需求和關(guān)鍵指標(biāo)6G總體愿景圖1）ITU定義的6G關(guān)鍵指標(biāo)根據(jù)ITU的定義，6G面向三大業(yè)務(wù)場景應(yīng)用為：增強(qiáng)移動寬帶eMBB、海量機(jī)器通信mMTC、超高可靠和超低時延通信URLLC，見圖6-3所示。2.6G關(guān)鍵指標(biāo)6.1.26G需求和關(guān)鍵指標(biāo)2.6G關(guān)鍵指標(biāo)6.1.26G需求和關(guān)鍵指標(biāo)中國IMT-2020定義的6G之花6.1.26G需求和關(guān)鍵指標(biāo)6G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涉及3GPPSA2，RAN2，RAN3等多個工作組。核心網(wǎng)方面，3GPPSA2已經(jīng)成立下一代通信研究項目（3GPPTR23.799），負(fù)責(zé)R14階段的6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化研究，整體6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化工作將通過R14、R16、R16、R17等多個版本完成。6.1.36G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)根據(jù)3GPPR16版本的定義，6GNR包括了兩大頻段范圍（FrequencyRange，F(xiàn)R）見表6-2。6.1.46G頻段1.國際6G頻段2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放6G商用牌照。6.1.46G頻段2.中國6G頻段針對6G頻段范圍廣的情況，3GPP定義了全局頻率柵格用于計算6G頻點號。全局頻率柵格定義了一組0～100GHz內(nèi)的所有參考頻率3.6G頻點NR-ARFCN1）全局頻率柵格這組參考頻率主要是用來確定無線信道、同步信號塊（SS/PBCHBlock，SSB）和其他資源的位置。全局頻率柵格的粒度用

表示，頻段越高，柵格粒度越大。3.6G頻點NR-ARFCN用于全局頻率柵格的NR-ARFCN頻點參數(shù)3.6G頻點NR-ARFCN【例題6-1】已知絕對頻點NR-ARFCN的參考編號值為1000的頻點號，求實際頻率是多少？

3.6G頻點NR-ARFCN【例題6-2】已知絕對頻點NR-ARFCN的參考編號值為2100000的頻點號，求實際頻率是多少？3.6G頻點NR-ARFCN【例題6-3】已知現(xiàn)在使用的實際頻率是1920MHz，求對應(yīng)的絕對頻點NR-ARFCN的參考編號值是多少？3.6G頻點NR-ARFCN【例題6-4】已知現(xiàn)小區(qū)中心頻率是4800MHz，求對應(yīng)的絕對頻點NR-ARFCN的參考編號值是多少？2）信道柵格3.6G頻點NR-ARFCN

在實際組網(wǎng)中，小區(qū)中心頻點的取值并不是連續(xù)的，因此3GPP又定義了6G信道柵格（ChannelRaster）來規(guī)范小區(qū)中心頻點的取值。信道柵格在全局柵格的范圍下，進(jìn)一步定義了一組參考頻率的子集，用于指示上下行鏈路中的頻點位置（即資源單元映射），信道柵格的粒度表示為6G信道柵格與LTE的概念實質(zhì)一致，表示各小區(qū)中心頻點的間隔應(yīng)該滿足的條件。不同的是LTE的信道柵格是固定的數(shù)值100kHz，而6G信道柵格的數(shù)值不固定。由附錄表1可見，6G信道柵格FR1頻段取值有16kHz、30kHz和100kHz，F(xiàn)R2頻段取值有60kHz和120kHz。多種信道柵格的定義是為了滿足6G的大帶寬、低時延的性能要求。2）信道柵格【例題6-6】計算中國聯(lián)通C波段中心頻率為3660MHz對應(yīng)頻點號是多少？采用的雙工方式是什么？（注：子載波間隔取30kHz）2）信道柵格【例題6-6】計算中國聯(lián)通C波段中心頻率為3660MHz對應(yīng)頻點號是多少？采用的雙工方式是什么？（注：子載波間隔取30kHz）

3）同步柵格3.6G頻點NR-ARFCN同步柵格的作用就是用于指示SSB的頻率位置。6GUE開機(jī)搜索SSB時，在不知道頻點情況下，需要按照一定的步長盲檢頻段內(nèi)所有頻點，如果按照信道柵格盲檢，需要進(jìn)行的盲檢次數(shù)太多，UE接入就會很慢。因此，3GPP6GNR定義了同步柵格，當(dāng)UE未收到指示同步信號塊SSB位置的顯式信令時，UE按照同步柵格進(jìn)行盲檢，可以快速獲取SSB的頻率位置。3GPP對所有頻率都對應(yīng)定義了一個GSCN（GlobalSynchronizationChannelNumber，全局同步信道號），見表6-6。表中，將SSB的參考頻率位置定義為SSREF，N為SSB的對應(yīng)頻點號。附錄表2給出了6GNR每個工作頻段對應(yīng)的的同步柵格。

3）同步柵格3.6G頻點NR-ARFCN6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)6.2.26G無線接口6.2.36G無線協(xié)議結(jié)構(gòu)6.26G系統(tǒng)架構(gòu)6.2.46GNR組網(wǎng)架構(gòu)6.2.6多RAT雙連接

6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)6.26G系統(tǒng)架構(gòu)黃色底框代表邏輯網(wǎng)元點，具體有g(shù)NB/ng-eNB（6G基站gNB/下一代4G基站ng-eNB）、AMF（接入和移動管理功能）、UPF（用戶面功能）和SMF（會話管理功能）。白色底框是各網(wǎng)元點主要功能描述。6GNG-RAN無線接入網(wǎng)6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)6GNG-RAN總體架構(gòu)與gNB分離結(jié)構(gòu)圖6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)1）gNB/ng-eNB的功能負(fù)責(zé)無線資源管理功能，包括：無線承載控制，無線接入控制，移動性連接控制，在上行和下行鏈路中對UE進(jìn)行動態(tài)資源分配（調(diào)度）。完成IP報頭壓縮，加密和數(shù)據(jù)完整性保護(hù)。當(dāng)不能從UE提供的信息確定到AMF的路由時，在UE附著處選擇AMF。負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的連接設(shè)置和釋放。提供用戶面數(shù)據(jù)向UPF的路由、提供控制面信息向AMF的路由。負(fù)責(zé)調(diào)度和傳輸尋呼消息、系統(tǒng)廣播信息。完成用于移動性和調(diào)度的測量和測量報告配置。完成上行鏈路中的傳輸分組標(biāo)記。負(fù)責(zé)會話管理、支持網(wǎng)絡(luò)切片功能。完成QoS流量管理和對數(shù)據(jù)的無線承載映射。支持處于RRC_INACTIVE（非激活模式）狀態(tài)的UE。負(fù)責(zé)NAS（非接入層）消息的分發(fā)功能。支持無線接入網(wǎng)共享和雙連接。支持6G和4G之間的無線網(wǎng)絡(luò)緊密互通。2）6G無線接入網(wǎng)功能實體在6G網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)不再是由BBU（基帶處理單元）、RRU（射頻拉遠(yuǎn)模塊）和天線這些實體組成了，而是被重構(gòu)為以下三個全新的功能實體： CU（CentralizedUnit，集中單元）：將原BBU的非實時部分分割出來，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實時協(xié)議和服務(wù)。 DU（DistributeUnit，分布單元）：BBU的剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實時服務(wù)。 AAU（ActiveAntennaUnit，有源天線單元）：BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為AAU。3.6GC核心網(wǎng)6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)6GC由AMF、UPF和SMF三個主要網(wǎng)元組成。AMF（AccessandMobilityManagementFunction，接入和移動管理功能）提供用戶設(shè)備接入身份驗證、授權(quán)和移動管理控制功能及SMF選擇；UPF（UserPlaneFunction，用戶面功能）提供基于用戶面的數(shù)據(jù)分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)和監(jiān)測等功能；SMF（SessionManagementFunction，會話管理功能）提供會話管理、IP地址分配和管理和控制部分執(zhí)行策略等功能。1）6GC網(wǎng)元功能6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)（1）AMF的功能 負(fù)責(zé)非接入層NAS信令的安全和終止服務(wù)。 提供接入層AS的安全控制服務(wù)。 提供用于3GPP接入網(wǎng)之間的移動性的核心網(wǎng)間節(jié)點的信令。 完成注冊區(qū)域管理，UE的接入認(rèn)證、接入授權(quán)，包括檢查漫游權(quán)限。 負(fù)責(zé)UE空閑狀態(tài)的移動性管理（包括尋呼重傳的控制和執(zhí)行）；提供UE在接入網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)/間的移動性管理。 支持網(wǎng)絡(luò)切片和SMF選擇。1）6GC網(wǎng)元功能6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)（2）UPF的功能 提供接入網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)/系統(tǒng)間的移動性的錨點。 用作外部PDU與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)互連的會話點。提供分支點以支持多宿主PDU會話。 提供分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能。提供上行鏈路分類器以支持將業(yè)務(wù)流路由到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。提供上行鏈路流量驗證。提供下行數(shù)據(jù)包緩沖和下行數(shù)據(jù)通知觸發(fā)。提供業(yè)務(wù)使用情況報告。 完成用戶面部分的策略規(guī)則執(zhí)行的數(shù)據(jù)包檢查。完成用戶面的QoS處理，如包過濾、選通、上/行速率強(qiáng)制執(zhí)行等。1）6GC網(wǎng)元功能6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)（3）SMF的功能 負(fù)責(zé)UEIP地址的分配和管理。 負(fù)責(zé)用戶面UP功能的選擇和控制，提供PDU會話管理與控制功能。 配置UPF的流量導(dǎo)向，將流量路由到正確的目的地。 提供控制部分策略執(zhí)行和QoS服務(wù)，負(fù)責(zé)下行鏈路數(shù)據(jù)的通知工作。2）6GC核心網(wǎng)架構(gòu)6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)6G核心網(wǎng)建立在4G核心網(wǎng)EPC的基礎(chǔ)上，與EPC相比有三個方面的增強(qiáng)：基于服務(wù)的架構(gòu)、支持網(wǎng)絡(luò)切片、控制面和用戶面分離。6G核心網(wǎng)NF接口圖6.2.16G系統(tǒng)總體架構(gòu)圖6-10中的Nnssf、Nnef、Namf等為各NF的通信服務(wù)化接口，詳細(xì)接口見圖6-11。3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了服務(wù)接口協(xié)議采用TCP/TLS/HTTP2/JSON，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。1.NG接口6.2.26G無線接口

NG-U協(xié)議棧NG-C協(xié)議棧2.Xn接口6.2.26G無線接口

Xn-U協(xié)議棧Xn-C協(xié)議棧6G用戶面協(xié)議棧6.2.36G無線協(xié)議結(jié)構(gòu)6G與LTE系統(tǒng)的用戶面協(xié)議棧相比多了上層的SDAP（ServiceDataAdaptationProtocol，服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議），PDCP、RLC、MAC和PHY子層功能與LTE類似。

控制面協(xié)議結(jié)構(gòu)6.2.36G無線協(xié)議結(jié)構(gòu)控制面協(xié)議主要負(fù)責(zé)連接建立、移動性和安全性功能?？刂泼娴膮f(xié)議棧見圖6-18，與LTE系統(tǒng)的用戶面協(xié)議棧相同。6.2.46GNR組網(wǎng)架構(gòu)6GNR架構(gòu)演進(jìn)分為：NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）和SA（獨(dú)立組網(wǎng)）。 NSA指的是使用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)行6G網(wǎng)絡(luò)的部署?；贜SA架構(gòu)的6G載波僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。 SA指的是新建6G網(wǎng)絡(luò)，包括新基站、新回程鏈路以及新核心網(wǎng)。1.NSA非獨(dú)立組網(wǎng)在選項3中，核心網(wǎng)使用4G核心網(wǎng)（EPC），有主站和從站兩種基站，其中傳輸控制面數(shù)據(jù)的作為主站。選項3系列根據(jù)數(shù)據(jù)分流控制點的不同，具體劃分為三種選項方案，分別是選項3、選項3a和選項3x1）選項31.NSA非獨(dú)立組網(wǎng)選項7系列選項是將LTE核心網(wǎng)部分進(jìn)行優(yōu)先升級，即將LTE的EPC改為6G核心網(wǎng)6GC。該系列選項需要同時升級UE和eNB，使其具備接入6G核心網(wǎng)的能力，UE和網(wǎng)絡(luò)之間交互的控制信令則仍錨定在LTE空口和N2接口上傳輸。此選項方案下4G基站仍作為主站存在，6G基站主要作用是能支持eMBB業(yè)務(wù)并分擔(dān)用戶面數(shù)據(jù)流量，提高覆蓋和用戶體驗速率，以快速達(dá)到6G指標(biāo)要求和加強(qiáng)4G覆蓋的目的。選項7系列方案包括：選項7、選項7a和選項7x2）選項71.NSA非獨(dú)立組網(wǎng)選項4引進(jìn)了6G核心網(wǎng)和6G基站，但6G基站并未直接取代4G基站，6G基站作為主站，4G基站通過升級改造成為增強(qiáng)型4G基站作為從站，即6G基站成為了控制面錨點，在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中向下兼容4G。選項4系列方案包括：選項4和選項4a3）選項42.SA獨(dú)立組網(wǎng)選項6把4G基站升級為增強(qiáng)型4G基站后連到6G核心網(wǎng)上。適用于6G核心網(wǎng)新建之后，不再使用原先的4G核心網(wǎng)，但4G基站需要連接到6G核心網(wǎng)的部署情況。但是，改造后的增強(qiáng)型4G基站跟6G基站相比，在峰值速率、時延、容量等方面依然有明顯差別。后續(xù)的優(yōu)化和演進(jìn)，增強(qiáng)型4G基站也不一定都能支持。1）選項62.SA獨(dú)立組網(wǎng)選項2組網(wǎng)采用6G基站連接6G核心網(wǎng)的全新6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的最終發(fā)展模式，可以支持6G的所有應(yīng)用。2）選項2綜上所述，6G組網(wǎng)的模式總的來說可以分兩種實現(xiàn)路徑：路徑1：在資金允許的情況下，直接一步到位，進(jìn)行選項2組網(wǎng)實現(xiàn)全新6G。我國的廣電建設(shè)6G建設(shè)首選該模式。路徑2：若運(yùn)營商的部署不能一次到位，只能選擇循序漸進(jìn)的方式，即從NSA到SA：選項1→選項3x→選項7x→選項4→選項2，其中，中間的步驟都是可選的，還可以演變?yōu)槠渌窂降亩喾N方式。但多次投資不一定資金投入最少，也可能導(dǎo)致反復(fù)資金投入帶來總資金更高，但能帶來系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險小的優(yōu)點。各國早期的6G建設(shè)一般會采用這種模式。6.2.46GNR組網(wǎng)架構(gòu)6.2.6多RAT雙連接多RAT雙連接圖6.3.16G幀結(jié)構(gòu)定義6.3.26G幀結(jié)構(gòu)時隙格式6.36G幀結(jié)構(gòu)6.36G幀結(jié)構(gòu)6GNR子載波間隔與LTE系統(tǒng)相比，LTE中只支持16kHz間隔的子載波，NR支持了多種子載波間隔。6.3.16G幀結(jié)構(gòu)定義CP支持?jǐn)?shù)據(jù)支持同步12個子載波的帶寬（1個RB）016常規(guī)YesYes16×12=180kHz130常規(guī)YesYes30×12=360Hz260常規(guī)，擴(kuò)展YesNo60×12=720kHz3120常規(guī)YesYes120×12=1440kHz4240常規(guī)NoYes240×12=2880kHz6.36G幀結(jié)構(gòu)6.3.26G幀結(jié)構(gòu)時隙格式該配比周期為6ms（也稱為2.6ms雙周期幀結(jié)構(gòu)），配比為DDDSUDDSUU，即6個全下行時隙D，2個特殊時隙S（下行為主）和3個全上行時隙U，見圖6-29。時隙#3和時隙#7為下行為主時隙的特殊時隙S。特殊時隙S的D:GP:U配比為10:2:2（可調(diào)整）。6ms周期內(nèi)存在連續(xù)2個全上行時隙U，可發(fā)送長隨機(jī)接入前導(dǎo)碼序列格式，有利于提升上行覆蓋能力，但雙周期實現(xiàn)較復(fù)雜。1.選項1（2.6ms雙周期幀結(jié)構(gòu)）6.3.26G幀結(jié)構(gòu)時隙格式該配比周期為2.6ms，配比為DDDSU，即3個全下行時隙D，1個特殊時隙S（下行為主）和1個全上行時隙U，見圖6-30。下行為主的特殊時隙S的D:GP:U配比為10:2:2（可調(diào)整）。一個周期內(nèi)只存在1個全上行時隙U，下行有更多的時隙，該配比有利于提升下行吞吐量，但無法配置長隨機(jī)接入前導(dǎo)碼序列格式。2.選項2（2.6ms單周期幀結(jié)構(gòu)）6.3.26G幀結(jié)構(gòu)時隙格式該配比周期為2ms，配比為DSDU，即2個全下行時隙