第四代移动通信系统（4G）的快速部署和渗透不仅带来了移动互联网业务的空前繁荣，也催生着新的业务和应用。随着 4G 的成功商用，研究人员开始将目光投向新一代移动通信系统——5G。5G旨在提供更高数据速率、更低延迟、极高的可靠性、极高流量密度以满足增强的移动宽带、超低时延超高可靠、大连接等场景下的未来业务需求^[1]。为了实现这些能力，5G系统需要支持更大的带宽、更多的天线、更高的处理能力、更灵活的协议和硬件结构，这些都构成了对基站和系统的设计和实现提出了代际更替要求，对基站的产品研发提出了非常高的挑战。

考虑到 5G 从技术研究到标准和产品的整个周期大为缩短，这就要求 5G 的发展要以超常规的方式来推进，实现技术成熟、标准制定和产品化的齐头并进。随着5G的第一个完整的标准版本Release 15在2018年6月的功能冻结，5G的产业化推进进入最后冲刺阶段，基于 5G 标准的技术实验和外场测试对加速 5G 的商用进程尤为关键。为此，在IMT-2020推进组的统筹规划下，国内三大运营商纷纷开始了面向5G的规模实验。

本文结合产业的最新进展，介绍 5G 预商用基站系统设计和优化，特别是面向3.5 GHz的上行覆盖增强技术（SUL，supplementary uplink）及其仿真性能评估，并开展 5G 基站样机的外场实验，对5G 系统的单用户峰值吞吐量、多用户吞吐量、室内外覆盖的能力和时延进行了详细的测试和验证。

对于 5G 基站样机的设计，需要考虑的主要包括空口的基本参数和大规模天线的设计和优化。

工作频段：3 400～3 600 MHz，系统带宽≥100 MHz^[2,3]。

波形：下行链路采用循环前缀-正交频分复用（CP-OFDM，cyclic prefix-orthogonal frequency division multiplexing）；上行链路采用CP-OFDM和离散傅里叶变换扩频 OFDM（DFT-S-OFDM，digital Fourier transform spread orthogonal frequency divi sion multiplexing）^[4]；支持为免调度物理上行共享信道（PUSCH，physical uplink share channel）配置波形；支持通过重新配置或物理下行控制信道（PDCCH，physical downlink control channel）指示调整上行波形。

链路的多址：支持上行链路和下行链路的正交多址（OFDMA，orthogonal frequency division multiple access）。

信道编码：上行链路和下行链路数据信道采用低密度检验码（LDPC，low density parity check code），上行链路和下行链路控制通道采用Polar码^[5]。

调制方案：下行链路支持 QPSK（quadrature phase shift keying）、16QAM（QAM，quadrature amplitude modulation）、64QAM和256QAM；上行链路支持$\frac{\pi }{2}-BPSK$（BPSK，binary phase shift keying），BPSK，QPSK，16QAM 和 64QAM，建议使用256QAM^[6]。

MIMO（multiple input and multiple output）：下行单用户MIMO支持4个下行链路MIMO层，建议使用8个下行链路MIMO层；上行链路单用户MIMO支持2个上行链路MIMO层，建议使用4 个上行链路 MIMO 层；下行链路多用户 MIMO支持的层数≥16，上行链路多用户 MIMO 支持的层数≥8；支持基于覆盖要求的公共 PDCCH 覆盖增强，如系统信息块（SSB,system synchronization/public broadcast channel block），信道状态信息参考符号（CSI-RS,channel status information reference signal），剩余最小系统消息（RMSI,remaining minimum system information）等；根据上行链路探测导频（SRS,sounding reference signal）或测量报告^[7]，区分UE选择下行链路波束以增加覆盖范围。

假设100 MHz带宽中，下行链路的资源配置占70%，上行链路的资源配置占 20%，保护间隔占10%。单用户峰值速率要求为：下行链路1.3 Gbit/s （256 QAM，不少于4个数据流）或者2 Gbit/s （64 QAM，不少于8数据流）；上行链路175 Mbit/s （64 QAM，2个数据流）或者370 Mbit/s（64 QAM， 4个数据流）。多用户的小区峰值吞吐量要求为：下行大于4 Gbit/s（大于16个数据流），上行大于700 Mbit/s（大于8个数据流）。多用户MIMO技术的使用是5G系统提供更高速率的关键^[8]。5G样机帧结构如图1所示。

帧结构采用 2.5 ms 传输周期；支持 2～4 符号GP配置（例如4个符号GP）；#0、#1、#2时隙每2.5 ms固定为下行时隙。#3时隙是下行-GP-上行格式中的下行为主的时隙。SSB信号可以在#0、#1、#2及#3时隙中传输。#4时隙固定为上行时隙，随机接入信道可以在＃4时隙中传输。

对于基站样机的设计和开发，除200 W总发射功率和100 MHz带宽要求外^[2,3]，最大的挑战来自于大规模天线的设计和优化。

对于3.5 GHz频率，考虑铁塔对天面尺寸的要求，迎风面小于0.5 m²的要求、半波长的水平方向阵元间距，以及0.75波长的垂直方向间距，阵子的双极化等因素，一副天面总共可以布设192个阵子，每个阵子的极化方向96个，如图2所示，图中“×”表示交叉极化的2个天线阵元。

考虑系统性能的提升与硬件复杂度之间的折中，需要优化有源天线单元（AAU，active antenna unit）所支持的射频（RF，radio frequency）通道数，也就是独立的天线端口数。为便于基带的数字信号处理的优化，天线端口数通常选择 2的幂次，如2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个。

综合考虑不同天线端口数的物理能力对比，64通道天线在垂直维度上具有最好的波束扫描能力，适用于覆盖更加立体的环境，所以在后续的实验中将采用64通道的3D-MIMO天线。

对于支持 100MHz带宽，64通道天线端口的3.5 GHz 3D-MIMO天线，由于考虑RF和天线的一体化集成 AAU，需要定义 AAU 和基带处理之间的接口。考虑传统的（CPRI,common public radio interface）接口，对于100 MHz和64通道天线端口的3.5 GHz样机来说，如果考虑传统的CPRI接口、16 bit量化方式，CPRI的接口容量要求是259.5 Gbit/s，需要3根100 Gbit/s的光纤，特别是对于C-RAN （centralized radio access network）的集中化部署场景，对光纤的需求量将是非常巨大的，实际难以满足容量的要求。同时，由于目前前传接口的光模块成本比较高，导致基站成本大幅上升，所以需要考虑优化的解决方案，以及加快推动100 Gbit/s光模块的成熟和成本下降。

1) CPRI压缩

CPRI 压缩方案。通过降低采样率和量化比特数以降低接口带宽，比如 2.6:1 的压缩率，这样可以用一个100 Gbit/s的光模块满足容量的需求，大幅降低成本，同时光模块数量少，接口的复杂度低，对重量的增加最少。目前，100 Gbit/s 的光模块预计2020年前可以成熟，并且成本可以大幅度下降，满足2020年5G商用部署的需求。

2) 增强的公共无线接口标准（eCPRI,enhanced common public radio interface）

eCPRI接口方案。将一部分物理层（PHY层）功能上移到 AAU 中，如在下行仅传输编码后的数据，在上行仅传输空间处理（MIMO处理）之后的数据，如图3所示，从而降低前传接口带宽。

eCPRI 的基带上移可以有不同的定义，如图3所示，虚线以下或者实线以下的功能都可以上移到AAU，移动越多，对AAU的挑战越大。

eCPRI方案1 25 Gbit/s接口容量，AAU完成Digital BF、信道估计/均衡等功能。由于基带上移到AAU，为了降低对功耗、体积的影响，可能简化算法以降低处理复杂度，进而损失3D-MIMO的性能。

eCPRI方案2 2×25 Gbit/s接口容量，AAU主要完成digital BF的功能，如使用空间滤波相当于做了矩阵降维的处理，性能取决于算法实现，如滤波使用的导频（SRS或DMRS），性能需要验证。

对于eCPRI解决方案，虽然解决了接口容量的问题，但是带来了许多新的问题和风险，需要在后续产业化中充分重视和考虑，具体如下。

① 增加AAU的重量、体积和功耗，增加工程部署和施工难度。

② 物理层功能上移，为了优化重量、功耗和体积，可能简化算法性能，进而影响基站的整体性能。

③ 物理层功能上移，增加AAU的故障率，增加未来天面操作的概率，潜在增加网络维护成本。

④ 基带上移，现有的能力可能难以满足未来更先进、更复杂的物理层功能的要求，影响基站的前向兼容性。

整个大规模天线基站的几何特征，包括整机的重量、尺寸、体积等，基本满足铁塔对AAU的要求。5G样机的的几何特征如表1所示。

对于 5G 的网络部署，考虑到目前全球分配的大多数5G频率都在3 GHz以上，预期其覆盖能力将比 4G 的频率要差，为了提升 5GNR 的单基站覆盖能力，特别是上行链路的覆盖能力， 3GPP在5G标准中引入了一种辅助上行载波来增强上行覆盖能力，即在中高频段的上行覆盖不足时，将 5G 的上行链路切换到一个更低频段，而下行链路仍然保留在原有的频段。这样，利用更低频段的较好传播特性，可以提升 5G 系统上行链路的覆盖性能。

在较高频段（3.5 GHz频段）部署宏网无缝覆盖的5G系统时，可能存在上行传输覆盖受限和数据速率受限问题，采用更低频段的 SUL 可较好地缓解该问题。将一个低频的全上行载波（如1.8 GHz的10 MHz）与一个上行覆盖受限的TDD 载波进行配对传输，从而有效地提升弱覆盖用户的上行传输覆盖。

为了对SUL引入后的性能有一个合理的预期，本文对引入1.8 GHz（10 MHz）SUL进行了理论仿真分析，具体的仿真假设如表2所示，仿真的主要结果如图4所示。

从图4的仿真结果可以看出，在低穿透损室内环境下，1.8 GHz在基站4天线收和终端23 dBm发射功率（简称4R，12 dBm）的情况下，小区边缘吞吐量可达2.78 Mbit/s；而3.5 GHz在64天线收和23 dBm发射功率下（简称64R，23 dBm），上行边缘吞吐量为0.67 Mbit/s；如果上行发射功率增加为26 dBm（简称64R，26 dBm），则吞吐量可增加到0.84 Mbit/s。所以1.8 GHz的SUL相对于3.5 GHz，可增加边缘速率2.3～3.2倍。对于高穿透损室内环境，1.8 GHz的SUL的增益则为2～3.6倍。

为了尽早对5G系统组网、覆盖等性能进行摸底验证，面向规模实验，华为在上海研发基地建设了 5G 的实验外场，结合当地的地形地貌，该区域可看作是密集城区环境，建筑物比较密集，楼层较高。整个实验网的逻辑结构如图5所示，包括测试的终端、基站、传输网和核心网。

对于 5G 初期部署的增强移动宽带应用场景，峰值数据速率、小区吞吐量、室内覆盖能力和时延是具有标志意义的关键性能指标。因此，在外场实验中，着重对上述四大关键性能指标进行了测试和摸底。在测试中，配置70%的时间资源用于下行传输，剩余的资源为保护时隙间隔和上行传输资源。对于现场实验，样机支持QPSK、64QAM、256QAM等高阶调制以及多种码率。

单用户峰值速率是基站的一种能力测试，对于实际网络并无多大的参考意义，所以，为了完成峰值速率的测试，本文选择了一个下行接收信号强度（RSRP，reference signal received power）足够大的测试点进行测试。具体的测试结果如图6所示，对比了100 MHz带宽的5G和10 MHz带宽的4G FDD （LTE FDD，long term evolution,fullduplex division）的下行和上行峰值吞吐量。

在与单用户峰值速率测试相同的环境下，完成了多用户的小区吞吐量的测试，测试结果如图7所示。

从测试结果可以看出，下行通信16个用户32个数据流可实现高于10 Gbit/s的峰值速率，下行8个用户可实现2.5 Gbit/s的小区吞吐量。而上行4用户时，由于上行分配的传输时间资源有限，仅可实现800 Mbit/s的上行小区吞吐量，但预期上行空间复用的用户数越多，上行的峰值吞吐量越高。

与4G系统的40 Mbit/s、20 MHz的典型小区吞吐量相比，当带宽被归一化后，5G可以实现数10倍以上的下行小区吞吐量增益。因此，与 4G 相比， 3D-MIMO 可以实现 5G 的频谱效率提升至 4G 的3～5倍的目标，满足3GPP的最小性能要求。

对于5G系统，室外基站覆盖室内环境（O2I， outdoor to indoor）的性能非常关键，因为80%的业务发生在室内，而现网中大部分的室内业务是通过室外宏站覆盖室内解决的。所以，在测试中专门引入了室外覆盖室内的测试，特别是对比了1.8 GHz SUL和仅3.5 GHz NR时的边缘吞吐量性能,具体的测试结果如表3所示。

在测试中，本文选择了一些弱覆盖的点进行对比测试，将同一个点的1.8 GHz/3.5 GHz的下行接收信号强度RSRP和相应的上行吞吐量记录在表格中。从结果可以看出，在弱覆盖的环境下，1.8 GHz SUL可以带来2倍以上的上行吞吐量的提升。

为了进一步测试5G网络的综合业务体验，本节对5G网络连续覆盖环境下的用户体验速率进行一个连续测试。具体的测试结果如图8,图9，图10，图11所示。其中图8 和图9 分别是下行空载和下行 50%加载条件下的单用户拉网吞吐量的分布。从结果可以看出，在一般城区（400 m站间距），空载室外路测下行速率50%可达600 Mbit/s；加扰的影响非常大，将导致低于600 Mbit/s的比例大幅上升，即由22%上升到54%。

图10和图11分别是上行空载和5dB底噪抬升后的单用户拉网吞吐量的分布图。从测试结果可以看出，在一般城区（400 m站间距），空载室外路测上行速率大部分可以达到100 Mbit/s以上；加扰对吞吐量的影响比较大，导致低于100 Mbit/s的比例大幅上升，由24%上升到37%。

用户面时延，也即数据正确传输的时延，是5G 标准的重要考核指标之一。在外场实验中，本文现场测试了单向的数据传输等待时间（定义为在无线空口上行或者下行方向，从空口协议栈层2或者层3 SDU入口点到对端协议栈层2或者层3 SDU出口点，成功传输一个应用层分组所用的时延）。测试中，传输具有随机大小的FTP数据分组，并且测试每个数据分组的传输等待时间，然后在1 s的时间窗内进行平均。

外场实验结果显示，eMBB业务的用户面延时在 3.5～4 ms，5G标准可以满足增强的移动宽带应用场景下的空口低时延小于4 ms的要求。

基于3GPP最新标准化进展，本文介绍5G新空口技术的基站样机设计、SUL覆盖增强及性能仿真，以及为了综合验证 5G 通信系统组网、覆盖等性能的外场测试，对 5G 通信系统的单用户峰值吞吐量、多用户吞吐量、室内外覆盖能力和时延进行了详细的测试和验证。测试结果显示，5G通信系统可以满足 3GPP 定义的增强移动宽带业务场景的 5G 性能指标需求，可带来 5 倍以上的频谱效率的提升。另外，SUL利用低端FDD频谱的更好覆盖特性和连续传输，可较好地提升3.5 GHz频率在弱覆盖场景下的上行吞吐量。面对未来 5G网络连续部署以及更加综合业务的需求，后续的外场实验还需要进行更大规模的组网实验，体现更加真实的干扰环境。同时考虑更加综合的业务，比如 URLLC（ultra reliable and low latency communication）以及物联网等业务需求，需要更加全面的资源分配策略，保证在同一网络下能满足多种业务的需求。