随着2018年6月份第3代移动通信合作伙伴计划(3GPP，3^rd generation partner project)Release 15的第5代移动通信系统(5G)标准的冻结，5G面向2020年商用的产业化研发工作进入冲刺阶段. 5G标准设立的系统性能指标要求是否能够实现，是5G的产品化和产业化需要重点验证的内容.与第4代移动通信系统(4G)相比，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、超低时延超高可靠和大连接等场景下的未来业务需求^[1].为了实现这些5G能力，5G的基站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，这些都对基站的产品研发提出了非常高的挑战；另外，5G的第一个完整的标准版本在2018年6月才冻结，而商用网的大规模建设将在2020年发生，留给产业研发的时间不足2年，而4G从标准到产品的研发完成用了4~5年时间，所以5G产业化的时间压力非常大.为了满足5G在2020年商用的目标，5G产品的研发必须改变过去先标准、再产品、然后再业务培育的串行发展思路，而必须考虑标准制定、产品研发和业务培育并行开展的发展方式，才能大幅缩短整个产业成熟需要的时间.为此，5G产业发展的整个思路应该是“以需求为牵引，以外场试验为依托，先硬件、后软件，迭代推进”.

考虑到标准制定和产业化并行开展，早期的产业化没有最终的标准做参考，所以只能聚焦硬件和平台，围绕5G关键技术，先期突破基站的硬件架构和平台瓶颈，加速产业链的上下游对标，确保2018年能够提供满足外场试验要求的预商用产品，2019年底能提供商用产品.在标准基本框架确定之后，再全面开展软件协议的迭代，随着标准的逐步完善来滚动迭代5G产品的协议和软件版本，逐步满足功能测试、性能测试和互联互通测试的需求.所以，整个5G技术研发和试验工作可以明确规划为3个阶段：

第1阶段(~2016年)：基于4G系统框架，完成5G单点关键技术测试，验证单点关键技术可行性，2016年底完成；

第2阶段(2016~2017年)：启动外场试验，开展系统概念验证，推动系统技术和设备平台成熟，在2017年底完成；

第3阶段(2018~2019年)：启动规模外场试验，面向预商用产品开展，形成面向运营的技术体系，确保在2020年实现5G商用部署.

目前，产业发展已经进入第3阶段的规模试验.本文结合产业的最新进展，围绕5G基站的预商用产品开发，开展系统设计和优化，并开展5G基站样机的外场试验，对5G系统的单用户峰值吞吐量、多用户吞吐量、室内外覆盖能力和时延进行了详细的测试和验证.

1 5G样机设计

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.

1.1 5G基站的基本参数

1) 工作频段. 3400~3600MHz，系统带宽≥100MHz^[2-3]；波形：下行链路采用循环前缀-正交频分复用(CP-OFDM)；上行链路采用CP-OFDM和离散傅立叶变换扩频OFDM(DFT-S-OFDM)^[4]；支持为免调度PUSCH配置波形；支持通过重新配置或PDCCH指示调整上行波形.

2) 多址.支持上行和下行的正交多址(OFDMA).信道编码：上行和下行数据信道采用LDPC，上行和下行控制通道采用Polar码^[5].

3) 调制方案.下行链路支持QPSK，16QAM，64QAM和256QAM；上行链路支持π/2-BPSK，BPSK，QPSK，16QAM和64QAM，建议使用256QAM^[6].

4) MIMO.下行SU-MIMO支持4个下行MIMO层，建议使用8个MIMO层；上行SU-MIMO支持2个上行MIMO层，建议使用4个上行MIMO层；下行MU-MIMO支持的层数≥16，上行MU-MIMO支持的层数≥8；支持基于覆盖要求的公共PDCCH覆盖增强，如SSB，CSI-RS，RMSI等；根据上行链路SRS或测量报告^[7]，区分UE选择下行链路波束以增加覆盖范围.

假设系统带宽为100MHz，下行时隙资源为70%，上行时隙资源配置为20%，保护间隔为10%，下行单用户峰值速率要求为1.3Gbit/s(256QAM，不少于4个数据流)或者2Gbit/s(64QAM，不少于8个数据流)；上行单用户峰值速率要求为175Mbit/s(64QAM，2个数据流)或者370Mbit/s(64QAM，4个数据流).多用户的下行小区峰值速率要求为4Gbit/s(大于16流)，上行小区峰值速率大于700Mbit/s(大于8流). MU-MIMO技术的应用可使5G提供更高的传输速率.

5) 帧结构.支持统一灵活的TDD帧结构配置；支持静态和半静态帧结构配置；建议使用动态帧结构配置；支持下行/上行切换、保护间隔(GP，guard period)持续时间和起始位置可配置；支持单期和串联两期；支持2/2.5ms周期；建议使用1/0.5ms周期.

6) 帧结构案例.传输周期为2.5ms；支持2~4符号GP配置(例如4个符号GP)；#0，#1，#2时隙每2.5ms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，#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.

1.2 大规模天线的设计和优化

对于基站样机的设计和开发，除总发射功率200W和100MHz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.笔者围绕大规模天线设计的独立射频通道数的选择和设计概述5G基站开发的优化过程.

对于3.5GHz频率，考虑铁塔对天面尺寸的要求，迎风面小于0.5m²，考虑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，考虑阵子的双极化，所以一副天面总共可以布设192个阵子，每个极化方向96个，如图 1所示.

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的幂次方个，如2、4、8、16、32、64、128.

对于大规模天线来说，一个很重要的增益就是来自于对波束赋形的垂直维度的扩展，在高楼场景可以带来大幅度的功率效率和覆盖效率的提升.结合现网的统计数据，可以看出，在不同的环境，考虑典型的天线高度，需要不同的垂直维度的波束扫描张角.

1) 密集商业中心：平均站高30m，站间距 < 200m，平均建筑高度40~60m，站点占比：10.8%；垂直扫描张角：25°~40°；

2) 密集城区：平均站高30m，站间距200~400m，平均建筑高度30~50m，站点占比：29.5%；垂直扫描张角：15°~25°；

3) 城区：平均站高33m，站间距400~600m，平均建筑高度30~50m，站点占比：47.8%；垂直扫描张角：10°~18°；

4) 城郊：平均站高35m，站间距600~1000m，平均建筑高度15~35m，站点占比：11.9%；垂直扫描张角：6.5°~10°.

所以，需要充分考虑垂直方向的波束扫描能力，采用3维的MIMO(3D-MIMO)的天线端口映射将很好地利用垂直维的MIMO自由度，否则垂直面的功率效率将大幅降低.

同时，以64阵子为例，对天线端口的水平和垂直布局的不同方案进行了仿真对比，可以看出，由于水平方向的角度范围很大，在水平方向部署更多的阵子将带来更大的MIMO性能增益.图 2所示为64阵元的3种排列方式，8×8, 16×4和32×2.

图 3是3种排列方案在城区宏小区环境下(站间距500m)的用户接收吞吐量(UPT, user perceived throughput)的对比，图 4所示为城区微小区环境下(站间距200m)的用户接收吞吐量的对比.具体的仿真假设请见表 1.从仿真的结果可以看出，水平方向的天线阵子越多，性能增益越大.但是，从工程实施的角度看，水平方向的天线宽度不宜太大，天线的垂直面的高度更高，对于天线在抱杆和铁塔上的安装更加方便.从图 2可以看出，水平方向阵子越多，天面越宽，越不利于实际的工程部署.

所以折中的选择就是水平维布局8个双极化的阵子(16阵子)，这样既可以有更大的水平维度增益，又不至于天线面太宽.所以，192天线阵子的最优布放如图 1所示，水平8个双极化阵子，垂直12行阵子.

基于图 1的192天线阵子的布放，可选的3D-MIMO的天线端口映射就包含16、32、64、128.综合考虑基带的处理复杂度和硬件的复杂度与成本，端口数将在16、32和64之间选择，如图 5所示.

针对上述3种天线端口的3D-MIMO进行了性能仿真比较.从仿真结果可以看出，16通道的性能最低，32通道的次之，64通道的性能最高.

从表 2中不同天线端口数的物理能力对比可以看出，64通道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；16通道的产品虽不具备垂直扫描的能力，但是成本也最低.

大规模天线产品的天线阵列实物如图 6所示.整个大规模天线基站的几何特征，包括整机的重量、尺寸、体积基本满足铁塔对AAU的要求.样机的几何特征详见表 3.

2 5G外场试验环境构建

为了尽早对5G系统组网、覆盖等性能进行验证，面向规模试验，中国移动公司在广州的大学城建设了5G的试验外场，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.整个试验网的逻辑结构图如图 7所示，包括测试的终端、基站gNB、传输网、核心网和移动边缘计算(MEC)/集中单元(CU)/业务服务器.

站址和每个小区的位置方向信息如图 8所示.

图 9左侧所示为试验网中的一个AAU，图右侧中桌上摆放的是测试用的5G用户单元反向基站(CPE)，用于模拟5G终端，其可根据需要配置不同的天线数，满足试验测试对比需要.

eMBB(增强移动宽带)业务外场测试包括技术需求满足度测试和关键方案对比验证两大类测试内容.其中，技术需求满足度测试包含基本的系统覆盖能力、吞吐性能、移动性和时延测试，用于摸底5G NR系统的基本性能.由于5G系统的参数配置相当灵活，运营商在部署时，只能采用有限的几种配置进行实际部署.关键方案对比测试重点针对部署时的多种候选方案进行对比，并为后续的商业部署提供建议.详细的测试条目参见表 4.

3 外场试验结果分析

由于测试条目众多，这里只针对具有标志性和借鉴意义的测试用例进行结果展示和分析.

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，在外场试验中，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.对于现场试验，样机支持QPSK、64QAM和256QAM等高阶调制以及多种码率.

3.1 单用户峰值速率测试

首先，针对单用户的峰值速率进行测试.测试环境选取较为封闭的建筑内天井，形成回笼的结构，同时院中有树，遮挡LOS传播路径，构建多流传输环境，如图 10所示.

单用户峰值速率理论计算如下.考虑2ms内有33个下行符号(3个时隙，每个时隙内扣除3个符号的控制和解调符号的开销)可以用于业务传输，最高阶64QAM，0.9的码率，频域上占用272个物理资源，采用8流的传输层数，理论上可以获得2.33Gbit/s的峰值速率.经过外场的实际测试，该场景下可以获得2.3Gbit/s的单用户峰值速率，与理论预期非常接近.与110Mbit/s/20MHz的4G系统相比，5G新空口在配置8流和64QAM时，可以实现4倍的单用户下行峰值速率(4G折算到100MHz系统带宽为550Mbit/s)，并且能够满足3GPP和ITU(international telecommunication union)要求的5G下行峰值频谱效率30bps/Hz的要求.

单用户上行峰值速率，考虑2ms有11个符号可以用于上行业务传输，最高采用64QAM调制和0.9的码率，可用RB数为272个，采用4流传输，上行理论峰值速率为0.39Gbit/s.实际外场的测试结果为388Mbit/s，与理论预期非常接近.该速率不仅满足规范中350Mbit/s的上行单用户峰值速率要求，并且也满足3GPP和ITU要求的5G上行峰值频谱效率15bps/Hz的要求.

3.2 小区峰值和平均吞吐量

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.类似于单用户的峰值速率计算，小区峰值速率可通过单小区支持的总流数、每流的调制阶数进行计算. 24流64QAM的情况下，理论速率可达6.98Gbit/s，实测速率接近6Gbit/s；而32流256QAM时，理论速率为12.41Gbit/s，实测11Gbit/s，平均每流0.34Gbit/s.相比于单用户多流传输，MU-MIMO多用户之间的干扰消除挑战更大.而在多小区加扰的情况下，5G系统可以实现4Gbit/s以上的小区吞吐量.与4G系统的40Mbit/s/20MHz的典型小区吞吐量相比，当带宽被归一化时，5G可以实现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.

3.3 室内覆盖能力

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%的业务是发生在室内，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，在测试条目中，专门引入了室外覆盖室内的测试.具体的测试环境如图 11和图 12所示，被覆盖的楼宇和基站的相对位置如图 13所示.

由于即使在5G系统中，终端功率依然受限，上行覆盖仍然是整个网络覆盖的瓶颈，所以测试中以上行业务速率作为覆盖能力的标志性指标.为了对比参考，同站的2.6GHz TD-LTE作为参考，在同样的测试点对比测试了4G和5G的测试速率.

从楼内选取16个测试线路进行测试(见图 12).参考符号接收功率(RSRP，reference signal receiving power)表示终端的下行信号强度，进一步反映了终端距离基站的远近和上行发送功率的高低.从测试结果来看，接收信号功率RSRP在[-70, -100], 终端功率不受限，5G上行速率最大可达80Mbit/s；4G终端受限于带宽以及最高16QAM的调制方式，传输速率为10.2Mbit/s；RSRP在[-100, -110]区间，4G上行速率可维持在4Mbit/s~6Mbit/s之间；5G上行速率为8~16Mbit/s. 4G和5G能够将上行全部资源占满. RSRP在[-110, -120]区间内，4G上行速率为1Mbit/s~3Mbit/s之间；5G上行速率为2~15Mbit/s，部分场景下5G难以占用全部带宽. RSRP在低于-120dbm时，4G上行速率在1Mbit/s以下；5G上行占用与4G相同的资源，速率在3~6Mbit/s左右.上述测试速率是在没有干扰环境下测试得到.该测试的意义在于，可以通过RSRP的数值，直接映射到4G网中的具体物理位置，并进一步推断该场景下的5G可达到的传输速率和用户体验.

基于测试结果，可以得出以下结论：

1) 3.5GHz NR(5G)在上行功率不受限时(小区中心)，可以使用更多的资源进行传输，速率可达4G的2~8倍；

2) 3.5GHz NR(5G)在上行功率受限时(小区边缘)，通过上行双发26dBm和64通道接收保证了边缘用户的性能，速率可达4G的2~5倍.

3.4 用户面时延

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.在外场试验中，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包所用的时延).测试中，传输具有随机大小的FTP数据包，并且测试每个数据分组的传输等待时间，然后在1s的时间窗内进行平均.

从测试结果来看，当前的基站样机在配置自包含帧结构的条件下，可以实现小于4ms的等待时间，所以5G标准可以满足增强的移动宽带应用场景下空口低时延的要求.

4 结束语

基于3GPP最新标准化进展，围绕大规模天线的设计，概述了5G预商用基站开发和优化过程.同时为了综合验证5G通信系统组网、覆盖等性能，在密集城区环境开展了5G外场试验，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.基于当前的样机配置如下：

1) 采用大规模天线/3D-MIMO的5G NR系统可以满足ITU和3GPP的上下行峰值谱效的指标要求；

2) 采用大规模天线/3D-MIMO系统，5G NR可以满足ITU小区平均谱效提升3~5倍的指标要求；

3) 3.5GHz上行NR系统，可以通过上行双发26dBm以及64通道接收技术保证上行小区边缘用户的覆盖性能；

4) 采用自包含的帧结构，可以实现4ms的空口时延，满足eMBB空口低时延的要求.

测试结果显示5G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.

面对未来5G网络连续部署以及更加综合业务需求，后续的外场试验还需要进行更大规模的组网试验，体现更加真实的干扰环境.同时考虑更加综合的业务，比如低时延高可靠业务(URLLC，ultra reliable and low latency communication)以及物联网等业务需求，需要考虑更加全面的资源分配策略，保证多种业务在同一张网络下都能满足各自的需求.