这应该是史上最完整的5G NR介绍了

人人好，我叫5G NR，5G家眷的一员。比来关于我的传闻太多，信口雌黄之声一直于耳，为此本人今天终于鼓起勇气走向前台，揭开神秘的面纱，向人人做一个完整的毛遂自荐。

一说到“安置选项”这事，说实话，我感受自己有点“奇葩”。

人人都知道我的前辈叫“4G”，4G系统构架首要包括无线侧(即LTE)和收集侧(SAE)，准确点讲，这个4G系统构架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System，演进分组系统)，EPS指完整的端到端4G系统，它包括UE(用户设备)、E-UTRAN(演进的通用陆地无线接入收集)和EPC核心收集(演进的分组核心网)。

▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的手艺定义

这个EPS是为移动宽带而设计的。

从3G演进到4G，我称之为”整体演进“，即包括接入网和核心网的EPS整体演进到4G时代。

可到了5G我这儿就不一样了，谁人3GPP组织把接入网(5G NR)和核心网(5G Core)拆开了，要各自自力演进到5G时代，这是因为5G不单是为移动宽带设计，它要面向eMBB(增加型移动宽带)、URLLC(超靠得住低时延通信)和mMTC(大规模机械通信)三大场景。

于是，5G NR、5G核心网、4G核心网和LTE同化搭配，就组成了多种收集安置选项。

这就像商家推出的多款套餐组合，总有一款适合你。

嗯，首要有这些组合套餐：选项3/3a/3x、7/7a/7x、4/4a为非自力组网(NSA)构架，选项2、5为自力组网(SA)构架。

选项3系列：3/3a/3x

2017年12月完成的3GPP Release 15 NSA NR标准恰是基于选项3系列。

在选项3系列中，UE同时连结到5G NR和4G E-UTRA，把握面锚定于E-UTRA，沿用EPC(4G核心网)，即“LTE assisted，EPC Connected”。

对于把握面(CP)，它完全依靠现有的4G系统——EPS LTE S1-MME接口和谈和LTE RRC和谈。

但对于用户面(UP)，存在变数，这就是选项3系列有3、3a和3x三个子选项的原因。

选项3、3a和3x有啥区别呢？

选项3

选项3其实就是参考3GPP R12的LTE双连结构架，在LTE双连结构架中，UE在连结态下可同时使用至少两个不合基站的无线资源(分为主站和从站)；双连结引入了”分流承载“的概念，即在PDCP层将数据分流到两个基站，主站用户面的PDCP层负责PDU编号、主从站之间的数据分流和聚合等功能。

LTE双连结不合于载波聚合，载波聚合发生于共站安置，而LTE双连结可非共站安置，数据分流和聚合所在的层也不一样。

选项3指的是LTE与5G NR的双连结(LTE-NR DC)，4G基站(eNB)为主站，5G基站(gNB)为从站。

然则，选项3的双连结有一个瑕玷——受限于LTE PDCP层的处理瓶颈。

众所周知，5G的最大速度达10-20Gbps，4G LTE的最大速度不过1Gbps，LTE PDCP层原本不是为5G高速度而设计的，是以在选项3中，为了避免4G基站处理能力遭遇瓶颈，就必需对原有4G基站，也就是双连结的主站，进行硬件升级。

升级后的4G基站，或许说R15版本的4G基站，叫eLTE eNB，同时，迁徙入5G核心网的4G基站也叫eLTE eNB，因为5G核心网引入了新的NAS层，这在后背会讲到。e就是enhanced，增加版的意思。

但必然有运营商不愿意对原有的4G基站升级，于是，3GPP就推出了两个“变种”选项——选项3a和3x。

嗯！总有一款套餐适合你！

选项3a

选项3a和选项3的分歧在于，选项3中，4G/5G的用户面在4G基站的PDCP层分流和聚合；而在选项3a中，4G和5G的用户面各自纵贯核心网，仅在把握面锚定于4G基站。

你不是嫌升级4G基站麻烦吗，这下我跳过4G基站得了。

选项3x

选项3x可谓选项3的一面镜子。为了避免选项3中的LTE PDCP层遭遇处理瓶颈，其将数据分流和聚合功能迁徙到5G基站的PDCP层，即NR PDCP层。

反正我5G基站的处理能力很强嘛，这下不用担心处理瓶颈的问题了。

从今朝来看，除了中国运营商，全球多少领先运营商都发布撑持选项3系列，以实现最初的5G NR安置。

原因很简练：

1）选项3系列利旧4G收集，利于快速安置、抢占市场，而且成本还不高；

2）今朝5G三大场景中，eMBB是最易实现的，选项3系列可谓是LTE MBB场景的升级版。

比如美国运营商，可选择选项3系列，在现有的LTE收集上搭配他们的5G毫米波固定无线。

这些运营商对选项3家眷的青睐水平可透露为：选项3x > 选项3a > 选项3。选项3x面向未来，无需对原有的LTE基站升级投资；选项3a简练朴质；至于选项3，因为要对LTE收集再投资，嫌弃它的人对照多一点。

可是，中国运营商为啥不爱选项3系列呢？至少今朝中国电信已发布5G采用自力安置体式。

因为妄想更大啊！

接下来介绍完选项2你就领略了！

选项2

选项2就是自力组网，一次性将5G核心网和接入网一路”打包“迈进5G时代，与前4G收集少有藕断丝连的瓜葛。

这种体式的优点和瑕玷都很光鲜。一方面，它直接迈向5G，与前4G少有瓜葛，所以削减了4G与5G之间的接口，降低了复杂性。

另一方面，与选项3系列依托于现有的4G系统用5G NR来补盲补热点的体式不合，选择选项2的运营商背后必然隐藏着更大的野心——一旦发布培植5G收集，就意味着大规模投资，建成一个从接入网到核心网完整自力的5G收集。

选项7系列

选项7系列包括7、7a和7x三个子选项，相同于选项3，可以把它算作是选项3系列的升级版，选项3系列连结LTE核心网(EPC)，而选项7系列则连结5G核心网，即“LTE assisted，5G CN Connected”，NR和LTE均迁徙到新的5G核心网。

选项4系列

选项4系列包括4和4a两个子选项。在选项4系列下，4G基站和5G基站共用5G核心网，5G基站为主站，4G基站为从站。

选项4系列要求一个全笼盖的5G收集，因而采用小于1GHz频段来安置5G的运营商对照青睐这种安置体式，比如美国T-Mobile规划用600MHz安置5G收集。

选项5

选项5将4G基站连结到5G核心网，与选项7相同，但没有与NR的双连结。

也就是说，选择选项5的运营商只考虑核心网演进到5G，但并不将无线接入网演进到5G NR。或许是为了削减投资，而又看好具备收集切片能力的5G核心网吧！估量有些4G专网会喜欢这一安置体式吧！

选项6

已被3GPP残暴甩掉，不再赘述。

总结一下，运营商的5G安置路径首要有三种体式：

①非自力安置(NSA)：LTE + 5G NR毫米波

此种安置体式以美国Verizon和AT&T为代表，在现有的LTE收集上安置5G NR毫米波来补充笼盖热点或安置5G固定无线。

②非自力安置(NSA)：LTE + 小于6GHz NR频段

此种安置体式可快速实现更好的5G NR笼盖，但存在4G LTE和5G NR之间的接口和载波聚合等手艺的复杂性。

对于非自力安置，演进路径分为两条：

路径一：选项3系列—>选项2：先安置5G无线接入网，再安置5G核心网，最后将5G无线接入网迁徙到5G核心网。

路径二：选项3系列—>选项7系列或许选项5：先安置5G无线接入网，再安置5G核心网，最后将4G和5G无线接入网一路接入5G核心网。

③自力安置

就是直接安置一张完整的5G收集，简化了非自力安置向5G核心网迁徙的过程，复杂性较低，但更要求完整成熟的5G笼盖和生态。

上面提到的各类组合套餐，都离不开最首要的原材料——频谱资源。

5G NR若何定义和分配频谱？

与2/3/4G时代不合，5G频谱分配的根本原则叫Band-Agnostic，即5G NR不依靠、不受限于频谱资源，在低、中、高频段均可安置。

在R15版本中，定义了两大FR（频率局限）：

FR1：

• 450MHz 到 6000MHz

• 频段号从1到255

• 常日指的是Sub-6Ghz

FR2:

• 从24250MHz到52600MHz

• 频段号从257到511

• 常日指的是毫米波mmWave（尽管严峻的讲毫米波频段大于30GHz）

与LTE不合，5G NR频段号标识以“n”开首，比如LTE的B20（Band 20），5G NR称为n20。

今朝3GPP已指定的5G NR频段具体如下：

FR1

FR2

我们再对照一下LTE的频段分配：

很光鲜，一些LTE频段也指定给了5G NR，但细心一点你还会发现，在有些频段号上，5G NR频段在LTE 频段长进行了合并或扩展，比如，LTE的B42 (3.4-3.6 GHz) 和B43 (3.6-3.8 GHz) 合并为5G NR的n78（3.4-3.8 GHz），且n77还进一步将其扩展到3.3-4.2GHz。

原因有两点：①知足5G NR的大带宽需求②知足全球运营商在3.3-4.2GHz频段内的5G 安置需求。

第①点不用注释，人人都懂的，首要说说第②点原因。

嗯！其实一张图就看领略了：

上图是全球各国在C波段的可用频段，可用频段局限参差不齐，而n77的频段局限刚好将其悉数笼盖，通吃！

值得一提的是，在FR1中引入了SUL和SDL，即辅助频段（Supplementary Bands），这是什么鬼？

众所周知，手机的发射功率低于基站发射功率，3.5GHz的笼盖瓶颈受限于上行，工作于更低频段的SUL（上行辅助频段）就可以经由载波聚合或双连结的体式与下行3.5GHz配和，从而补偿3.5GHz上行笼盖不足的瓶颈，这或许和华为提出的上下行解耦是一致的吧。

问题来了，上面列了这么多5G NR频段，先锋频段是哪些？

首要有：n77、n78、n79、n28、n71。

n77和n78，即C-BAND，是今朝全球最统一的5G NR频段。

n79也或许用于5G NR，首要鼓动国度是中国、俄罗斯和日本。

n28就是传说中的700MHz，因为其精巧的笼盖性，同样是香饽饽，在WRC-15上已经确定该频段为全球移动通信的先锋候选频段，若是这段频段不克充实行使，实在是太可惜了。

n71就是600MHz，今朝美国运营商T-Mobile已发布用600MHz建5G。

关于毫米波频段，美国、日本和韩国正在试验5G 28GHz毫米波频段，初期要实现5G固定无线接入庖代光纤入户的最后几百米。

不过，今朝美日韩的28GHz并不在ITU WRC（世界无线电通信大会）考虑局限之内，尽管3GPP到场了这一频段（n257），但最终还需要ITU核准。

至于n258，研究称该频段或许会影响卫星通信系统，或将因为要考虑充足的珍爱频带而进行调整。

波形和多址接入方案

3GPP提出了好多波形选项，这是一道很难的选择题，需考虑与MIMO的兼容性、频谱效率、低峰均功率比（PAPR）、URLLC用例、实现复杂度等多种成分。

今朝3GPP Release 15已确定，CP-OFDM撑持5G NR的上行和下行，也引入了DFT-S-OFDM波形与CP-OFDM波形互补。CP-OFDM波形可用于单流和多流（即MIMO）传输，而DFT-S-OFDM波形只限于针对链路预算受限景遇的单撒布输。

对于5G mMTC场景，正交多址（OMA）或许无法知足其所需的连结密度，是以，非正交多址（NOMA）方案成为遍及讨论的对象。

Numerologies

Numerology这个概念可翻译为参数集，或许意思指一套参数，包括子载波距离，符号长度，CP长度等。

因为5G NR面向三大场景，要适用于大量的用例，因而需要一个可扩展且无邪的物理层设计，并且撑持不合的、可扩展的Numerologies。

ODFM的核心思惟是将宽信道划分为多数正交子载波，子载波距离（subcarrier spacing）、符号长度、轮回前缀（cyclic prefix，CP）和TTI这一系列参数定义了OFDM若何划分子载波，Numerologies指的就是这些参数的不合搭配。

Numerologies，里面隐藏着博大精湛的——权衡之术，这很3GPP。

子载波距离：

子载波距离是符号时间长度(Symbol Duration)与CP开销之间的权衡——子载波距离越小，符号时间长度越长；子载波距离越大，CP开销越大。为了实现不合Numerologies之间的高复用率，3GPP确定了 ∆f * 2^m的原则。

所谓 ∆f * 2^m，指5G NR最根本的子载波距离与LTE一样，也是15kHz，但可凭证15*(2^m) kHz，m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}无邪扩展，也就是说子载波距离可以设为3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...（如下表）：

如斯一来，子载波距离可跟着其工作频段和UE的移动速度改变而改变，最小化多普勒频移和相位噪声的影响。

CP长度：

CP长度是CP开销和符号间干扰ISI之间的权衡——CP越长， ISI越小，但开销越大，它将由安置场景（室内照样室外）、工作频段、处事类型和是否采用采用波束赋形手艺来确定。

每TTI的符号数量：

这是时延与频谱效率之间的权衡——符号数量越少，时延越低，但开销越大，影响频谱效率，建议每个TTI的符号数为2^N个，以确保从2^N到1个符号的无邪性和可扩展性，尤其是应对URLLC场景。

总而言之，不合的Numerologies知足不合的安置场景和实现不合的机能需求，比如，子载波距离越小，小区局限越大，这适用于低频段安置；子载波距离越大，符号时间长度越短，这适合于低时延场景安置。

帧组织

甭管你怎么组合，采用哪种Numerologies，5G无线帧和子帧的长度都是固定的——一个无线帧的长度固定为10ms，1个子帧的长度固定为1ms，这与LTE是沟通的，从而更好的贯穿LTE与NR间共存，利于LTE和NR合营安置模式下时隙与帧组织同步，简化小区搜刮和频率测量。

不合的是，5G NR定义了无邪的子构架，时隙和字符长度可凭证子载波距离无邪定义。

所以，我们简练将5G帧组织划分为由固定组织和无邪组织两部门组成（如下图）。

这就好比建房子，框架组织定好了，里面的空间可凭证自己需要无邪安置。

物理信道带宽

在小于6GHz频段（FR1）下，5G NR的最大信道带宽为100MHz，在毫米波频段（FR2），5G NR的最大信道带宽达400MHz，远弘远于LTE的最大信道带宽20MHz。

但更值得一提的是，5G NR的带宽行使率大幅提升到97%以上（LTE的带宽行使率只有90%）。

若何懂得5G NR带宽行使率提升？

做一道角力题：

10MHz的4G信道有50个RB，每个RB有12个子载波，那么10MHz 4G信道总共600个子载波。因为每个子载波有15kHz的距离，15*600就等于9000kHz或9MHz，这意味着在10Mhz的信道中，只有9MHz被行使，而大约1MHz被留下作为珍爱频带，所以LTE的带宽行使率只有90%。

以此类推，20MHz的4G信道有100个RB，它仅使用了20MHz带宽中的18MHz；50MHz的4G信道有250个RB...

猜猜看，50MHz的5G信道有若干个RB呢？275个。

如下图，这是在不合的Numerologies下，不合的子载波距离对应的最小和最大RB数角力表：

调制体式

上下行OFDM调制+CP：QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

上行DFT-s-OFDM+CP：π/ 2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

上行增加了π/ 2-BPSK，首要考虑在mMTC场景下，数据速度低，以实现功放的更高效率。

除了π/ 2-BPSK，5G NR与LTE-A使用的调制阶次是沟通的，不过3GPP正在考虑将1024QAM引入。

信道编码

在信道编码上，5G NR与LTE完全不合。

众所周知，LTE中把握信道采用TBCC，数据信道采用Turbo码，因为不合信道的有效载荷和需求不合， 5G NR应该与此相同。不过5G NR的数据信道采用LDPC码，庖代了LTE的Turbo码；5G NR的广播信道和把握信道采用Polar码，庖代了LTE的TBCC码。

为什么数据信道用LDPC码庖代Turbo码？

Turbo码的特点是编码复杂度低，但解码复杂度高，而LDPC码刚好与之相反。考虑在eMBB场景下，码块大于10000且码率要达到8/9，这对于解码复杂度高的Turbo码是硬伤，而LDPC的解码算法相对更简练实用，刚好合适。

这就像有首讴歌的，刚好碰见你。

此外，LDPC本质上采用并行的处理体式，而Turbo码本质上是串行的，因而LDPC更适合撑持低时延应用。

至于Polar码，尽管提出较晚，但其兼具编码和解码复杂度低的特点，且非常无邪，在任何码长和码率下都具有精巧的机能，当然成为了把握信道的不贰选择。

多天线手艺和波束赋形

考虑5G频谱分配原则为Band-Agnostic，在低、中、高频段均可安置，因为不合的频段有不合的无线特征，是以对MIMO系统的设计也不尽沟通。

再回头看看5G的频段分配表，较低的频段工作于FDD模式，FDD上下行工作于不合频段，上下行链路撒布特征不合，是以引入下行CSI-RS和上行申报是必需的；同时，低频段的带宽较小，还需撑持MU-MIMO来增加容量。对于这些频段，3GPP规划扩展和增加R13和R14的FD-MIMO手艺，以撑持64、128、256天线阵元，同时供给无邪的CSI采集和波束赋形。

较高的频段工作于TDD模式，TDD上下行工作于统一频段，上下行链路撒布特征根本沟通，是以可充实行使TDD上下行信道的互易性，使得基站能够直接基于检测上行信道状况信息来确定下行发射预处理策略。

对于高频段的毫米波，因为其撒布损耗更大、笼盖距离更短，是以将引入更多数量的天线阵元，以增加波束赋形增益。不过，问题又来了，天线阵元越多，就意味着传统的数字波束赋形手艺的系统设计越复杂，成本越高，5G NR就不得不又用到博大精湛的权衡之术——同化波束赋形手艺。

此外，众所熟知的LTE用多种传输模式（TM）来实现和优化不合场景下的MIMO机能，但这些传输模式之间是无法实现动态切换的，它不克适应动态改变的场景，是以，5G NR将考虑传输模式的动态适应。

4G LTE用户面和谈栈由PDCP、RLC和MAC层组成，其遍及撑持从低速物联网终端到可达1Gbps的高速高端终端，为移动互联网和4G蜂窝物联网时代立下汗马收获。

5G NR用户面和谈栈基于LTE设计，但时代不合，当然有不同。

首先它引入了新的SDAP层，SDAP全称Service Data Adaptation Protocol，这个SDAP层很有意思，我们赶紧来介绍一下。

我们依稀还记得，网优雇佣军曾经在2016年的时候吐过一次槽(不好意思，没把握住)，大意是讲我们的无线收集不具备洞悉流量的能力，痛失实时改善用户体验的机会。

5G以用户为中心，无非就是改善用户体验，当然要谈及QoS。但人人都知道的，4G收集的QoS是由核心网提议的、以承载为根本粒度的，而无线接入网不过是执行核心网的强制策略，就是一个打工的。

这样的QoS机制瑕玷凸起，QoS等级数量有限，无法实时调整，面向缤纷复杂的未来应用，这种预定义式的QoS体式太粗犷且缺乏无邪性。

5G在这方面向前迈进了一大步。5G核心网撑持基于IP流而不是EPS承载的QoS把握，从而实现更无邪和更精彩的QoS把握。

具体的讲，它经由5G 核心网和基站之间零丁的PDU对话地道来实现多个IP流的自力无线承载映射，在PDCP层之上引入SDAP层，SDAP层执行IP流和无线承载之间的映射。在SDAP层，在封装IP包时，IP头包含这些数据包的QoS标识符 (QFI)。

新引入的SDAP层首次实现了真正的端到端的QoS机制。

此外值得一提的是——PDCP层分集传输。

5G要撑持URLLC场景，要实现超靠得住低时延通信，然则，无线旗子改变莫测，用户行为捉摸不定，无线旗子质量的恶化和基站的拥塞均受制于各类弗成控成分，要想实现不乱的传输靠得住性真的好难啊。

怎么办呢？那就经由载波聚合和多连结手艺，使用频率分集的体式来实现对单个终端的传输靠得住性。

如上图所示，数据包在PDCP层处理和复制，并经由每个RLC层，再经由相关的CC发送，领受端处理较早达到的数据包，同时甩掉较晚达到的复制的数据包。

简而言之，就是在多个无线链路上传输沟通的数据的体式，来抵当无线情形恶化带来的影响，保障通信链路的靠得住性。

5G NR把握面使用的RRC和谈根本与LTE一致，作为无线资源把握层，RRC负责连结治理、接入把握、状况治理、系统信息广播等功能。如下图所示：

首先在RRC状况上，与LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED两种RRC状况不合，5G NR引入了一个新状况——RRC INACTIVE。

新引入RRC INACTIVE状况与3G的CELL_PCH差不多，其目的是降低连结延迟、削减信令开销和功耗，以适应未来各类物联网场景。

在RRC INACTIVE状况下，RRC和NAS上下文仍部门保留在终端、基站和核心网中，此时终端状况几乎与RRC_IDLE沟通，是以可更省电，同时，还可快速从RRC INACTIVE状况转移到RRC CONNECTED状况，削减信令数量。

其次，在系统广播上，为了提高系统信息的资源使用效率，5G NR引入了点播功能，这意味着它不必像LTE基站一样要一贯广播所有的系统信息，而是以按需的体式以指定的系统信息通知指定的终端。

第三点值得一提的是，对于非自力安置，5G NR将RRC和谈功能扩展了，以撑持LTE-NR双连结中的RRC自力连结和RRC分集。

RRC自力连结：在4G时代的LTE双连结中，仅主站负责与手机之间的RRC连结，而在LTE-NR双连结中，从站（即5G基站）也可负责与手机之间的RRC连结（如下图）。

RRC分集是指主站的RRC新闻可以被复制，并经由主站和从站向手机发送沟通的新闻，以RRC分集的体式提升手机领受RRC新闻的成功率，以提升信令传输的靠得住性（如下图）。

最后似乎应该瞻望一下未来吧，毛遂自荐应该是这样的。

3GPP R15版本不过是5G手艺之路的第一步，其首如果为了撑持初期的eMBB和部门URLLC场景，未来还要撑持更多的用例和垂直应用，未来还有更多的项目去研究。

比如，需讨论SCMA、PDMA、MUSA、NCMA、NOCA、GOCA、IDMA、IGMA、RDMA...等等…各大厂家提出的各类多址方案，名字都快数不过来了。

还有自回传、未授权频谱5G NR、应用于车联网的V2X、5G卫星通信接入、应用于无人机打开数字化天空的非地面收集等等。

未来很长，妄想很大，5G才刚上路。

网优雇佣军投稿邮箱：wywd11@126.com

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