5G才剛上路 5G NR到底是個什么東西？

大家好，我叫5G NR，5G家族的一員。最近關于我的傳聞太多，言三語四之聲不絕于耳，為此本人今天終于鼓起勇氣走向前臺，揭開神秘的面紗，向大家做一個完整的自我介紹。

5G部署選項

一說到“部署選項”這事，說實話，我覺得自己有點“奇葩”。

大家都知道我的前輩叫“4G”，4G系統構架主要包括無線側(即LTE)和網絡側(SAE)，準確點講，這個4G系統構架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System，演進分組系統)，EPS指完整的端到端4G系統，它包括UE(用戶設備)、E-UTRAN(演進的通用陸地無線接入網絡)和EPC核心網絡(演進的分組核心網)。

▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技術定義

LTE雙連接不同于載波聚合，載波聚合發生于共站部署，而LTE雙連接可非共站部署，數據分流和聚合所在的層也不一樣。

選項3指的是LTE與5G NR的雙連接(LTE-NR DC)，4G基站(eNB)為主站，5G基站(gNB)為從站。

但是，選項3的雙連接有一個缺點——受限于LTE PDCP層的處理瓶頸。

眾所周知，5G的最大速率達10-20Gbps，4G LTE的最大速率不過1Gbps，LTE PDCP層原本不是為5G高速率而設計的，因此在選項3中，為了避免4G基站處理能力遭遇瓶頸，就必須對原有4G基站，也就是雙連接的主站，進行硬件升級。

升級后的4G基站，或者說R15版本的4G基站，叫eLTE eNB，同時，遷移入5G核心網的4G基站也叫eLTE eNB，因為5G核心網引入了新的NAS層，這在后面會講到。e就是enhanced，增強版的意思。

但一定有運營商不愿意對原有的4G基站升級，于是，3GPP就推出了兩個“變種”選項——選項3a和3x。

嗯！總有一款套餐適合你！

選項3a

選項3a和選項3的差別在于，選項3中，4G/5G的用戶面在4G基站的PDCP層分流和聚合；而在選項3a中，4G和5G的用戶面各自直通核心網，僅在控制面錨定于4G基站。

你不是嫌升級4G基站麻煩嗎，這下我跳過4G基站得了。

選項3x

選項3x可謂選項3的一面鏡子。為了避免選項3中的LTE PDCP層遭遇處理瓶頸，其將數據分流和聚合功能遷移到5G基站的PDCP層，即NR PDCP層。

選項2

選項2就是獨立組網，一次性將5G核心網和接入網一起”打包“邁進5G時代，與前4G網絡少有藕斷絲連的瓜葛。

這種方式的優點和缺點都很明顯。一方面，它直接邁向5G，與前4G少有瓜葛，所以減少了4G與5G之間的接口，降低了復雜性。

另一方面，與選項3系列依托于現有的4G系統用5G NR來補盲補熱點的方式不同，選擇選項2的運營商背后一定隱藏著更大的野心——一旦宣布建設5G網絡，就意味著大規模投資，建成一個從接入網到核心網完整獨立的5G網絡。

選項7系列

選項7系列包括7、7a和7x三個子選項，類似于選項3，可以把它看成是選項3系列的升級版，選項3系列連接LTE核心網(EPC)，而選項7系列則連接5G核心網，即“LTE assisted，5G CN Connected”，NR和LTE均遷移到新的5G核心網。

選項4系列

選項4系列包括4和4a兩個子選項。在選項4系列下，4G基站和5G基站共用5G核心網，5G基站為主站，4G基站為從站。

選項4系列要求一個全覆蓋的5G網絡，因而采用小于1GHz頻段來部署5G的運營商比較青睞這種部署方式，比如美國T-Mobile計劃用600MHz部署5G網絡。

選項5

選項5將4G基站連接到5G核心網，與選項7類似，但沒有與NR的雙連接。

也就是說，選擇選項5的運營商只考慮核心網演進到5G，但并不將無線接入網演進到5G NR。大概是為了減少投資，而又看好具備網絡切片能力的5G核心網吧！估計有些4G專網會喜歡這一部署方式吧！

選項6

已被3GPP殘忍拋棄，不再贅述。

總結一下，運營商的5G部署路徑主要有三種方式：

①非獨立部署(NSA)：LTE + 5G NR毫米波

此種部署方式以美國Verizon和AT&T為代表，在現有的LTE網絡上部署5G NR毫米波來補充覆蓋熱點或部署5G固定無線。

②非獨立部署(NSA)：LTE + 小于6GHz NR頻段

此種部署方式可快速實現更好的5G NR覆蓋，但存在4G LTE和5G NR之間的接口和載波聚合等技術的復雜性。

對于非獨立部署，演進路徑分為兩條：

路徑一：選項3系列—>選項2：先部署5G無線接入網，再部署5G核心網，最后將5G無線接入網遷移到5G核心網。

路徑二：選項3系列—>選項7系列或者選項5：先部署5G無線接入網，再部署5G核心網，最后將4G和5G無線接入網一起接入5G核心網。

③獨立部署

就是直接部署一張完整的5G網絡，簡化了非獨立部署向5G核心網遷移的過程，復雜性較低，但更要求完整成熟的5G覆蓋和生態。

5G NR頻譜

上面提到的各種組合套餐，都離不開最重要的原材料——頻譜資源。

5G NR如何定義和分配頻譜？

與2/3/4G時代不同，5G頻譜分配的基本原則叫Band-Agnostic，即5G NR不依賴、不受限于頻譜資源，在低、中、高頻段均可部署。

在R15版本中，定義了兩大FR（頻率范圍）：

FR1：

? 450MHz 到 6000MHz

? 頻段號從1到255

? 通常指的是Sub-6Ghz

FR2:

? 從24250MHz到52600MHz

? 頻段號從257到511

? 通常指的是毫米波mmWave（盡管嚴格的講毫米波頻段大于30GHz）

與LTE不同，5G NR頻段號標識以“n”開頭，比如LTE的B20（Band 20），5G NR稱為n20。

目前3GPP已指定的5G NR頻段具體如下：

FR1

FR2

我們再比較一下LTE的頻段分配：

很明顯，一些LTE頻段也指定給了5G NR，但細心一點你還會發現，在有些頻段號上，5G NR頻段在LTE 頻段上進行了合并或擴展，比如，LTE的B42 (3.4-3.6 GHz) 和B43 (3.6-3.8 GHz) 合并為5G NR的n78（3.4-3.8 GHz），且n77還進一步將其擴展到3.3-4.2GHz。

原因有兩點：①滿足5G NR的大帶寬需求②滿足全球運營商在3.3-4.2GHz頻段內的5G 部署需求。

第①點不用解釋，大家都懂的，主要說說第②點原因。

嗯！其實一張圖就看明白了：

上圖是全球各國在C波段的可用頻段，可用頻段范圍參差不齊，而n77的頻段范圍剛好將其全部覆蓋，通吃！

值得一提的是，在FR1中引入了SUL和SDL，即輔助頻段（Supplementary Bands），這是什么鬼？

眾所周知，手機的發射功率低于基站發射功率，3.5GHz的覆蓋瓶頸受限于上行，工作于更低頻段的SUL（上行輔助頻段）就可以通過載波聚合或雙連接的方式與下行3.5GHz配和，從而補償3.5GHz上行覆蓋不足的瓶頸，這大概和華為提出的上下行解耦是一致的吧。

問題來了，上面列了這么多5G NR頻段，先鋒頻段是哪些？

主要有：n77、n78、n79、n28、n71。

n77和n78，即C-BAND，是目前全球最統一的5G NR頻段。

n79也可能用于5G NR，主要推動國家是中國、俄羅斯和日本。

n28就是傳說中的700MHz，由于其良好的覆蓋性，同樣是香餑餑，在WRC-15上已經確定該頻段為全球移動通信的先鋒候選頻段，如果這段頻段不能充分利用，實在是太可惜了。

n71就是600MHz，目前美國運營商T-Mobile已宣布用600MHz建5G。

關于毫米波頻段，美國、日本和韓國正在試驗5G 28GHz毫米波頻段，初期要實現5G固定無線接入代替光纖入戶的最后幾百米。

不過，目前美日韓的28GHz并不在ITU WRC（世界無線電通信大會）考慮范圍之內，盡管3GPP列入了這一頻段（n257），但最終還需要ITU批準。

至于n258，研究稱該頻段可能會影響衛星通信系統，或將因為要考慮足夠的保護頻帶而進行調整。

5G NR物理層

如此一來，子載波間隔可隨著其工作頻段和UE的移動速度變化而變化，最小化多普勒頻移和相位噪聲的影響。

CP長度：

CP長度是CP開銷和符號間干擾ISI之間的權衡——CP越長， ISI越小，但開銷越大，它將由部署場景（室內還是室外）、工作頻段、服務類型和是否采用采用波束賦形技術來確定。

每TTI的符號數量：

這是時延與頻譜效率之間的權衡——符號數量越少，時延越低，但開銷越大，影響頻譜效率，建議每個TTI的符號數為2^N個，以確保從2^N到1個符號的靈活性和可擴展性，尤其是應對URLLC場景。

總而言之，不同的Numerologies滿足不同的部署場景和實現不同的性能需求，比如，子載波間隔越小，小區范圍越大，這適用于低頻段部署；子載波間隔越大，符號時間長度越短，這適合于低時延場景部署。

幀結構

甭管你怎么組合，采用哪種Numerologies，5G無線幀和子幀的長度都是固定的——一個無線幀的長度固定為10ms，1個子幀的長度固定為1ms，這與LTE是相同的，從而更好的保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR共同部署模式下時隙與幀結構同步，簡化小區搜索和頻率測量。

不同的是，5G NR定義了靈活的子構架，時隙和字符長度可根據子載波間隔靈活定義。

所以，我們簡單將5G幀結構劃分為由固定結構和靈活結構兩部分組成（如下圖）。

這就好比建房子，框架結構定好了，里面的空間可根據自己需要靈活布置。

物理信道帶寬

在小于6GHz頻段（FR1）下，5G NR的最大信道帶寬為100MHz，在毫米波頻段（FR2），5G NR的最大信道帶寬達400MHz，遠遠大于LTE的最大信道帶寬20MHz。

但更值得一提的是，5G NR的帶寬利用率大幅提升到97%以上（LTE的帶寬利用率只有90%）。

如何理解5G NR帶寬利用率提升？

做一道計算題：

10MHz的4G信道有50個RB，每個RB有12個子載波，那么10MHz 4G信道總共600個子載波。由于每個子載波有15kHz的間隔，15*600就等于9000kHz或9MHz，這意味著在10Mhz的信道中，只有9MHz被利用，而大約1MHz被留下作為保護頻帶，所以LTE的帶寬利用率只有90%。

以此類推，20MHz的4G信道有100個RB，它僅使用了20MHz帶寬中的18MHz；50MHz的4G信道有250個RB...

猜猜看，50MHz的5G信道有多少個RB呢？275個。

如下圖，這是在不同的Numerologies下，不同的子載波間隔對應的最小和最大RB數計算表：

調制方式

5G NR用戶面

4G LTE用戶面協議棧由PDCP、RLC和MAC層組成，其廣泛支持從低速物聯網終端到可達1Gbps的高速高端終端，為移動互聯網和4G蜂窩物聯網時代立下汗馬功勞。

5G NR用戶面協議?；贚TE設計，但時代不同，當然有差異。

首先它引入了新的SDAP層，SDAP全稱Service Data Adaptation Protocol，這個SDAP層很有意思，我們趕緊來介紹一下。

我們依稀還記得，網優雇傭軍曾經在2016年的時候吐過一次槽(不好意思，沒控制住)，大意是講我們的無線網絡不具備洞悉流量的能力，痛失實時改善用戶體驗的機會。

5G以用戶為中心，無非就是改善用戶體驗，當然要談及QoS。但大家都知道的，4G網絡的QoS是由核心網發起的、以承載為基本粒度的，而無線接入網不過是執行核心網的強制策略，就是一個打工的。

這樣的QoS機制缺點突出，QoS等級數量有限，無法實時調整，面向繽紛復雜的未來應用，這種預定義式的QoS方式太粗獷且缺乏靈活性。

5G在這方面向前邁進了一大步。5G核心網支持基于IP流而不是EPS承載的QoS控制，從而實現更靈活和更精細的QoS控制。

具體的講，它通過5G 核心網和基站之間單獨的PDU對話隧道來實現多個IP流的獨立無線承載映射，在PDCP層之上引入SDAP層，SDAP層執行IP流和無線承載之間的映射。在SDAP層，在封裝IP包時，IP頭包含這些數據包的QoS標識符 (QFI)。

新引入的SDAP層首次實現了真正的端到端的QoS機制。

另外值得一提的是——PDCP層分集傳輸。

5G要支持URLLC場景，要實現超可靠低時延通信，但是，無線信號變化莫測，用戶行為捉摸不定，無線信號質量的惡化和基站的擁塞均受制于各種不可控因素，要想實現穩定的傳輸可靠性真的好難啊。

怎么辦呢？那就通過載波聚合和多連接技術，使用頻率分集的方式來實現對單個終端的傳輸可靠性。

如上圖所示，數據包在PDCP層處理和復制，并通過每個RLC層，再通過相關的CC發送，接收端處理較早到達的數據包，同時拋棄較晚到達的復制的數據包。

簡而言之，就是在多個無線鏈路上傳輸相同的數據的方式，來抵御無線環境惡化帶來的影響，保障通信鏈路的可靠性。

5G NR控制面

5G NR控制面使用的RRC協議基本與LTE一致，作為無線資源控制層，RRC負責連接管理、接入控制、狀態管理、系統信息廣播等功能。如下圖所示：

首先在RRC狀態上，與LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED兩種RRC狀態不同，5G NR引入了一個新狀態——RRC INACTIVE。

新引入RRC INACTIVE狀態與3G的CELL_PCH差不多，其目的是降低連接延遲、減少信令開銷和功耗，以適應未來各種物聯網場景。

在RRC INACTIVE狀態下，RRC和NAS上下文仍部分保留在終端、基站和核心網中，此時終端狀態幾乎與RRC_IDLE相同，因此可更省電，同時，還可快速從RRC INACTIVE狀態轉移到RRC CONNECTED狀態，減少信令數量。

其次，在系統廣播上，為了提高系統信息的資源使用效率，5G NR引入了點播功能，這意味著它不必像LTE基站一樣要一直廣播所有的系統信息，而是以按需的方式以指定的系統信息通知指定的終端。

第三點值得一提的是，對于非獨立部署，5G NR將RRC協議功能擴展了，以支持LTE-NR雙連接中的RRC獨立連接和RRC分集。

RRC獨立連接：在4G時代的LTE雙連接中，僅主站負責與手機之間的RRC連接，而在LTE-NR雙連接中，從站（即5G基站）也可負責與手機之間的RRC連接（如下圖）。

RRC分集是指主站的RRC消息可以被復制，并通過主站和從站向手機發送相同的消息，以RRC分集的方式提升手機接收RRC消息的成功率，以提升信令傳輸的可靠性（如下圖）。

最后好像應該展望一下未來吧，自我介紹應該是這樣的。

3GPP R15版本不過是5G技術之路的第一步，其主要是為了支持初期的eMBB和部分URLLC場景，未來還要支持更多的用例和垂直應用，未來還有更多的項目去研究。

比如，需討論SCMA、PDMA、MUSA、NCMA、NOCA、GOCA、IDMA、IGMA、RDMA...等等…各大廠家提出的各種多址方案，名字都快數不過來了。

還有自回傳、未授權頻譜5G NR、應用于車聯網的V2X、5G衛星通信接入、應用于無人機打開數字化天空的非地面網絡等等。

未來很長，夢想很大，5G才剛上路。