一文读懂5G首版标准

誓约之剑

今天， 5G就像一幅抽象画，每个人都有不同的理解。本文希望通过简述5G首版标准R15，为你展现一个最真实的5G。
5G定义了增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）、大规模机器类型通信（mMTC）三大场景。
针对这三大场景，在2018年6月已完成的3GPP R15标准不仅定义了5G NR（新无线）以满足5G用例和需求，还定义了新的5G核心网（5GC），以及扩展增强了LTE / LTE-Advanced功能。
一张图看懂系列之5G R15标准…

# b0 d8 ^( B6 C5G NR
R15 5G NR主要针对eMBB和URLLC两大场景定义了新规范。
eMBB
针对eMBB场景，NR主要定义了三大类技术：高频/超宽带传输、Massive MIMO、灵活的帧结构和物理信道结构。
高频/超宽带传输
$ O5 D) d) h: U* j( u高频： NR指定了两大频段范围FR1和FR2，FR1（450MHz-6GHz），FR2（24.25GHz-52.6GHz）。
超宽带：FR1的信道/单载波带宽高达100MHz，FR2的单载波带宽高达400MHz。
1 `+ A" ^7 K( ~此外，物理层还支持载波聚合（CA）和双连接技术，可聚合多达16个载波，以实现更高速传输。
LTE频段不高于3GHz，单载波带宽仅为20MHz，因此，高频和超宽带是5G与4G的主要区别。
3 i1 r" H1 g% Q( }7 ~9 H0 c
: g  {' |' |) i! }既然NR引入了更高更宽的频段，由于高频信号对多径衰落和相位噪声更敏感，如果像LTE一样，所有频率的OFDM子载波间隔都相同，显然已无法适应，因此，NR还支持15，30，60和120kHz多个OFDM子载波间隔来进行数据传输。
Massive MIMO
! M; Q2 y: ?& WMassive MIMO标准化工作定义了诸如参考信号设计、波束管理等技术，以期在基站上支持多达256个天线单元，在终端侧支持多达32个天线单元，以在高频段中实现大规模MIMO传输。
为了实现高速数据传输，下行最高支持单用户8层和多用户12层MIMO传输，上行最高支持单用户4层MIMO传输。
对于高频段，波束赋形是一项关键技术，它可以增强覆盖范围。在4G时代，由于使用频段较低，可采用数字波束赋形技术实现，其波束赋形在数字域中生成，但这种方式无法应对5G高频段Massive MIMO， 5G NR采用了数字和模拟混合实现波束赋形。
0 T! I: R# A7 B+ B/ g% l: w7 y9 _: p
# m& }+ C5 a& K+ u灵活的帧结构/物理信道结构
如前所述，NR支持多个子载波间隔，在频域上子载波间隔可更宽，在时域上OFDM符号可更短，比如，LTE的子载波间隔为15KHz，现在5G NR的子载波间隔可达120KHz，相对LTE，OFDM符号长度缩短了八分之一，从而可实现更低时延传输。

  _3 M/ l2 m1 a5 q" [" a' x$ U& m5G NR还可灵活改变控制和数据信道的分配单元中的OFDM符号数量，并可根据上下行业务比率灵活改变帧结构中的上下行时隙比。
7 x3 I% w! A# dURLLC
* ?" O" U8 |& o% HURLLC旨在支持或协助完成一些近实时和高可靠性需求的关键任务型业务，比如自动驾驶、工业机器人和远程医疗等。
如前所述，通过使用更宽的子载波间隔并减少OFDM符号数量可实现更低时延的通信，另一方面，为了实现高可靠性，R15还为URLLC定义了新的CQI（信道质量指示符）和MCS（调制和编码方案）。
增强LTE / LTE-Advanced
  j& n3 n+ }# j# o5 k1 h4G LTE / LTE-Advanced针对eMBB、mMTC和URLLC三大场景都进行了功能扩展和增强，其中，其中5G mMTC场景主要基于LTE / LTE-Advanced技术扩展，以适应大规模物联网通信。
eMBB
$ J$ m6 P- y8 [. u针对eMBB场景，LTE / LTE-Advanced功能增强主要包括：
) z" k* o4 }* {% S4 }" O" A$ ^/ \1024QAM支持
" y( C' o7 \; W! Z: T9 g为了进一步提高峰值数据速率，R15定义了1024QAM，以及减少了DM-RS（解调参考信号）开销。
增强型CoMP（协同多点传输）
增强型CoMP支持非相干联合传输，两个基站可在不知道彼此的信道状态信息（CSI）的情况下发送不同的数据序列。
8天线技术
( z: W( \7 E1 o7 k; Q: }% o2 A终端配置8个接收天线，可扩展小区下行覆盖范围，同时，配合8层MIMO可大幅提升下行速率。
各种干扰抑制技术
/ m& S  @, j0 |2 IR15还定义了多项增强型LTE / LTE-Advanced功能以降低小区间的干扰。其中，有一项功能旨在小区低负荷状态下减少CRS（小区参考信号）传输，以降低干扰、节省基站功耗。此外，还定义了一些基站和终端的干扰抑制技术。
增强载波聚合（CA）功能
$ S  I" B0 L( L" l' t早期的载波聚合，由于需测量候选载波质量以及启动RF信道，存在终端处理延迟，为了解决这些问题，R15定义了一种机制，在终端处于空闲态下提前测量候选载波的无线信号质量，并在SCell之前提前初始化RF信道。
上行数据压缩
" W% y* {$ z( H5 R* [8 \7 j2 {在TDD模式下，上下行比率通常强调下行链路，因此可用于上行传输的无线资源是有限的，为了提升上行链路频谱利用率，R15定义了上行数据压缩机制，主要对IP层及以上的分组报头进行压缩。
视频QoE测量功能/内容缓存
1 w. {. H" k, ^# h随着移动视频兴起，在移动通信环境中提升视频体验（QoE）成为运营商重点关注的问题。为了测量现实网络的QoE，R15定义了一种可以直接从终端收集QoE测量值的机制，称为最小化路测（MDT）。
* F( s" b) s# q1 D3 K同时，R15还研究了将视频内容缓存至靠近基站的服务器的机制，以减少下载视频时的时延。通过该机制，终端直接从基站或附近的内容服务器下载数据，而不必再经过回传至核心网，从而减少时延。
2 M: U9 J% `; R7 x$ E8 y( |mMTC
针对mMTC场景，LTE / LTE-Advanced功能增强主要包括：
( m$ @1 v6 L* z! L0 x$ b无人机终端检测/干扰抑制
无人机正广泛应用于各行各业，但存在飞行范围有限、难于监管等问题，未来接入移动通信网络的联网无人机是必然趋势。为了应对未来需求，3GPP已研究通过LTE / LTE-Advanced网络为无人机终端提供广域通信支持。
% l+ ]; l8 T: ]) X- c8 e: X由于无人机联网后，会引入从无人机到基站的上行链路干扰问题，R15为无人机终端定义了开环功率控制参数。此外，还研究了通过移动通信网络来检测无人机是否获得飞行许可证。
增强型LTE-M和NB-IoT
R15进一步增强了蜂窝物联网技术LTE-M和NB-IoT的功能，主要是增加了TDD支持和低功耗能力。
9 y8 N0 Z5 a3 N9 T( L. j6 ^6 f（a）空闲模式省电技术（唤醒信号）
为降低空闲模式下的功耗，R15定义了新的唤醒信号。通常处于空闲模式下的物联网终端会周期性地解码下行控制信道以获得寻呼信息，由于在信道解码之前终端并不知道是否有寻呼消息，这个过程必须定期执行，这会增加功耗，因此，R15定义了一种检测唤醒信号的简单过程，让物联网终端可直接确定是否有寻呼消息，不必再周期性解码，从而进一步降低功耗。
. e( w8 ]" \! `+ E2 k（b）减少小数据包时延
9 \' K( n$ k$ D8 B, @很多物联网应用传送的是极小的数据包，比如智能抄表，针对这些应用，R15定义了在随机接入过程中直接添加小数据包传送，从而减少通信时延。
$ x& i5 `, w. X3 s( C（c）TDD支持
' I+ C9 [) H: |. k- \在R13和R14版本中，LTE-M和NB-IoT只支持FDD模式，R15增加了支持TDD模式。
增强型V2X（车联网）
R15对R14发布的V2X通信功能进行了扩展。为了提高V2X通信的数据速率和带宽，CA被引入到模式4，让终端能从资源池中自主选择传输资源。同时，还增加了对64QAM调制方式的支持，并新增了新的终端性能规范以满足低延迟要求。
URLLC for LTE
. r' J# O8 h% K. O$ b$ a8 @) |4G网络也要能支持VR、自动驾驶等低时延业务，为此，R15定义了在LTE / LTE-Advanced上实现低延迟高可靠通信的功能。
主要包括：
提升下行控制信道和上下行数据信道传输质量
在传统LTE / LTE-Advanced的下行控制信道中，PCFICH（物理控制格式指示信道）用来指明PDCCH在子帧内所占用的符号个数，需检测PCFICH信道识别PDCCH OFDM符号数量，然而，在这种情况下，整个下行链路控制信道的质量受到PCFICH错误检测的约束，为此，R15指定了一种改善下行控制信道质量的办法，通过更高层信令直接通知PDCCH OFDM符号数量，从而避免受PCFICH检测错误的影响。
降低LTE时延
% ~8 M: V. y3 n- S3 Y+ _为了降低时延，新的short TTI被定义。传统LTE的1ms TTI包含2个时隙，14个OFDM符号，每个时隙由7个OFDM符号组成，基于Short TTI，可实现2~3个OFDM符号调度，从而可将空口单向时延从10ms降低到1ms。
同时，还降低了从接收到数据到发送HARQ反馈之间的处理时延，以及从接收到下行控制信道到上行数据发送之间的处理时延，从之前的最小值4毫秒降至3毫秒。
5GC
众所周知，从无线或终端侧的角度看，5G组网包含了独立组网（SA）和非独立组网（NSA）。
3 h6 U# c) Z4 H简单解释：
NSA，就是终端通过多种无线接入技术（比如LTE和NR）连接到移动通信网络，若终端通过LTE和NR连接到移动通信网络，这就叫“双连接”；SA，就是终端只通过一种无线接入技术连接到移动通信网络。
从核心网侧的角度，针对独立组网和非独立组网，5GC（5G核心网）也将提供两种解决方案：EPC扩展方案和5GC方案。
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EPC扩展方案
8 n, A2 ~+ g% Y) i% `* P) z' R* OEPC扩展方案支持EPC双连接，其主要特征是，利旧4G基站（eNB）与EPC之间的S1接口和终端与EPC之间的非接入层接口（NAS），以尽量减少对4G核心网设备的改造，使能快速地引入5G NR。
6 {. q4 f, S/ N; v一方面，5G早期语音业务和蜂窝物联网业务需要依靠已实现连续覆盖的4G LTE网络来承载；另一方面，由于5G NR频段更高，早期仅限于局部部署基站，难以快速形成连续覆盖，因此，一些运营商为了尽早引入5G来提升网络容量，会采用EPC双连接的部署方式，通过现有4G核心网的EPC设备来继续提供4G数据、VoLTE和蜂窝物联网业务，并引入5G NR来满足高清视频一类的大流量业务需求。
不过，既然引入了5G NR，考虑以后的5G套餐、漫游等问题，4G EPC当然不能保持原状不动，它还需要引入一些新功能以灵活地提供5G NR服务。
/ T3 F! P  e1 A( U3 j' @5 G这些新功能指5G NR服务识别（控制）功能，主要包括：
•5G区域通知功能
2 S% S1 Y8 L% M% O3 H. K5 v当终端连接网络时，比如attach，核心网会确认该用户是否办理5G套餐，如果已办理，再基于基站小区配置信息，确定该终端是否在5G NR覆盖区域，是否能为终端提供5G NR连接。
5 V5 t/ j6 O: x! h* t2 u* a4 ?3 v•5G NR连接决策功能
如上所述，若终端用户办理了5G套餐，覆盖基站也支持5G NR，接下来就是为5G终端建立5G NR连接了。
•5G网关（GW）选择功能
核心网将提供转为5G容量而优化的GW设备，并优先考虑将支持5G NR的终端连接到该GW设备。
* I9 J% ^+ u1 j1 i% t•5G数据报告功能
. b' S4 H+ ]! C7 B8 W8 r# R在LTE与NR双连接模式下，基站会根据无线环境等因素向4G基站和5G基站灵活分配数据流量，还需计数5G基站到底传送了多少数据流量，并报告给核心网。
5GC方案
& D8 q4 e2 i3 s( I: y8 U5GC，即5G核心网，有了5G核心网，就不再沿用4G核心网了。值得一提的是，5G核心网变化很大，可以说是一种颠覆性设计。
5G核心网基于服务化、软件化架构，并通过网络切片、控制/用户面分离等技术，使能网络定制化、开放化和服务化，以面向万物互联和各行各业。
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' T- i3 h/ \3 P$ |; T: ASBA（Service Based Architecture），即基于服务的架构，它基于云原生（Cloud Native）构架设计。云原生主要由微服务、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构等几部分组成，目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。
5G核心网基于服务的接口和API，使能运营商面向各个行业敏捷创建“网络切片”，使得未来运营商的角色从“管道”转变为“平台提供商”。
4 h/ ~7 w0 K8 L7 U) k5 D& ^. {5 L5GC不仅支持连接5G基站，还支持连接4G基站，不过，连接5GC的4G基站不再叫eNB，而是叫ng-eNB，它与5G基站共同使用新的N2接口。
. ^: R5 |7 t$ Z6 q3 [此外，还将提供语音回落技术，当终端进行VoLTE语音呼叫时，终端将连接到4G EPC。
全文完。
R15是5G的第一阶段标准，面向5G第二阶段，3GPP 已于2018年10月启动制定R16标准，在NR方面，R16将推进毫米波的多波束/ MIMO技术，扩展URLLC和IoT的应用领域；在5GC方面，R16将进一步研究5GC功能演进，以面向未来5G多样化业务应用。
总之， 5G首版标准R15既兼顾了4G平滑演进，也考虑了5G未来新需求；既增强了4G功能，也新增了5G能力，充分展现出以稳健、务实的步伐迈向5G时代。
这也许与有些人想象中的科幻版5G并不相符，但这就是最真实、最权威的5G。没有必要把5G捧上天，5G作为下一代移动通信技术，它是未来ICT基础设施，要改变世界，还需要与多技术融合、多方生态合作来协力完成。也更不应唱衰5G，与以往任何一个G一样，它终将一步一步走向成熟与普及。
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