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這應該是史上最完整的5G NR介紹了

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

這個EPS是為移動寬帶而設計的。

從3G演進到4G,我稱之為”整體演進“,即包括接入網和核心網的EPS整體演進到4G時代。

可到了5G我這兒就不一樣了,那個3GPP組織把接入網(5G NR)和核心網(5G Core)拆開了,要各自獨立演進到5G時代,這是因為5G不僅是為移動寬帶設計,它要面向eMBB(增強型移動寬帶)、URLLC(超可靠低時延通信)和mMTC(大規模機器通信)三大場景。

于是,5G NR、5G核心網、4G核心網和LTE混合搭配,就組成了多種網絡部署選項。

這就像商家推出的多款套餐組合,總有一款適合你。

嗯,主要有這些組合套餐:選項3/3a/3x、7/7a/7x、4/4a為非獨立組網(NSA)構架,選項2、5為獨立組網(SA)構架。

選項3系列:3/3a/3x

2017年12月完成的3GPP Release 15 NSA NR標準正是基于選項3系列。

在選項3系列中,UE同時連接到5G NR和4G E-UTRA,控制面錨定于E-UTRA,沿用EPC(4G核心網),即“LTE assisted,EPC Connected”。

對于控制面(CP),它完全依賴現有的4G系統——EPS LTE S1-MME接口協議和LTE RRC協議。

但對于用戶面(UP),存在變數,這就是選項3系列有3、3a和3x三個子選項的原因。

選項3、3a和3x有啥區別呢?

選項3

選項3其實就是參考3GPP R12的LTE雙連接構架,在LTE雙連接構架中,UE在連接態下可同時使用至少兩個不同基站的無線資源(分為主站和從站);雙連接引入了”分流承載“的概念,即在PDCP層將數據分流到兩個基站,主站用戶面的PDCP層負責PDU編號、主從站之間的數據分流和聚合等功能。

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。

反正我5G基站的處理能力很強嘛,這下不用擔心處理瓶頸的問題了。

從目前來看,除了中國運營商,全球很多領先運營商都宣布支持選項3系列,以實現最初的5G NR部署。

原因很簡單:

1)選項3系列利舊4G網絡,利于快速部署、搶占市場,而且成本還不高;

2)目前5G三大場景中,eMBB是最易實現的,選項3系列可謂是LTE MBB場景的升級版。

比如美國運營商,可選擇選項3系列,在現有的LTE網絡上搭配他們的5G毫米波固定無線。

這些運營商對選項3家族的青睞程度可表示為:選項3x > 選項3a > 選項3。選項3x面向未來,無需對原有的LTE基站升級投資;選項3a簡單樸素;至于選項3,由于要對LTE網絡再投資,嫌棄它的人比較多一點。

可是,中國運營商為啥不愛選項3系列呢?至少目前中國電信已宣布5G采用獨立部署方式。

因為夢想更大啊!

接下來介紹完選項2你就明白了!

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

波形和多址接入方案

3GPP提出了許多波形選項,這是一道很難的選擇題,需考慮與MIMO的兼容性、頻譜效率、低峰均功率比(PAPR)、URLLC用例、實現復雜度等多種因素。

目前3GPP Release 15已確定,CP-OFDM支持5G NR的上行和下行,也引入了DFT-S-OFDM波形與CP-OFDM波形互補。CP-OFDM波形可用于單流和多流(即MIMO)傳輸,而DFT-S-OFDM波形只限于針對鏈路預算受限情況的單流傳輸。

對于5G mMTC場景,正交多址(OMA)可能無法滿足其所需的連接密度,因此,非正交多址(NOMA)方案成為廣泛討論的對象。

Numerologies

Numerology這個概念可翻譯為參數集,大概意思指一套參數,包括子載波間隔,符號長度,CP長度等。

由于5G NR面向三大場景,要適用于大量的用例,因而需要一個可擴展且靈活的物理層設計,并且支持不同的、可擴展的Numerologies。

ODFM的核心思想是將寬信道劃分為若干正交子載波,子載波間隔(subcarrier spacing)、符號長度、循環前綴(cyclic prefix,CP)和TTI這一系列參數定義了OFDM如何劃分子載波,Numerologies指的就是這些參數的不同搭配。

Numerologies,里面隱藏著博大精深的——權衡之術,這很3GPP。

子載波間隔:

子載波間隔是符號時間長度(Symbol Duration)與CP開銷之間的權衡——子載波間隔越小,符號時間長度越長;子載波間隔越大,CP開銷越大。為了實現不同Numerologies之間的高復用率,3GPP確定了 ?f * 2^m的原則。

所謂 ?f * 2^m,指5G NR最基本的子載波間隔與LTE一樣,也是15kHz,但可根據15*(2^m) kHz,m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}靈活擴展,也就是說子載波間隔可以設為3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...(如下表):

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

上下行OFDM調制+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,主要考慮在mMTC場景下,數據速率低,以實現功放的更高效率。

除了π/ 2-BPSK,5G NR與LTE-A使用的調制階次是相同的,不過3GPP正在考慮將1024QAM引入。

信道編碼

在信道編碼上,5G NR與LTE完全不同。

眾所周知,LTE中控制信道采用TBCC,數據信道采用Turbo碼,因為不同信道的有效載荷和需求不同, 5G NR應該與此類似。不過5G NR的數據信道采用LDPC碼,代替了LTE的Turbo碼;5G NR的廣播信道和控制信道采用Polar碼,代替了LTE的TBCC碼。

為什么數據信道用LDPC碼代替Turbo碼?

Turbo碼的特點是編碼復雜度低,但解碼復雜度高,而LDPC碼剛好與之相反。考慮在eMBB場景下,碼塊大于10000且碼率要達到8/9,這對于解碼復雜度高的Turbo碼是硬傷,而LDPC的解碼算法相對更簡單實用,剛好合適。

這就像有首歌唱的,剛好遇見你。

此外,LDPC本質上采用并行的處理方式,而Turbo碼本質上是串行的,因而LDPC更適合支持低時延應用。

至于Polar碼,盡管提出較晚,但其兼具編碼和解碼復雜度低的特點,且非常靈活,在任何碼長和碼率下都具有良好的性能,當然成為了控制信道的不二選擇。

多天線技術和波束賦形

考慮5G頻譜分配原則為Band-Agnostic,在低、中、高頻段均可部署,由于不同的頻段有不同的無線特性,因此對MIMO系統的設計也不盡相同。

再回頭看看5G的頻段分配表,較低的頻段工作于FDD模式,FDD上下行工作于不同頻段,上下行鏈路傳播特性不同,因此引入下行CSI-RS和上行報告是必需的;同時,低頻段的帶寬較小,還需支持MU-MIMO來增強容量。對于這些頻段,3GPP計劃擴展和增強R13和R14的FD-MIMO技術,以支持64、128、256天線陣元,同時提供靈活的CSI采集和波束賦形。

較高的頻段工作于TDD模式,TDD上下行工作于同一頻段,上下行鏈路傳播特性基本相同,因此可充分利用TDD上下行信道的互易性,使得基站能夠直接基于檢測上行信道狀態信息來確定下行發射預處理策略。

對于高頻段的毫米波,由于其傳播損耗更大、覆蓋距離更短,因此將引入更多數量的天線陣元,以增強波束賦形增益。不過,問題又來了,天線陣元越多,就意味著傳統的數字波束賦形技術的系統設計越復雜,成本越高,5G NR就不得不又用到博大精深的權衡之術——混合波束賦形技術。

另外,眾所熟知的LTE用多種傳輸模式(TM)來實現和優化不同場景下的MIMO性能,但這些傳輸模式之間是無法實現動態切換的,它不能適應動態變化的場景,因此,5G NR將考慮傳輸模式的動態適應。

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用戶面協議棧基于LTE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。

文|網優雇傭軍(微信號:hr_opt)

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