簡(jiǎn)述5G首版標(biāo)準(zhǔn)R15，為你展現(xiàn)一個(gè)最真實(shí)的5G

今天， 5G就像一幅抽象畫(huà)，每個(gè)人都有不同的理解。本文希望通過(guò)簡(jiǎn)述5G首版標(biāo)準(zhǔn)R15，為你展現(xiàn)一個(gè)最真實(shí)的5G。

5G定義了增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（URLLC）、大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）三大場(chǎng)景。

針對(duì)這三大場(chǎng)景，在2018年6月已完成的3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了5G NR（新無(wú)線）以滿足5G用例和需求，還定義了新的5G核心網(wǎng)（5GC），以及擴(kuò)展增強(qiáng)了LTE / LTE-Advanced功能。

一張圖看懂系列之5G R15標(biāo)準(zhǔn)…

5G NR

R15 5G NR主要針對(duì)eMBB和URLLC兩大場(chǎng)景定義了新規(guī)范。

eMBB

針對(duì)eMBB場(chǎng)景，NR主要定義了三大類技術(shù)：高頻/超寬帶傳輸、Massive MIMO、靈活的幀結(jié)構(gòu)和物理信道結(jié)構(gòu)。

高頻/超寬帶傳輸

高頻： NR指定了兩大頻段范圍FR1和FR2，F(xiàn)R1（450MHz-6GHz），F(xiàn)R2（24.25GHz-52.6GHz）。

超寬帶：FR1的信道/單載波帶寬高達(dá)100MHz，F(xiàn)R2的單載波帶寬高達(dá)400MHz。

此外，物理層還支持載波聚合（CA）和雙連接技術(shù)，可聚合多達(dá)16個(gè)載波，以實(shí)現(xiàn)更高速傳輸。

LTE頻段不高于3GHz，單載波帶寬僅為20MHz，因此，高頻和超寬帶是5G與4G的主要區(qū)別。

既然NR引入了更高更寬的頻段，由于高頻信號(hào)對(duì)多徑衰落和相位噪聲更敏感，如果像LTE一樣，所有頻率的OFDM子載波間隔都相同，顯然已無(wú)法適應(yīng)，因此，NR還支持15，30，60和120kHz多個(gè)OFDM子載波間隔來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

Massive MIMO

Massive MIMO標(biāo)準(zhǔn)化工作定義了諸如參考信號(hào)設(shè)計(jì)、波束管理等技術(shù)，以期在基站上支持多達(dá)256個(gè)天線單元，在終端側(cè)支持多達(dá)32個(gè)天線單元，以在高頻段中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，下行最高支持單用戶8層和多用戶12層MIMO傳輸，上行最高支持單用戶4層MIMO傳輸。

對(duì)于高頻段，波束賦形是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它可以增強(qiáng)覆蓋范圍。在4G時(shí)代，由于使用頻段較低，可采用數(shù)字波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其波束賦形在數(shù)字域中生成，但這種方式無(wú)法應(yīng)對(duì)5G高頻段Massive MIMO， 5G NR采用了數(shù)字和模擬混合實(shí)現(xiàn)波束賦形。

靈活的幀結(jié)構(gòu)/物理信道結(jié)構(gòu)

如前所述，NR支持多個(gè)子載波間隔，在頻域上子載波間隔可更寬，在時(shí)域上OFDM符號(hào)可更短，比如，LTE的子載波間隔為15KHz，現(xiàn)在5G NR的子載波間隔可達(dá)120KHz，相對(duì)LTE，OFDM符號(hào)長(zhǎng)度縮短了八分之一，從而可實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延傳輸。

5G NR還可靈活改變控制和數(shù)據(jù)信道的分配單元中的OFDM符號(hào)數(shù)量，并可根據(jù)上下行業(yè)務(wù)比率靈活改變幀結(jié)構(gòu)中的上下行時(shí)隙比。

URLLC

URLLC旨在支持或協(xié)助完成一些近實(shí)時(shí)和高可靠性需求的關(guān)鍵任務(wù)型業(yè)務(wù)，比如自動(dòng)駕駛、工業(yè)機(jī)器人和遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

如前所述，通過(guò)使用更寬的子載波間隔并減少OFDM符號(hào)數(shù)量可實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延的通信，另一方面，為了實(shí)現(xiàn)高可靠性，R15還為URLLC定義了新的CQI（信道質(zhì)量指示符）和MCS（調(diào)制和編碼方案）。

增強(qiáng)LTE / LTE-Advanced

4G LTE / LTE-Advanced針對(duì)eMBB、mMTC和URLLC三大場(chǎng)景都進(jìn)行了功能擴(kuò)展和增強(qiáng)，其中，其中5G mMTC場(chǎng)景主要基于LTE / LTE-Advanced技術(shù)擴(kuò)展，以適應(yīng)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)通信。

eMBB

針對(duì)eMBB場(chǎng)景，LTE / LTE-Advanced功能增強(qiáng)主要包括：

1024QAM支持

為了進(jìn)一步提高峰值數(shù)據(jù)速率，R15定義了1024QAM，以及減少了DM-RS（解調(diào)參考信號(hào)）開(kāi)銷。

增強(qiáng)型CoMP（協(xié)同多點(diǎn)傳輸）

增強(qiáng)型CoMP支持非相干聯(lián)合傳輸，兩個(gè)基站可在不知道彼此的信道狀態(tài)信息（CSI）的情況下發(fā)送不同的數(shù)據(jù)序列。

8天線技術(shù)

終端配置8個(gè)接收天線，可擴(kuò)展小區(qū)下行覆蓋范圍，同時(shí)，配合8層MIMO可大幅提升下行速率。

各種干擾抑制技術(shù)

R15還定義了多項(xiàng)增強(qiáng)型LTE / LTE-Advanced功能以降低小區(qū)間的干擾。其中，有一項(xiàng)功能旨在小區(qū)低負(fù)荷狀態(tài)下減少CRS（小區(qū)參考信號(hào)）傳輸，以降低干擾、節(jié)省基站功耗。此外，還定義了一些基站和終端的干擾抑制技術(shù)。

增強(qiáng)載波聚合（CA）功能

早期的載波聚合，由于需測(cè)量候選載波質(zhì)量以及啟動(dòng)RF信道，存在終端處理延遲，為了解決這些問(wèn)題，R15定義了一種機(jī)制，在終端處于空閑態(tài)下提前測(cè)量候選載波的無(wú)線信號(hào)質(zhì)量，并在SCell之前提前初始化RF信道。

上行數(shù)據(jù)壓縮

在TDD模式下，上下行比率通常強(qiáng)調(diào)下行鏈路，因此可用于上行傳輸?shù)臒o(wú)線資源是有限的，為了提升上行鏈路頻譜利用率，R15定義了上行數(shù)據(jù)壓縮機(jī)制，主要對(duì)IP層及以上的分組報(bào)頭進(jìn)行壓縮。

視頻QoE測(cè)量功能/內(nèi)容緩存

隨著移動(dòng)視頻興起，在移動(dòng)通信環(huán)境中提升視頻體驗(yàn)（QoE）成為運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。為了測(cè)量現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的QoE，R15定義了一種可以直接從終端收集QoE測(cè)量值的機(jī)制，稱為最小化路測(cè)（MDT）。

同時(shí)，R15還研究了將視頻內(nèi)容緩存至靠近基站的服務(wù)器的機(jī)制，以減少下載視頻時(shí)的時(shí)延。通過(guò)該機(jī)制，終端直接從基站或附近的內(nèi)容服務(wù)器下載數(shù)據(jù)，而不必再經(jīng)過(guò)回傳至核心網(wǎng)，從而減少時(shí)延。

mMTC

針對(duì)mMTC場(chǎng)景，LTE / LTE-Advanced功能增強(qiáng)主要包括：

無(wú)人機(jī)終端檢測(cè)/干擾抑制

無(wú)人機(jī)正廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但存在飛行范圍有限、難于監(jiān)管等問(wèn)題，未來(lái)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)是必然趨勢(shì)。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)需求，3GPP已研究通過(guò)LTE / LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)為無(wú)人機(jī)終端提供廣域通信支持。

由于無(wú)人機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，會(huì)引入從無(wú)人機(jī)到基站的上行鏈路干擾問(wèn)題，R15為無(wú)人機(jī)終端定義了開(kāi)環(huán)功率控制參數(shù)。此外，還研究了通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)無(wú)人機(jī)是否獲得飛行許可證。

增強(qiáng)型LTE-M和NB-IoT

R15進(jìn)一步增強(qiáng)了蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LTE-M和NB-IoT的功能，主要是增加了TDD支持和低功耗能力。

（a）空閑模式省電技術(shù)（喚醒信號(hào)）

為降低空閑模式下的功耗，R15定義了新的喚醒信號(hào)。通常處于空閑模式下的物聯(lián)網(wǎng)終端會(huì)周期性地解碼下行控制信道以獲得尋呼信息，由于在信道解碼之前終端并不知道是否有尋呼消息，這個(gè)過(guò)程必須定期執(zhí)行，這會(huì)增加功耗，因此，R15定義了一種檢測(cè)喚醒信號(hào)的簡(jiǎn)單過(guò)程，讓物聯(lián)網(wǎng)終端可直接確定是否有尋呼消息，不必再周期性解碼，從而進(jìn)一步降低功耗。

（b）減少小數(shù)據(jù)包時(shí)延

很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用傳送的是極小的數(shù)據(jù)包，比如智能抄表，針對(duì)這些應(yīng)用，R15定義了在隨機(jī)接入過(guò)程中直接添加小數(shù)據(jù)包傳送，從而減少通信時(shí)延。

（c）TDD支持

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。

增強(qiáng)型V2X（車聯(lián)網(wǎng)）

R15對(duì)R14發(fā)布的V2X通信功能進(jìn)行了擴(kuò)展。為了提高V2X通信的數(shù)據(jù)速率和帶寬，CA被引入到模式4，讓終端能從資源池中自主選擇傳輸資源。同時(shí)，還增加了對(duì)64QAM調(diào)制方式的支持，并新增了新的終端性能規(guī)范以滿足低延遲要求。

URLLC for LTE

4G網(wǎng)絡(luò)也要能支持VR、自動(dòng)駕駛等低時(shí)延業(yè)務(wù)，為此，R15定義了在LTE / LTE-Advanced上實(shí)現(xiàn)低延遲高可靠通信的功能。

主要包括：

提升下行控制信道和上下行數(shù)據(jù)信道傳輸質(zhì)量

在傳統(tǒng)LTE / LTE-Advanced的下行控制信道中，PCFICH（物理控制格式指示信道）用來(lái)指明PDCCH在子幀內(nèi)所占用的符號(hào)個(gè)數(shù)，需檢測(cè)PCFICH信道識(shí)別PDCCH OFDM符號(hào)數(shù)量，然而，在這種情況下，整個(gè)下行鏈路控制信道的質(zhì)量受到PCFICH錯(cuò)誤檢測(cè)的約束，為此，R15指定了一種改善下行控制信道質(zhì)量的辦法，通過(guò)更高層信令直接通知PDCCH OFDM符號(hào)數(shù)量，從而避免受PCFICH檢測(cè)錯(cuò)誤的影響。

降低LTE時(shí)延

為了降低時(shí)延，新的short TTI被定義。傳統(tǒng)LTE的1ms TTI包含2個(gè)時(shí)隙，14個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)時(shí)隙由7個(gè)OFDM符號(hào)組成，基于Short TTI，可實(shí)現(xiàn)2~3個(gè)OFDM符號(hào)調(diào)度，從而可將空口單向時(shí)延從10ms降低到1ms。

同時(shí)，還降低了從接收到數(shù)據(jù)到發(fā)送HARQ反饋之間的處理時(shí)延，以及從接收到下行控制信道到上行數(shù)據(jù)發(fā)送之間的處理時(shí)延，從之前的最小值4毫秒降至3毫秒。

5GC

眾所周知，從無(wú)線或終端側(cè)的角度看，5G組網(wǎng)包含了獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）。

簡(jiǎn)單解釋：

NSA，就是終端通過(guò)多種無(wú)線接入技術(shù)（比如LTE和NR）連接到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，若終端通過(guò)LTE和NR連接到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，這就叫“雙連接”；SA，就是終端只通過(guò)一種無(wú)線接入技術(shù)連接到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

從核心網(wǎng)側(cè)的角度，針對(duì)獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)，5GC（5G核心網(wǎng)）也將提供兩種解決方案：EPC擴(kuò)展方案和5GC方案。

EPC擴(kuò)展方案

EPC擴(kuò)展方案支持EPC雙連接，其主要特征是，利舊4G基站（eNB）與EPC之間的S1接口和終端與EPC之間的非接入層接口（NAS），以盡量減少對(duì)4G核心網(wǎng)設(shè)備的改造，使能快速地引入5G NR。

一方面，5G早期語(yǔ)音業(yè)務(wù)和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要依靠已實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋的4G LTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載；另一方面，由于5G NR頻段更高，早期僅限于局部部署基站，難以快速形成連續(xù)覆蓋，因此，一些運(yùn)營(yíng)商為了盡早引入5G來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)容量，會(huì)采用EPC雙連接的部署方式，通過(guò)現(xiàn)有4G核心網(wǎng)的EPC設(shè)備來(lái)繼續(xù)提供4G數(shù)據(jù)、VoLTE和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，并引入5G NR來(lái)滿足高清視頻一類的大流量業(yè)務(wù)需求。

不過(guò)，既然引入了5G NR，考慮以后的5G套餐、漫游等問(wèn)題，4G EPC當(dāng)然不能保持原狀不動(dòng)，它還需要引入一些新功能以靈活地提供5G NR服務(wù)。

這些新功能指5G NR服務(wù)識(shí)別（控制）功能，主要包括：

?5G區(qū)域通知功能

當(dāng)終端連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，比如attach，核心網(wǎng)會(huì)確認(rèn)該用戶是否辦理5G套餐，如果已辦理，再基于基站小區(qū)配置信息，確定該終端是否在5G NR覆蓋區(qū)域，是否能為終端提供5G NR連接。

?5G NR連接決策功能

如上所述，若終端用戶辦理了5G套餐，覆蓋基站也支持5G NR，接下來(lái)就是為5G終端建立5G NR連接了。

?5G網(wǎng)關(guān)（GW）選擇功能

核心網(wǎng)將提供轉(zhuǎn)為5G容量而優(yōu)化的GW設(shè)備，并優(yōu)先考慮將支持5G NR的終端連接到該GW設(shè)備。

?5G數(shù)據(jù)報(bào)告功能

在LTE與NR雙連接模式下，基站會(huì)根據(jù)無(wú)線環(huán)境等因素向4G基站和5G基站靈活分配數(shù)據(jù)流量，還需計(jì)數(shù)5G基站到底傳送了多少數(shù)據(jù)流量，并報(bào)告給核心網(wǎng)。

5GC方案

5GC，即5G核心網(wǎng)，有了5G核心網(wǎng)，就不再沿用4G核心網(wǎng)了。值得一提的是，5G核心網(wǎng)變化很大，可以說(shuō)是一種顛覆性設(shè)計(jì)。

5G核心網(wǎng)基于服務(wù)化、軟件化架構(gòu)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片、控制/用戶面分離等技術(shù)，使能網(wǎng)絡(luò)定制化、開(kāi)放化和服務(wù)化，以面向萬(wàn)物互聯(lián)和各行各業(yè)。

SBA（Service Based Architecture），即基于服務(wù)的架構(gòu)，它基于云原生（Cloud Native）構(gòu)架設(shè)計(jì)。云原生主要由微服務(wù)、DevOps和以容器為代表的敏捷基礎(chǔ)架構(gòu)等幾部分組成，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)交付的彈性、可重復(fù)性和可靠性。

5G核心網(wǎng)基于服務(wù)的接口和API，使能運(yùn)營(yíng)商面向各個(gè)行業(yè)敏捷創(chuàng)建“網(wǎng)絡(luò)切片”，使得未來(lái)運(yùn)營(yíng)商的角色從“管道”轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌脚_(tái)提供商”。

5GC不僅支持連接5G基站，還支持連接4G基站，不過(guò)，連接5GC的4G基站不再叫eNB，而是叫ng-eNB，它與5G基站共同使用新的N2接口。

此外，還將提供語(yǔ)音回落技術(shù)，當(dāng)終端進(jìn)行VoLTE語(yǔ)音呼叫時(shí)，終端將連接到4G EPC。

全文完。

R15是5G的第一階段標(biāo)準(zhǔn)，面向5G第二階段，3GPP 已于2018年10月啟動(dòng)制定R16標(biāo)準(zhǔn)，在NR方面，R16將推進(jìn)毫米波的多波束/ MIMO技術(shù)，擴(kuò)展URLLC和IoT的應(yīng)用領(lǐng)域；在5GC方面，R16將進(jìn)一步研究5GC功能演進(jìn)，以面向未來(lái)5G多樣化業(yè)務(wù)應(yīng)用。

總之， 5G首版標(biāo)準(zhǔn)R15既兼顧了4G平滑演進(jìn)，也考慮了5G未來(lái)新需求；既增強(qiáng)了4G功能，也新增了5G能力，充分展現(xiàn)出以穩(wěn)健、務(wù)實(shí)的步伐邁向5G時(shí)代。

這也許與有些人想象中的科幻版5G并不相符，但這就是最真實(shí)、最權(quán)威的5G。沒(méi)有必要把5G捧上天，5G作為下一代移動(dòng)通信技術(shù)，它是未來(lái)ICT基礎(chǔ)設(shè)施，要改變世界，還需要與多技術(shù)融合、多方生態(tài)合作來(lái)協(xié)力完成。也更不應(yīng)唱衰5G，與以往任何一個(gè)G一樣，它終將一步一步走向成熟與普及。