5G NR標(biāo)準(zhǔn) 下一代無線通信技術(shù)

“5G”在更寬泛的語境中，常常用來意指未來移動(dòng)通信能夠支持的、可預(yù)見的應(yīng)用服務(wù)。2017標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP推出第一版5G技術(shù)規(guī)范NR。NR主要滿足了5G哪些應(yīng)用服務(wù)，又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

以人為中心的通信，通俗來說就是我們通過智能手機(jī)每天使用的各種服務(wù)。NR會(huì)讓大家手機(jī)上網(wǎng)的速度越來越快。雖然4G已帶來了很好的上網(wǎng)體驗(yàn)，但是隨著移動(dòng)業(yè)務(wù)的不斷拓展，以及提速降費(fèi)的大背景，單個(gè)用戶產(chǎn)生的流量不斷增加，單純通過4G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容來滿足需求已經(jīng)越來越困難了。

NR大幅拓展了頻譜范圍。LTE只支持3GHz以下的頻段，NR擴(kuò)展到6GHz以下，以及毫米波24.25-52. 6GHz。頻譜資源是一切無線通信的基石，越大的頻率范圍則意味著運(yùn)營商更有可能找到可用的頻率資源來部署NR。不同的頻譜范圍意味著不同的時(shí)延拓展、多普勒頻移、相位噪聲特性，為此NR在定義OFDM信號(hào)參數(shù)時(shí)，引入了多組參數(shù)（參數(shù)集），靈活支持不同的頻譜范圍。此外頻率資源豐富的中高頻(特別是毫米波)信號(hào)在傳播過程中會(huì)遭受嚴(yán)重的衰減，限制了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。為此NR進(jìn)一步引入先進(jìn)的多天線發(fā)射和接收技術(shù)，增加覆蓋。同時(shí)通過上下行解耦，低頻和高頻聯(lián)合工作，充分融合低頻覆蓋好、高頻容量大的優(yōu)勢。

信道相關(guān)的調(diào)度，充分考慮信道質(zhì)量的瞬時(shí)變化，用戶間調(diào)度，支持用戶間動(dòng)態(tài)共享無線資源, 充分考慮了流量優(yōu)先級(jí)和QoS要求。NR的調(diào)度可以支持動(dòng)態(tài)TDD，可由調(diào)度器動(dòng)態(tài)配置一個(gè)時(shí)隙或者部分時(shí)隙為上行或下行。通過這種動(dòng)態(tài)配置，系統(tǒng)可以快速適應(yīng)上下行業(yè)務(wù)需求的變化。NR支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。為了支持非常高的數(shù)據(jù)速率，NR引入了一些新的技術(shù)。比如數(shù)據(jù)信道編碼采用LDPC碼。相較于LTE中使用Turbo碼，在較高碼率時(shí)LDPC碼接收機(jī)更加易于實(shí)現(xiàn)。

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NR向前兼容，未來可以方便引入新技術(shù)。可以預(yù)見5G的需求會(huì)不斷變化，同時(shí)新技術(shù)的演講也一刻不停，這都需要讓NR為其未來的演進(jìn)預(yù)留足夠的空間：能夠支持未來具有新需求和新特性的服務(wù)，同時(shí)仍能支持同一載波上的傳統(tǒng)終端。

為了支持向前兼容，NR盡可能規(guī)避強(qiáng)制要求在固定的時(shí)頻資源上進(jìn)行傳送，以免和未來技術(shù)發(fā)生沖突，同時(shí)NR中還可以配置預(yù)留資源，即這些資源不用于傳統(tǒng)終端的任何傳輸，而用于未來或者其他無線技術(shù)使用（類似預(yù)留字段）。這有著現(xiàn)實(shí)和未來兩重的意義，現(xiàn)實(shí)來說可以讓NR在早期部署的時(shí)候，通過配置預(yù)留資源，可以和LTE靈活地共享頻譜，降低早期部署成本；未來則可以讓NR持續(xù)靈活演進(jìn)。

5G的使命是改變社會(huì)，除了讓人們越來越方便接入互聯(lián)網(wǎng)，還要全方位地改變社會(huì)上各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)營。為此，需要通過5G的通信能力把設(shè)備間的距離無限拉近，并結(jié)合云/Edge、大數(shù)據(jù)和AI這些最新科技，為各個(gè)行業(yè)提供數(shù)字化服務(wù)。這些以機(jī)器為中心的通信需求千變?nèi)f化：

有些需要最大程度上考慮功耗、覆蓋和設(shè)備成本。比如智能路燈、智能電表、水表、垃圾桶，乃至若干智能穿戴設(shè)備都可以歸屬此類。在未來的社會(huì)，這些終端往往是海量的連接。有些需要最大程度上在一定時(shí)延的范圍內(nèi)，考慮通信的可靠性，以及安全性：比如工業(yè)機(jī)器人、工廠自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛。有些則需要極高的帶寬，比如超高清直播。為此，5G必須從空口滿足這些靈活多變的需求：

大規(guī)模機(jī)器類通信需求。通常這類需求是指終端發(fā)送數(shù)據(jù)量較少、時(shí)延要求比較寬松，但對(duì)低功耗和低成本要求很高的場景，而且終端數(shù)量一般很多。

對(duì)于低端的大規(guī)模機(jī)器通信，NR沒有獨(dú)立提出解決方案，而由LTE技術(shù)中的 eMTC和NB-IoT來解決這類需求。一方面是因?yàn)檫@些技術(shù)已很好地支持低端的大規(guī)模機(jī)器通信；另一方面因?yàn)檫\(yùn)營商已經(jīng)部署了NB-IoT或者eMTC技術(shù)，和一般的智能機(jī)不同的是，這種類型終端的服務(wù)期一般會(huì)很長，有的甚至達(dá)到10年乃至更久。因此NR僅僅通過上文提及的資源保留等機(jī)制與這些現(xiàn)有接入技術(shù)的共存。長期來看， NR必然能夠演進(jìn)到直接支持大規(guī)模機(jī)器類型通信，目前的觀點(diǎn)是主要考慮滿足中高端設(shè)備的需求。

超低時(shí)延可靠機(jī)器通信。典型的應(yīng)用領(lǐng)域的例子是工廠自動(dòng)化。很多情況下，這類應(yīng)用在可靠性和時(shí)延方面要求都很高。NR第一個(gè)版本主要解決URLLC的低時(shí)延部分，意味著超高可靠性的支持將在NR后續(xù)部分支持。

超低時(shí)延是NR的一個(gè)重要特征，對(duì)NR的很多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都有影響。一個(gè)系統(tǒng)如果想要實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，是需要在各個(gè)處理模塊上‘精雕細(xì)琢’，才能在總體上保證時(shí)延。比如：NR定義了微時(shí)隙的概念，縮短了最低傳輸持續(xù)時(shí)間。這種傳輸還可以搶占另一個(gè)終端正在進(jìn)行的、基于時(shí)隙的傳輸，以便允許低時(shí)延數(shù)據(jù)的即時(shí)傳送。另外一個(gè)例子是使用“前置”的參考信號(hào)和控制信令，終端可以立即開始處理接收的數(shù)據(jù)而無需事先緩沖，降低解碼的時(shí)延。

除了物理層，高層MAC和RLC協(xié)議的設(shè)計(jì)也考慮了低時(shí)延的情況，比如它的報(bào)頭結(jié)構(gòu)使得能夠在不知道要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的情況下開始進(jìn)行處理。這對(duì)上行傳輸尤其重要，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸量是由網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，NR終端可以在接收到網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)之前就預(yù)處理，從而降低了時(shí)延。可以說，這些降低時(shí)延的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)貫穿了整個(gè)NR的方方面面。

當(dāng)然為了有效支持各種機(jī)器通信，NR不光需要從協(xié)議層面靈活地支持多個(gè)維度上需求，而且需要從產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。這方面各個(gè)廠家的產(chǎn)品不盡相同，百花齊放，這里列舉幾個(gè)例子：

網(wǎng)絡(luò)切片。將實(shí)體網(wǎng)絡(luò)上劃分為若干網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)切片是服務(wù)于特定業(yè)務(wù)或客戶需求的一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，從最大程度上滿足各種不同業(yè)務(wù)的需求。例如，類似于LTE提供的移動(dòng)寬帶服務(wù)，可以構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片并支持完整的移動(dòng)性，或者可以構(gòu)造另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片以支持特定的非移動(dòng)、但有低時(shí)延要求的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。這些切片將運(yùn)行在共同的、基礎(chǔ)性的物理核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)上，但從用戶應(yīng)用的角度來看，它們像是運(yùn)行在各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)中。在許多方面，網(wǎng)絡(luò)切片類似于在同一個(gè)物理計(jì)算機(jī)上配置多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)。

邊緣計(jì)算，將用戶應(yīng)用的一部分在靠近核心網(wǎng)邊緣的地方運(yùn)行，而不需要數(shù)據(jù)透過無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、Internet網(wǎng)接入用戶應(yīng)用。邊緣計(jì)算不但滿足了低時(shí)延要求，而且可以提高數(shù)據(jù)的安全性，降低運(yùn)營商的傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

控制面和用戶面的分離，以及虛擬化?？刂泼婧陀脩裘娴姆蛛x意味著兩者容量的獨(dú)立縮放。例如，如果需要更多的控制面容量，則單獨(dú)擴(kuò)容控制面而不必同時(shí)對(duì)用戶面擴(kuò)容。而虛擬化技術(shù)在5G的核心網(wǎng)中會(huì)大量采用，運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)硬件上。這些技術(shù)的采用，為5G能靈活服務(wù)各類業(yè)務(wù)提供了方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的解決方案。