5G NR 标准：下一代无线通信技术
昨天有一篇混子曰的文章，用通俗易懂的漫画方式为大家讲解了5G到底是什么东西，经过翻阅文章，我们也了解了一二，但是你只表面的知道了5G这个概念，但是深入的话还是没有了解，所以下面将继续讲5G技术规范NR。
“5G”在更宽泛的语境中，常常用来意指未来移动通信能够支持的、可预见的应用服务。2017标准化组织3GPP推出第一版5G技术规范NR。NR主要满足了5G哪些应用服务，又是如何实现的呢？
NR增强了以人为中心的通信
以人为中心的通信，通俗来说就是我们通过智能手机每天使用的各种服务。NR会让大家手机上网的速度越来越快。
虽然4G已带来了很好的上网体验，但是随着移动业务的不断拓展，以及提速降费的大背景，单个用户产生的流量不断增加，单纯通过4G网络扩容来满足需求已经越来越困难了。同时由于手机是移动的，必然带来两方面的挑战：
热点覆盖：部分区域，热点时间会出现手机扎堆上网，导致网络拥塞，用户体验急剧下降。
广域覆盖：人们希望能够在更多的场景获得移动宽带业务，比如常常没有覆盖的地下室、荒野、海上。
为此，新空口NR着力于如何扩大网络容量、覆盖，同时降低每bit传输的成本：
NR大幅拓展了频谱范围。LTE只支持3GHz以下的频段，NR扩展到6GHz以下，以及毫米波24.25-52. 6GHz。频谱资源是一切无线通信的基石，越大的频率范围则意味着运营商更有可能找到可用的频率资源来部署NR。不同的频谱范围意味着不同的时延拓展、多普勒频移、相位噪声特性，为此NR在定义OFDM信号参数时，引入了多组参数（参数集），灵活支持不同的频谱范围。此外频率资源丰富的中高频(特别是毫米波)信号在传播过程中会遭受严重的衰减，限制了网络覆盖范围。为此NR进一步引入先进的多天线发射和接收技术，增加覆盖。同时通过上下行解耦，低频和高频联合工作，充分融合低频覆盖好、高频容量大的优势。
NR充分利用多天线技术特别是大规模天线（Massive MIMO）技术。可以说NR是以多天线技术为中心进行的设计。通过多天线技术，NR不但提高了覆盖，而且提升了网络容量：
覆盖的增强主要是通过波束赋形技术。为了更好的支持波束赋形，NR让每个控制信道有其自己的专属的参考信号；同时支持波束扫描，允许相同的信号从不同发射波束中重复发射，保证了任何信号可以通过高增益、窄波束的传输达到整个预期的覆盖区域。
容量的提升主要是通过多天线空间复用技术。简单的说就是可以使用相同的时间频率资源同时传输多路数据。LTE已经支持了空间复用，NR在LTE的基础上进一步改进，增强了上行、下行信道探测，解调参考信号等的设计，能够最大程度上发挥空间复用技术的潜力。
相对于传统天线，大规模天线的问题就是体积、重量、成本大，功耗高。这些问题有一方面赖于产业水平和硬件集成度的提高，另一方面NR也从标准层面支持各种解决手段。比如公共信道的设计，充分考虑各种多天线硬件实现方案的局限，使得NR不但可以使用数字大规模天线，也可以使用模拟甚至数模混合的大规模天线技术来降低成本、功耗。再比如引入极简设计，最大限度地减少常开信号的传输，从而降低网络能耗。
NR支持非常灵活的调度。无线通信的一个关键特征是多变性，不仅是用户密度、流量需求的多变，还体现在瞬时信道条件的大幅快速变化。为了适应各种多变性，NR支持非常灵活的调度：
信道相关的调度，充分考虑信道质量的瞬时变化，
用户间调度，支持用户间动态共享无线资源, 充分考虑了流量优先级和QoS要求。
NR的调度可以支持动态TDD，可由调度器动态配置一个时隙或者部分时隙为上行或下行。通过这种动态配置，系统可以快速适应上下行业务需求的变化。
NR支持高速的数据传输。为了支持非常高的数据速率，NR引入了一些新的技术。比如数据信道编码采用LDPC码。相较于LTE中使用Turbo码，在较高码率时LDPC码接收机更加易于实现。
NR向前兼容，未来可以方便引入新技术。可以预见5G的需求会不断变化，同时新技术的演讲也一刻不停，这都需要让NR为其未来的演进预留足够的空间：能够支持未来具有新需求和新特性的服务，同时仍能支持同一载波上的传统终端。
为了支持向前兼容，NR尽可能规避强制要求在固定的时频资源上进行传送，以免和未来技术发生冲突，同时NR中还可以配置预留资源，即这些资源不用于传统终端的任何传输，而用于未来或者其他无线技术使用（类似预留字段）。这有着现实和未来两重的意义，现实来说可以让NR在早期部署的时候，通过配置预留资源，可以和LTE灵活地共享频谱，降低早期部署成本；未来则可以让NR持续灵活演进。
增强以机器为中心的通信
5G的使命是改变社会，除了让人们越来越方便接入互联网，还要全方位地改变社会上各个行业的生产和运营。为此，需要通过5G的通信能力把设备间的距离无限拉近，并结合云/Edge、大数据和AI这些最新科技，为各个行业提供数字化服务。这些以机器为中心的通信需求千变万化：
有些需要最大程度上考虑功耗、覆盖和设备成本。比如智能路灯、智能电表、水表、垃圾桶，乃至若干智能穿戴设备都可以归属此类。在未来的社会，这些终端往往是海量的连接。
有些需要最大程度上在一定时延的范围内，考虑通信的可靠性，以及安全性：比如工业机器人、工厂自动化、自动驾驶。
有些则需要极高的带宽，比如超高清直播。
为此，5G必须从空口满足这些灵活多变的需求：
大规模机器类通信需求。通常这类需求是指终端发送数据量较少、时延要求比较宽松，但对低功耗和低成本要求很高的场景，而且终端数量一般很多。
对于低端的大规模机器通信，NR没有独立提出解决方案，而由LTE技术中的 eMTC和NB-IoT来解决这类需求。一方面是因为这些技术已很好地支持低端的大规模机器通信；另一方面因为运营商已经部署了NB-IoT或者eMTC技术，和一般的智能机不同的是，这种类型终端的服务期一般会很长，有的甚至达到10年乃至更久。因此NR仅仅通过上文提及的资源保留等机制与这些现有接入技术的共存。
长期来看， NR必然能够演进到直接支持大规模机器类型通信，目前的观点是主要考虑满足中高端设备的需求。
超低时延可靠机器通信。典型的应用领域的例子是工厂自动化。很多情况下，这类应用在可靠性和时延方面要求都很高。NR第一个版本主要解决URLLC的低时延部分，意味着超高可靠性的支持将在NR后续部分支持。
超低时延是NR的一个重要特征，对NR的很多设计细节都有影响。一个系统如果想要实现低时延，是需要在各个处理模块上‘精雕细琢’，才能在总体上保证时延。比如：NR定义了微时隙的概念，缩短了最低传输持续时间。这种传输还可以抢占另一个终端正在进行的、基于时隙的传输，以便允许低时延数据的即时传送。另外一个例子是使用“前置”的参考信号和控制信令，终端可以立即开始处理接收的数据而无需事先缓冲，降低解码的时延。
除了物理层，高层MAC和RLC协议的设计也考虑了低时延的情况，比如它的报头结构使得能够在不知道要传输的数据量的情况下开始进行处理。这对上行传输尤其重要，因为在数据传输量是由网络授权，NR终端可以在接收到网络的授权之前就预处理，从而降低了时延。
可以说，这些降低时延的设计细节贯穿了整个NR的方方面面。
当然为了有效支持各种机器通信，NR不光需要从协议层面灵活地支持多个维度上需求，而且需要从产品实现方面进行相应的设计和优化。这方面各个厂家的产品不尽相同，百花齐放，这里列举几个例子：
网络切片。将实体网络上划分为若干网络切片，每个切片是服务于特定业务或客户需求的一个逻辑网络，从最大程度上满足各种不同业务的需求。例如，类似于LTE提供的移动宽带服务，可以构造一个网络切片并支持完整的移动性，或者可以构造另一个网络切片以支持特定的非移动、但有低时延要求的工业自动化应用。这些切片将运行在共同的、基础性的物理核心网和无线网络上，但从用户应用的角度来看，它们像是运行在各自独立的网络中。在许多方面，网络切片类似于在同一个物理计算机上配置多个虚拟计算机。
边缘计算，将用户应用的一部分在靠近核心网边缘的地方运行，而不需要数据透过无线接入网、核心网、Internet网接入用户应用。边缘计算不但满足了低时延要求，而且可以提高数据的安全性，降低运营商的传输网络负担。
控制面和用户面的分离，以及虚拟化。控制面和用户面的分离意味着两者容量的独立缩放。例如，如果需要更多的控制面容量，则单独扩容控制面而不必同时对用户面扩容。而虚拟化技术在5G的核心网中会大量采用，运行在通用计算机硬件上。这些技术的采用，为5G能灵活服务各类业务提供了方便、快捷、经济的解决方案。
本文来自《5G NR标准：下一代无线通信技术》
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《5G NR标准：下一代无线通信技术》
作者：埃里克·达尔曼（Erik Dahlman）
出版时间：2019年6月
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