5G NR的“自我介绍”

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  家好，我叫 5G NR，5G 家族的一员。最近关于我的传闻太多，言三语四之声不绝于耳，为此本人今天终于鼓起勇气走向前台，揭开神秘的面纱，向大家做一个完整的自我介绍。

5G 部署选项

  一说到“部署选项”这事，说实话，我觉得自己有点“奇葩”。
  大家都知道我的前辈叫“4G”，4G 系统构架主要包括无线侧(即 LTE)和网络侧(SAE)，准确点讲，这个 4G 系统构架在 3GPP 里叫 EPS(Evolved Packet System，演进分组系统)，EPS 指完整的端到端 4G 系统，它包括 UE(用户设备)、E-UTRAN(演进的通用陆地无线接入网络)和 EPC 核心网络(演进的分组核心网)。
▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE 和 LTE 的技术定义
  这个 EPS 是为移动宽带而设计的。
  从 3G 演进到 4G，我称之为”整体演进“，即包括接入网和核心网的 EPS 整体演进到 4G 时代。
  可到了 5G 我这儿就不一样了，那个 3GPP 组织把接入网(5G NR)和核心网(5G Core)拆开了，要各自独立演进到 5G 时代，这是因为 5G 不仅是为移动宽带设计，它要面向 eMBB(增强型移动宽带)、URLLC(超可靠低时延通信)和 mMTC(大规模机器通信)三大场景。
  于是，5G NR、5G 核心网、4G 核心网和 LTE 混合搭配，就组成了多种网络部署选项。这就像商家推出的多款套餐组合，总有一款适合你。嗯，主要有这些组合套餐：选项 3/3a/3x、7/7a/7x、4/4a 为非独立组网(NSA)构架，选项 2、5 为独立组网(SA)构架。

  选项 3 系列：3/3a/3x
2017 年 12 月完成的 3GPP Release 15 NSA NR 标准正是基于选项 3 系列。在选项 3 系列中，UE 同时连接到 5G NR 和 4G E-UTRA，控制面锚定于 E-UTRA，沿用 EPC(4G 核心网)，即“LTE assisted，EPC Connected”。对于控制面(CP)，它完全依赖现有的 4G 系统——EPS LTE S1-MME 接口协议和 LTE RRC 协议。但对于用户面(UP)，存在变数，这就是选项 3 系列有 3、3a 和 3x 三个子选项的原因。
  选项 3、3a 和 3x 有啥区别呢？
选项 3其实就是参考 3GPP R12 的 LTE 双连接构架，在 LTE 双连接构架中，UE 在连接态下可同时使用至少两个不同基站的无线资源(分为主站和从站)；双连接引入了”分流承载“的概念，即在 PDCP 层将数据分流到两个基站，主站用户面的 PDCP 层负责 PDU 编号、主从站之间的数据分流和聚合等功能。LTE 双连接不同于载波聚合，载波聚合发生于共站部署，而 LTE 双连接可非共站部署，数据分流和聚合所在的层也不一样。选项 3 指的是 LTE 与 5G NR 的双连接(LTE-NR DC)，4G 基站(eNB)为主站，5G 基站(gNB)为从站。但是，选项 3 的双连接有一个缺点——受限于 LTE PDCP 层的处理瓶颈。
众所周知，5G 的最大速率达 10-20Gbps，4G LTE 的最大速率不过 1Gbps，LTE PDCP 层原本不是为 5G 高速率而设计的，因此在选项 3 中，为了避免 4G 基站处理能力遭遇瓶颈，就必须对原有 4G 基站，也就是双连接的主站，进行硬件升级。
升级后的 4G 基站，或者说 R15 版本的 4G 基站，叫 eLTE eNB，同时，迁移入 5G 核心网的 4G 基站也叫 eLTE eNB，因为 5G 核心网引入了新的 NAS 层，这在后面会讲到。e 就是 enhanced，增强版的意思。
但一定有运营商不愿意对原有的 4G 基站升级，于是，3GPP 就推出了两个“变种”选项——选项 3a 和 3x。
选项 3a 和选项 3 的差别在于，选项 3 中，4G/5G 的用户面在 4G 基站的 PDCP 层分流和聚合；而在选项 3a 中，4G 和 5G 的用户面各自直通核心网，仅在控制面锚定于 4G 基站。
选项 3x 可谓选项 3 的一面镜子。为了避免选项 3 中的 LTE PDCP 层遭遇处理瓶颈，其将数据分流和聚合功能迁移到 5G 基站的 PDCP 层，即 NR PDCP 层。反正我 5G 基站的处理能力很强嘛，这下不用担心处理瓶颈的问题了。
从目前来看，除了中国运营商，全球很多领先运营商都宣布支持选项 3 系列，以实现最初的 5G NR 部署。
可是，中国运营商为啥不爱选项 3 系列呢？至少目前中国电信已宣布 5G 采用独立部署方式。
选项 2 就是独立组网，一次性将 5G 核心网和接入网一起”打包“迈进 5G 时代，与前 4G 网络少有藕断丝连的瓜葛。这种方式的优点和缺点都很明显。一方面，它直接迈向 5G，与前 4G 少有瓜葛，所以减少了 4G 与 5G 之间的接口，降低了复杂性。另一方面，与选项 3 系列依托于现有的 4G 系统用 5G NR 来补盲补热点的方式不同，选择选项 2 的运营商背后一定隐藏着更大的野心——一旦宣布建设 5G 网络，就意味着大规模投资，建成一个从接入网到核心网完整独立的 5G 网络。
选项 7 系列包括 7、7a 和 7x 三个子选项，类似于选项 3，可以把它看成是选项 3 系列的升级版，选项 3 系列连接 LTE 核心网(EPC)，而选项 7 系列则连接 5G 核心网，即“LTE assisted，5G CN Connected”，NR 和 LTE 均迁移到新的 5G 核心网。
其它选项就不一一赘述了

总结一下，运营商的 5G 部署路径主要有三种方式：

①非独立部署(NSA)：LTE + 5G NR 毫米波
  此种部署方式以美国 Verizon 和 AT&T 为代表，在现有的 LTE 网络上部署 5G NR 毫米波来补充覆盖热点或部署 5G 固定无线。
②非独立部署(NSA)：LTE + 小于 6GHz NR 频段
  此种部署方式可快速实现更好的 5G NR 覆盖，但存在 4G LTE 和 5G NR 之间的接口和载波聚合等技术的复杂性。
  对于非独立部署，演进路径分为两条：
路径一：选项 3 系列—>选项 2：先部署 5G 无线接入网，再部署 5G 核心网，最后将 5G 无线接入网迁移到 5G 核心网。
路径二：选项 3 系列—>选项 7 系列或者选项 5：先部署 5G 无线接入网，再部署 5G 核心网，最后将 4G 和 5G 无线接入网一起接入 5G 核心网。
③独立部署
  就是直接部署一张完整的 5G 网络，简化了非独立部署向 5G 核心网迁移的过程，复杂性较低，但更要求完整成熟的 5G 覆盖和生态。

5G NR 频谱

上面提到的各种组合套餐，都离不开最重要的原材料——频谱资源。
5G NR 如何定义和分配频谱？
与 2/3/4G 时代不同，5G 频谱分配的基本原则叫 Band-Agnostic，即 5G NR 不依赖、不受限于频谱资源，在低、中、高频段均可部署。
在 R15 版本中，定义了两大 FR（频率范围）：
FR1： 450MHz 到 6000MHz、频段号从 1 到 255、通常指的是 Sub-6Ghz
FR2: 24250MHz 到 52600MHz、频段号从 257 到 511、通常指的是毫米波 mmWave（尽管严格的讲毫米波频段大于 30GHz）

  与 LTE 不同，5G NR 频段号标识以“n”开头，比如 LTE 的 B20（Band 20），5G NR 称为 n20。一些 LTE 频段也指定给了 5G NR，但细心一点你还会发现，在有些频段号上，5G NR 频段在 LTE 频段上进行了合并或扩展，比如，LTE 的 B42 (3.4-3.6 GHz) 和 B43 (3.6-3.8 GHz) 合并为 5G NR 的 n78（3.4-3.8 GHz），且 n77 还进一步将其扩展到 3.3-4.2GHz。
原因有两点：① 满足 5G NR 的大带宽需求 ② 满足全球运营商在 3.3-4.2GHz 频段内的 5G 部署需求。
问题来了，上面列了这么多 5G NR 频段，先锋频段是哪些？
主要有：n77、n78、n79、n28、n71。n77 和 n78，即 C-BAND，是目前全球最统一的 5G NR 频段。n79 也可能用于 5G NR，主要推动国家是中国、俄罗斯和日本。n28 就是传说中的 700MHz，由于其良好的覆盖性，同样是香饽饽，在 WRC-15 上已经确定该频段为全球移动通信的先锋候选频段，如果这段频段不能充分利用，实在是太可惜了。n71 就是 600MHz，目前美国运营商 T-Mobile 已宣布用 600MHz 建 5G。关于毫米波频段，美国、日本和韩国正在试验 5G 28GHz 毫米波频段，初期要实现 5G 固定无线接入代替光纤入户的最后几百米。至于 n258，研究称该频段可能会影响卫星通信系统，或将因为要考虑足够的保护频带而进行调整。