5G NR 阅读笔记

一  专业术语

    1.1： PDCP(Packet Data Convergence Protocol)

           分组数据汇聚协议，PDCP 是对分组数据汇聚协议的一个简称。 它是

UMTS 的一个无线传输协议栈， 负责将IP 头压缩和解压，传输用户数据并维护为

无损的无线网络子系统（SRNS)设置的无线承载的序列号

 

 1.2：  EPS(Evolved Packet System)

         演进的分组系统， 是3GPP标准委员会在4代移动通信中出现的概念。 可认为EPS=UE+LTE(AS接入网部分）+EPC(Evolved Packet Core ) 核心网部分

 

 1.3 EPC (Evolved Packet Core)

        全IP的核心网。 EPC 网络可以支持3GPP和非3GPP(WI-Fi, WiMax)多种接入方式。

是支持易购网络的融合框架。在此架构下，短信，语音等传统的电路域业务将借助VoLTE

模式进行承载，也可以采用CSFB的方案完成原有的语音业务。

 

1.4 SAE (System Architecture Evolution)

       SAE(System Architecture Evolution) 是LTE 配套的核心网后续演进技术，SAE核心网系统又称为EPC

 

  1.5 5G NR(New Radio)

         双连接的方式，利用现有的LTE网络部署5G,以满足运营商快速实现5G部署的需求

  1.6 Gnb

         gNB: 向UE 提供NR用户面和控制面终端的终端，并且经由NG接口连接到5GC

  1.7  5GC 

         5G 核心网

   1.8  EMBB( Enhanced Mobile BroadBand)

          增强型移动宽度，在现有移动带宽业务场景下，对用户体验性能的进一步提升。

  Polar Code 方案，成为5G控制信道 eMBB场景编码最终方案。

 

  1.9 QOS(Quality of service)

        服务质量

        QCI(QOS Class Identifier)

         ARP(Allocation and Retention Priority): 承载优先级

          MBR(Maximum Bit Rate)

          AMBR(Aggregate Maximum Bit Rate)

 

二 部署选项：

       EPS 指完整的端到端系统，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（演进的分组核心网）

        3G 到4G  称为 “整体演进”，即包括接入网和核心网的EPS整体

演进到4G时代。

     到5G的时候演进，把5G NR(无线网） 5G核心网拆开来，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，也要面向eMBB(增强型移动宽带）

URLLC(超可靠低时延通信） 和 mTC(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，组成了多种部署选项

    3/3a/3x

    7/7a/7x

    4/4a 

   为非独立组网（NSA)架构，

 

  选项2;5 为独立组网（SA)架构

  

2.1 选项3系列 ： 3/3a/3x

       2017年12月完成的3GPP R15 NSA NR 标准正是基于选项3系列

在选项3系列，UE 同时连接到5G NR 和 4G E-UTRA 控制面锚定于

E-UTRA ,沿用EPC 

     对于控制平面（CP),它完全依赖现有的4G系统  - EPS LTE S1-MME 接口

协议 和LTE 协议

     但对于用户名(UP)，存在变数，这就是选项3，3a,3x 三个子选项的原因

     ============= 选项3=====================

       选项3 参考3GPP R12 的LTE 双连接架构，在LTE 双连接架构中，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 “分流承载”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

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，载波聚合发生于共同部署，而LTE双连接可非共站部署，

数据分流和聚合所在层也不一样。

   选项3指的是LTE 和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的双连接有个缺点---- 受限于LTE PDCP 层处理瓶颈

    5G 最大速率10-20Gbps, 4G LTE 最大速率1 Gbps，LTE PDCP 层原来不是为

5G 高速率设计的，因此在选项3中，为了避免4G基站处理能力瓶颈，必须对原有

4G基站，双连接的基站硬件升级，升级后4G 基站叫 eLTE eNB

    =========选项3a=======

    3a 和3 区别在于，选项3中，4G/5G 用户面在4G基站的PDCP 分流和聚合，但

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====

      选项3x 可谓3的一面镜子，为了避免选项3的LTE PDCP层处理瓶颈，将数据分流和聚合

迁移到5G 基站的PDCP 层 ，即NR PDCP

   

      目前很多运营商选择支持3系列， 主要投资少。

     3x>3a>3 

   2.2  7/7a/7x

         选项2 是独立组网，一次性将5G核心网接入网一起打包迈入5G时代，

与前4G 网络少有藕断丝连的瓜葛。

        

      这种方式的优点：

          它直接迈向5G，于之前4G少有瓜葛，降低了复杂度

     缺点：

                投资大，运营成本高

    选项7 包括7,7a,7x 三个子项，选项7 系列连接5G核心网，即“LTE assisted ,

5G CN Connected”,NR 和LTE 均迁移到新的5G核心网。

     

  2.3 选项4

       4G 基站和5G基站共用5G核心网，5G基站为主站，4G基站为从站

       

  选项4系列要求一个全覆盖的5G网络，因而采用小于1GHZ频段来部署5G的运营商比较青睐这种

方式，比如美国T-Mobile  600MHz部署5G网络

  2.4 选项5 

        选项5将4G基站连接到5G核心网，与选项7类似，但没有与NR 双连接。

选项5指考虑核心网演进到5G，但并不将无线接入网演进到5G NR,降低投资

 

 2.5  选项6 

          被3GPP 抛弃

 

   运营商5G部署路径三种方式

    

1： 非独立部署（NSA) LTE+5G NR 毫米波

        这种部署方式以 美国Verzion 和 AT& T 为代表，在现有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 评断

         这种部署可以快速实现更好的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———>选项2 ： 

        先部署5G 无线网，再部署5G核心网

   路径二：

         选项3系列-> 选项7系列或者选项5：

        先5G 无线网，再部署5G 核心网

 

  3： 独立部署

        完整5G网络，降低复杂度。

 

三 5G NR 频谱

     3.1  5G NR 如何定义和分配频谱

             与2/3/4 G 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）：

               

     https://finance.china.com/global/11173292/20190528/36280719.html

  频率越高，波长越短，能量越集中，穿透力越强。

 FR1:

     450MHz---6000MHz

      频段号1 到 255

     通常指的是Sub-6GHz

 

  FR2:

     从24250MHz-52600MHz

    频段号从257 -511， 通常指的是毫米波mmWave

    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. 目前3GPP 指定的5G NR频段具体如下：

   

  3.2 LTE 分配范围

        

        

很明显，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。 5G高频部分更高穿透力更加强

 

原因又两点：

   

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。

 在FR1 中引入SUL 和 SDL ，即辅助频段（Supplementary Bands)

手机发射功率低于基站发射功率， 3.5GHZ的覆盖瓶颈受限于上行

工作更低于频段的SUL (上行辅助频段）就可以通过载波聚合或双连接的方式

与下行3.5GHz配合，从而补偿3.5GHz上行覆盖不足的瓶颈，这大概是华为提出的上下行

耦合一致

   

 

四  5G 的先锋频段

     N77:  3300MHz-4200MHz

     N78:  3300MHz--3800MHz

     N79 : 4400MHz---5000MHz

     N28 : 703MHz--748MHz

     N71:  663MHz---698MHz

    n77,n78 ， C-Band,目前5G统一的NR频段。

N79 也可以用于5G NR  ，主要推动国家，中国，俄罗斯，日本

N71 ：美国T-Mobile 

 

毫米波： 美日韩正在试验5G 28GHz毫米波

 

六 5G NR 物理层

     4.1 波形和多址接入方案

          3GPP提出了许多波形选项，需要考虑MIMO 兼容性，频谱效率，低峰功率比， URLLC用例

实现复杂度等众多因素

          目前3GPP R15已经确定CP-OFDM 支持5G NR 上下行，也引入了DFT-S-OFDM波形与

CP-OFDM 波形互补。 CP-OFDM 波形可用于单流传输

 对于5G mMTC 场景，正交多址OMA 可能无法满足所需的连接密度，因此非正交多址NOMA方案成为

广泛讨论

    正交： 线性代数，两个向量的内积为0. 比如DFT算法里面的，sinx cosx,可以通过泰勒公式展开得到

正交变换

    Numerologies:

      参数集： 子载波间隔，符号长度，CP长度

     OFDM 核心思想：

      将宽信道划分为若干正交子载波，子载波间隔（subcarrier sapcing)， 符号长度，循环前缀

（cyclic prefix) 和TTI 这一系列参数定义了OFDM 如何划分子载波，Numerologies 指的是参数的不同搭配

4.2 子载波间隔

      子载波间隔是符号长度（symbol Duration)与CP 开销之间的权衡---子载波间隔越小

符号时间长度越长；子载波间隔越大，CP开销越大，为了实现不同Numerologies 之间的高

复用率，3GPP 确定了

   

如此一来，子载波间隔可随着工作频段和UE的移动速度变化而变化

最小多普勒频移和相位噪声的影响

 

4.3  CP 长度：

     CP 长度是CP 开销和符号间干扰ISI 之间的权衡-CP越长，ISI越小，但开销越大。

它将由部署场景，工作频段，服务类型决定是否采用波束赋形技术

 

   每TTI的符号数量：

       这是时延 与频谱效率的制衡---符号数量越少，时延越低，但开销越大。

影响频谱效率，建议每个TTI 符号数为2^N个，确保2^N到1个符号的灵活可扩展性

尤其是应用URLLC 场景。

     总而言之，不同的Numerologies 满足不同的部署场景和实现不同的性能需求，例如

子载波间隔越小，小区范围越大，这适用于低频段部署，子载波间隔越大，符号时间长度

越短，这适合低时延场景部署。

 

 4.4 帧结构

     5G 无线帧的长度都是固定的---一个无线帧长度固定为10ms,

   一个子帧长度固定为1ms,与LTE 相同，从而保持LTE与NR 间共存，利用LTE 和NR 共同部署

模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和帧测量。

     不同的是，5G NR定义了灵活的子架构，时隙和字符长度可以根据子载波间隔灵活定义。

     5G帧结构划分为固定结构 和 灵活结构两部分组成：

     

这就好比建好房子，框架定好了，里面空间自己灵活布置。

 

4.5 物理信道带宽

       小于6GHz频段（FR1)下，5G NR的最大信道带宽为100MHz,

  在毫米波频段(FR2)5G NR最大信道带宽400MHz,远远大于LTE 的最大信道带宽20MHz.

         5G NR带宽利用率提升到97%以上（4G 只有 90%）

   如何理解  5G NR 带宽利用率提升：

   做以到计算题：

       带宽= RB * 子载波间隔* 子载波数量

 

    10MHz 4G信道 有50 RB ,每个RB 对应12个子载波，那么10MHz 4G 信道总共600个子载波

 每个子载波间隔15kHZ间隔，那么带宽就是9MHz, 10Mhz信道只有9Mhz被利用，1Mhz留下来

保护频带，利用率90%

     以此类推，20MHz的4G 信道有100 个RB ，它仅使用了20MHz带宽中的18MHz;50MHz的4G

 信道250 个RB...

     

4.6   调制方式：

          上下行OFDM调制+ CP: QPSK, 16QAM, 64QAM和 256QAM

          上行： DFT-s-OFDM +CP: pi/2 -BPSK ,QPSK, 16QAM, 64QAM 和256QAM

           上行 增加了 pi/2 -BPSK, 主要考虑在mMTC场景下，速率低，以实现功放的更高效率

           除了 pi/2- BPSK, 5G NR 与 LTE-A s使用的调制阶次相同，不过3GPP 考虑将1024 QAM引入

 

     4.7 信道编码

           LTE：   控制信道采用TBCC,数据信道采用Turbo码

                      Turbo码： 编码复杂度低，解码复杂度高

           5G NR:  数据信道LDPC 码， 控制和广播信道采用Polar码 

                       LDPC 编码复杂度高，解码复杂度低，在eMBB场景下，码快大于10000且

     码速要达到8/9，Turbo 码无法达到，LDPC解码算法更简单适用。

                         Polar码间距编码和解码复杂度低特点，灵活。

4.8  多天线技术和波束赋形

         考虑5G 频谱分配原则为 Band-Agnostic,在低，中，高频段均可部署，由于不同的频段

具有不同的频率有不同的无线特性，因此对MIMO系统的设计也不尽相同

         再回头看看5G的频段分配表，较低的频段工作于FDD 模式，FDD 上下行工作于不同频段

上下行连读传播特性不同，因此引入下行CSI-RF 和上行报告是必须的，同时，低频段的带宽小，还

需要支持MU-MIMO 来增强容量。对于这些频段，3GPP 还计划扩展和增强R13, R14 的FD-MIMO技术

以支持64,128,256天性阵云，同时提供灵活的CSI 采集和波束赋形

    教高的频段工作于TDD 频段，TDD上下行工作于同一频段，传播特性基本相同，因此可以充分利用

TDD上下行信道互易性，使得基站能够直接基于检测上行信道状态信息来确定下行预处理策略

   高频的毫米波，由于传播损耗大，覆盖距离短，因此引入更多数量的天线阵元，以增强波束赋形增益

不过，传统的数字波束赋形技术系统设计越复杂，成本越高，5G NR 不得不用到博大精深的权衡之术--混合波束赋形技术

    另外，总所周知的LTE 用多址传输模式TM 来实现和优化不同场景下的MIMO性能，但这些传输模式之间无法实现tong

            动态切换，它不能适应动态变化的场景，因此5G NR将考虑传输模式的动态适应

 

    五 5G NR 用户平面

          4G LTE 用户平面协议栈由PDCP,RLC 和MAC层组成，其广泛支持从低速物联网终端到可达

1Gbps的高速终端，为移动互联网和4G 窝蜂时代立下汗马功劳。

         5G NR用户面协议栈基于LTE 设计，但时代不同，当然有差异。

       5.1 SDAP(Service Data Adaptation Protocol)

                这是5G新引入的层

               

                4G 网络的Qos 由核心网发起的，以承载为基本粒度，而无线接入网不过是执行核心网的强制策略

缺点： Qos等级数量有限，无法实时调整。

              5G:  支持基于IP流而不是EPS承载的QOS控制，从而实现更加灵活和更加精细的QOS控制。

            它通过5G 核心网和基站之间单独的PDU对话隧道来实现多个IP流的独立承载映射，在PDCP层上引入

SDAP,SDAP层上执行IP流和无线承载的映射。在SDAP层，在封装IP包是，IP头包含这些数据包的QoS标识符号

（QFI)

         5.2 PDCP 层分集传输

              5G 要 支持URLLC 场景，要实现超可靠低时延通信，但是，无线信号变化莫测，用户行为琢磨不定。

            就要通过载波聚合 和多连接技术，使用频率分集实现对单个终端的传输可靠性

           

            如上图，数据包在PDCP 层处理和复制，并通过每个RLC 层，再通过相关的CC发送

接收端处理较早到达的数据包，同时抛弃较晚到达的复制数据包

             就是在多个无线链路上传输相同的数据，来抵御无线环境恶化的影响，保障通讯链路可靠性。

           

六  5G NR 控制面

        5G NR 控制面使用的RRC 协议基本与LTE一致，作为无线资源控制层

RRC负责连接管理，接入控制； 状态管理；系统信息广播

   

    

   首先 RRC状态上，与LTE 只有RRC_IDLE, RRC_CONNECTED 两状态不同

，5G 多了RRC_INACTIVE状态，类似3G CELL_PCH 状态，目的降低连接时延迟

减少信令开销和功耗，以适应未来各种物联网场景

      

RRC_INACTIVE 状态下，RRC和NAS上下文部分保留在终端，基站和核心网中

此时终端几乎与RRC_IDLE相同，因此可以更省电，同时可以快速从RRC-INACTIVE 状态

转移到RRC_CONNECTED状态，减少信令数量

 

    其次，在系统广播上，未来提高系统信息的资源利用率，5G NR 引入了点播功能，

以按需方式以指定的系统信息通知终端

     对于非独立部署，5G NR将RRC协议扩展，以支持LTE_NR 双连接中RRC独立连接和

RRC 分集

  RRC独立连接： 

          4G 时代的LTE双连接，仅主站负责与手机之间的RRC连接，而在LTE-NR双连接中，从

站（5G基站）也可以负责与手机之间的RRC连接

     

       RRC 分集指主站的RRC消息可以被复制，通过主站和从站之间向手机发送相同的消息，以RRC分集的方式

提升了手机接收RRC消息成功率，提高了信令传输的稳定性