【移动网络】Ch. 1 5G标准化与频谱

What is 5G？

概要内容如上表所示。红色部分是重点。一定要做到不管什么时候都能过说出这些名词的特点。
这里补充一下各时代的核心技术

/	1G	2G	3G	4G
核心技术	FM	TDM	[W]CDMA	OFDM
标准/系统	AMPS	GSM	3GPP2	LTE/MIMO
衍生技术	FDM	CDMA	Roaming/GPS	LTE-Advanced
发展目标	Analog voice	Digital voice	Digital voice+ data service	Digital packet voice+Internet\

5G NR： Use Case

5G的三大特点：
eMMB:超高带宽，超高传输速率
mMTC:为支持物联网运作，可以支持大量连接同时存在于网络中
URLLC:超低延迟，可靠传输

介绍一下5G下对应特点能够支持的业务
SMV：可以理解为不戴眼镜的3D
UHD：超高清观影
Hologram： 立体投影成像
VR: 假想现实。这个不用多说，想必大家都了解。
AR：增强现实，在设备下可以分析现存环境下的一些数据，比如AR眼镜可以将看到的道路联网计算，并且智能导航与计算剩余距离等。
Tele-Experience: 远距离体验。即便不出门旅游也能感觉像真正置身于景区的感觉。

Tactile Internet： 触觉网络。延迟低到手指的触觉可以被反应的程度，典型的应用是长距离下精密操作。如美国的医生用该项服务连接机器人给本国的患者做手术，医生的精密动作能够完全反映到机器人上。延迟低到这种程度才能实现如此高精密度的任务。
V2X(X为I或者V）I是网络，也就是基站，V是载具，在这里也就是车的意思。在车联网的环境下，为了保证交通安全，必须要求操作可控，当载具发送数据给基站，则是V2I，给其他载具就是V2V。

另一个就是支持物联网的广连接服务了，因为是服务于物联网因此所有物联网相关的服务都可以直接作用于此。

4G-5G演化特点

4G其实可以细分为三个小时代，分别为LTE,LTE Advanced,LTE Pro。 这三个小时代为了方便区分，可以理解为3.9G、4G、4.5G。虽然不会这么称呼他们，但是它们研究过程中，确实存在不断在原有基础上优化改良的特点。
向后兼容性[Backward compatibility]:所有新技术的研发要保证当前寄存技术的兼并使用。
如：在LTE Pro正式商用化以后，要求LTE Pro对应的基站可以兼容LTE,LTE_A的所有设备。
而5G在开发过程中，虽然保留了很多4G的原有技术，比如4G也有高带宽告诉和部分低延迟的要求。但是有部分技术的修改可能会对原有的LTE寄存技术进行大规模变动或者几乎重写，这部分技术就不在基于LTE而是重新开发，归并到5G NR中。同时5G并不要求向后兼容性的满足，即5G设备只能连接到5G基站，而4G设备无法连接到5G基站。

4G 网络特点：被划分为两部分网络，分别是有线网络和无线网络。一般用户通过网络运营商接入网络，整体过程为用户的设备将信号发送给基站，基站通过无线网络传输数据给对应运营商的有线网络，然后通过有线传输数据到互联网。
其中以基站为中心的无线网络我们称之为LTE【也叫Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN】，而以有线介质为中心的运营商有线网称为EPC。

5G的发展趋势是会逐步代替4G，现在的5G使用4G的部分带宽，将来5G会逐步吞并现有4G的带宽，知道LTE消失。

过渡阶段下的5G现状：
NSA： 2017年11月完成的标准。5G起步阶段，仅提供设备与基站之间的无线网络为5G网络，不能够令用户完全使用5G的所有服务，最后接入的仍然是4G的有线网络。
SA：2018年6月完成的标准。可以令用户使用完全的5G服务，根据数据类型决定接入哪种移动网络。

5G Standardization

5G 标准

标准化： 将技术的执行标准普适性的确认后供给其他业务体制商用或者其他规定用途的行为。标准化的目标是为了防止某些技术像数据的过拟合或欠拟合导致的某领域危机。标准化组织一般是非营利性组织。

其中，能够提案标准的部门有很多，包括3GPP以及各国的企业，但是被提案的标准化需要被ITU通过才可以正式称为被认可的标准。其中ITU中的ITU-R是负责频率的划分，而频率相当于固有资源，固有资源有限且无法扩展。包括哪个频段属于哪个国家，哪个频段应该用来做什么（军事，医疗，民生等），具有强制性。一般各国内的频带划分由国家政府决定。这些监管部门决定标准化组织的提案是否可以被投放到市场。
投放到市场后的技术将以行业为主导的团体，为特定技术或其他利益进行宣传和游说。
三个部分从整体来看都对底层市场有着联系。底层市场也包括拥有自主开发能力的大企业，如三星，华为，苹果等常年在通信领域赫赫有名的企业。

ITU-R (International Telecommunications Union)

确保高效和经济地使用射频频谱
无线电规则:关于如何使用射频频谱的具有约束力的国际条约
WRC(世界无线电通信大会)每3 ~ 4年举行一次来重新确定一次国际性的频率划分，同时负责将技术转化为全球标准。一些频谱会在此被确定为所谓的IMT(国际移动电信)系统

WP5D (ITU-R 5D工作组)
负责IMT系统的整体无线电系统方面的5G标准化。
与区域标准化机构合作定义IMT（Internet Mobile Telecommunication，对345G的统称）并维护一套IMT建议和报告的作用，包括一套rspc(无线电接口规范(Radio Interface Specifications))，这些建议包括无线电接口技术的“系列”为每一代IMT(RITs Radio Interface Technologies )
各个SDO维护的实际规范需要在此得到认可才能够被广泛使用
RSPC提供对每个SDO转换和维护的规范的引用

上图三个分别是对3G,4G,5G的规范标准。
3G除了WCDMA以外还对cdma 2000进行了规范承认， 4G除了LTE以外Wi-MAX技术进行了规范承认。

任何移动网络的极限速度和用户体验速度都是不一样的，而5G时代的基本目标是让用户的体验速度达到100MB/s的网速。

4G的LTE-A是（3GPP-Release 10+）被ITU-R承认的，同时LTE是对应的3GPP-Release 8版本。此外WiMAX(IEEE 802.16)也被IMT-Advanced所承认。

从宏观上来看5G标准化的出现，5G的要求事项从2015年完成，2020年3月被承认标准化。3GPP从2017年11月完成NSA标准，2018年六月完成SA标准。
准备时间相当长，具体的要求事项有三项

• 技术目标：技术层面有什么目标，以及对这些应用技术的评价方法也要进行明确的规定
• 评审规则：字面意思
• 提交模板：字面意思
  
  5G最终被划分为6GHz左右的频率。

Usage Scenarios for IMT-2020

本图和0章的5G的三大特点是一致的，能够更详细的展示出三大特点。高带宽，大连接，低延迟。

5G的性能指标

Capabilities of IMT-2020

如图所示。可以很明显的看出5G与4G基础上比较的结果。5G是深绿色，4G是浅绿色，各方面性能都大幅度提升了。

• Peak data rate: 最大速率。这一项是理论环境下或测试环境下才能达到的，而用户无法体验到。
  $Peakdatarate=Systembandwidth\times Peakspectralefficiency$
• 用户体验速率： 用户的实际体验速率，5G的实际体验速率是100Mbps，也就是现在大多数以太网速度的十倍。
• Spectrum efficiency[频谱利用率]： 平均数据吞吐量(bps/Hz)or(bps/基站).也被称为Transmission Reception Point, TRP
  Area Traffic Capacity = Spectrum efficiency × BW × TRP density
• Area traffic capacity[区域流量能力]: 这取决于网络部署的基站密集程度
• Network energy efficiency： 虽然整体网络中的计算量增加了十倍，但是计算力本身也增加了，所以整体上能量消耗并不增加。

然后是能反应三大特点的项目，如下图所示。


上图是三大特点的具体反应，绿色高速率，黄色低延迟，蓝色大连接

此外还有5个不容易量化的KPI。能够知道这些还可以影响到5G评价 并能做出一定说明即可。

性能参数

上图中表示了更详细和具体的要求和标准。这些参数有记住的必要。
用户体验速率的评价标准是指下位5%的速率。且5G的频谱利用率是 4G的三倍，当5G环境中的多个用户的一些因为环境因素而导致体验差时，网络会分配给其较多的频率，而环境好的会被分配的更少，从而增加平均用户的体验速率。平均频谱利用率也要比4G计算量大三倍。计算过程会在后面详细展开
带宽*频谱利用率=数据传输速率

在更高的频段（28GHz）应支持可扩展带宽，且至少为100M（~1G）。

评价指标

Simulation是最常用的方法，通过多组实验，在保证正常功能的前提下，去看能够兼容的各项参数的最大值，当测试出最大值后，再利用分析计算一些更加详细的参数。 分析则更多的是数理分析，一般用于理想速率的计算等。

标准化的制定过程大体是上图中的四个阶段，但是每个阶段都会进行到一定程度后给之前的阶段提出新的修正点，需要不断反复订正。

Release 8-10-13分别代表了LTE,LTE-Advanced,LTE-Pro,同理R 15完成了5G一阶段的标准化，R16完成了二阶段，也就是2020年3月的商业化标准。在R15-16中虽然5G开始出现并重复修订，同时LTE技术也仍然在一直复议优化。

WG3 定义了当设备之间通过有线网等介质直接通信时需要的协议和规则。
WG4定义了仍标准中未能实现的的一些测试要求
5G NR主要就是上图中最左侧一列的构造。

通过上图来统合观察一下345G的发展环境，并且预测一下6G相关事宜。3G代表性不强，我们从4G来观察5G并推测6G。
4G的需求从2003年开始被提出，并在2008年标准化被ITU承认并逐步开始商业化（LTE），此后一直到2010年LTE_Advanced标准化完成。 而4G服务的真正活性化是从2010年以后开始的，并持续完善，直到2018年5G的市场需求（非技术需求）被正式提案之前，4G技术体系已经相当成熟。整个过程经历了15年的时间，10年的时间技术不断成熟，后5年开始有了次时代的市场需求。
再看5G，技术需求从2015年开始被提案，经历了5年商业化的标准R 16被ITU承认。按照4G的模型，技术发展愈快速的情境下，至少15年新的市场需求就会出现，那么2025年左右对于6G的市场需求就应该相对成熟了，换言之6G技术体系在五年后也会被各个研究所作为重要项目进行开发。各研究部门已经对6G开始进行研究讨论，但是目前对于6G的理论体系尚不成熟，对应的论文数量也很少，因此现在开始起步对6G的学习虽然是一个很好的机遇，但是学习的难度会更大。

对于标准就简单的提及到这里，想要详细参考的可以去3GPP官网查找对应文书。
https://www.3gpp.org/specifications/releases

上图中的25系列是3G,36是4G，38是5G，3GPP的一些标准会用25.xxxx表示，看到一些数字就可以知道这是对应的哪一个领域的标准了。

5G Spectrum

低频带和高频带一般是相对的，在5G中有明确的的一个标准线那就是6GHz。低频带适用于城市、郊区和农村环境的广域覆盖部署，但是带宽一般不高；而高频带很难大范围部署，但是带宽会更高。其中低频带我们称为FR1,高频带称为FR2。

Paired bands vs. Unpaired band
成对带：有上行下行两个链路，每个链路有固定方向的接收端和发送端。也就说有两个频带被使用。通信时使用频分复用。
不成对带：上下行链路公用一个频带。通信时使用时分复用。

多路复用相关知识可参考通信原理对应章节：多路复用和频谱拓展

SDL/SUL： 成对带中，临时箱扩展 上行或者下行链路带宽时，将其他频带加入某信道的技术。后面会展开说明。

ITU会分配给不同国家不同的频段，然后国家根据自身情况内部分配不同的频段给国内诸多领域使用。WRC是国际无线电学会的简称，负责不断的调整5G相关的频段分配问题。在基准的频带上如果能在临近频带上增加一部分其他频段用于提供相似服务，则对于商业化实行的装置设计而言将会非常有益。

全球漫游：全球所有5G频带使用同一个是最理想的目标，但是现实角度考虑，只需要做到各国之间的频带相邻就可以有效的减少漫游的技术难度。
多频带设备:定义可用于提供真正全球漫游的最小频带集，这些设备可以在各国之间不同频段使用数据服务。

NR的频带

NR的频率范围很广，是于物理阶层、信号处理过程中能更好的泛用的频带，保证了漫游可用性。这些频段既有IMT标准规定的频段，也有WRC新追加的频段。
FR1/FR2前面已经提过了，FR2又称mmWave【毫米波】。
$比特率=波长X频率$
因为5G通信速率一定，但是高频地段其波长对应的也就会更短，因此单位降到了毫米级。

5G NR的部分频带如下图。

这里有必要提一下的是，在3GPP标准中，有一些标识符可以确定某些频段对应的是哪些技术。如图中所示的n51，n表示的就是NR。在3G中会使用罗马数字表示12345,4G中则是直接使用阿拉伯数字表示。5G NR中，n65~n256 被划分为FR1， n257~n512被划分为FR2。
而n1~64则被保留用于LTE的一些频段划分，以及技术过渡。

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频带图如下所示