5G NR 基础原理与关键技术
目录
1. 系统概述
(1) 什么是 5G
(2) 为什么需要 5G
(3) 5G 网络解决了什么问题
(4) 协议标准
(5) 终端发展过程
(6) 5G 频谱介绍
2. 网络架构
(1) 5G网络总体拓扑
(2) 协议定义的 5G 网络部署方式（实线 - 用户面、数据面通路 虚线 - 控制面通路）
(3) 独立部署（SA）与非独立部署（NSA）
(4) 5G 网络部署建议
(5) 5G基站重构为 CU 和 DU 两个逻辑网元
(6) 无线部署方式
(7)CU/DU小结
3. 基本原理
(1) NR帧结构
(2) 可变帧结构
(3) RE and RB
(4) 帧结构的配置（影响上下行速率）
(5) 物理信道与调制
(6) 物理信号
(7) 信道调制方式
(8) 物理信号与天线端口
(9) SSB
(10) 小区搜索
(11) 随机接入
(12) 步分带宽
4. 关键技术
(1) NOMA
(2) 大规模天线阵列
(3) 波束原理
(4) 波束管理
(5) 多接入边缘计算技术
(6) 补充上行链路
(7) 网络切片
(8) 超密组网
1. 系统概述
(1) 什么是 5G
与前面的2 、3、4G 时代相比，5G 时代是一个全业务的时代，不仅可以覆盖人与人之间的通信，也可以覆盖人与物、物与物之间的通信；5G 网络是面向垂直行业以及万物互联的，它的速率、时延等与上一代网络相比有了很大的提升。
(2) 为什么需要 5G
无人驾驶、远程医疗、物联网接入等很多新兴产业技术的发展需要更高的通信速度、更大的连接数量以及更短的时延，4G 网络很难满足这些需求，所以需要更高一级的网络。
(3) 5G 网络解决了什么问题
5G 的场景设计就是为了满足新兴产业对于更高传输速率、更大连接数目以及更低时延的需求，图中 1ms 的时延指的是 通信双工的过程，即信息的发送与接收。
(4) 协议标准
eMBB（大带宽） - Option3: 商用5G网络，非独立组网架构
eMBB（大带宽）- Option2: 运营商主要部署的网络，独立组网架构
uRLLC: 低时延场景
mMTC: 物联网应用（大数量接入）
通信网络都是基于协议进行部署的，5G 网络的协议版本到 R17版本大致冻结完毕
(5) 终端发展过程
首款 5G NSA （非独立组网）终端：2019.05 中兴天机Axon 10 Pro 5G版 高通骁龙855芯片
首款 5G SA/NSA （双模）终端 ：2019.09 华为Mate 20X 5G版 巴龙5000芯片
这两个终端都不是直接集成的一个芯片，而是芯片外挂一个 X55 基带
(6) 5G 频谱介绍
FR1（Sub 6GHz）：410MHz - 7125MHz
FR2（毫米波）：24250MHz - 52600MHz
3GPP为NR主要定义了两个频率范围：Sub 6GHz和毫米波，Sub 6GHz称为FR1，毫米波称为FR2
我国的 5G 频段分布主要如下图所示：
中国移动：2.515 - 2.675GHz 用来建立宏站 4.8 - 4.9 GHz 用来建立室内站点
中国广电：工信部允许中国广电和移动联通使用 4.9 GHz 频段建立室内站点
2. 网络架构
(1) 5G网络总体拓扑
5G网元设备都是虚拟的，可以在一个很小的设备内存在一个核心网
核心网网元：虚拟化之后的网络不再关注底层硬件；那些错综复杂的软件功能模块全部回炉重造，再淬火凝练成为一个个的软件意义上的网络功能（NF，即Network Function）。每个网络功能逻辑上相当于一个网元，并且这些功能都是完全独立自治的，无论是新增，升级，还是扩容都不会影响到其他的功能，这就为网络的维护和扩展提供了极大的便利性。
(2) 协议定义的 5G 网络部署方式（实线 - 用户面、数据面通路 虚线 - 控制面通路）
NSA 与 SA 的区别 ：都需要 5G 核心网，控制面的的锚点都是 5G基站（在上面的图中可以表示为 5g 无线由虚线连接到 5g 核心网，也有虚线连接到 5G 终端 ）上图中虚线指的是控制通道，实线指的是数据通道。
(3) 独立部署（SA）与非独立部署（NSA）
独立部署（SA）：整个网络架构都是 5G 部分，没有 LTE 参与网络架构的建设
成本较高，需要新建 5GC 和 5G NR 站点，而且由于站点较少，可能使用不理想。
eLTE ：升级的 LTE ，可以接入 5G网络
Option 4：5G基站处进行用户面数据的分流
Option 4a: 核心网处进行用户面数据的分流
目前使用的主要是 NSA 网络，SA 网络也在加强建设中。
(4) 5G 网络部署建议
NR 连续覆盖场景：先部署 NR ，5GC，后续将 LTE连接到5G网络上，对LTE来说实现增强
NR 非连续覆盖场景：先部署 5G 基站、NR、5GC，等时机成熟接入 LTE，相对来说过程较为平滑
(5) 5G基站重构为 CU 和 DU 两个逻辑网元
实时的东西存储在 DU 上，非实时的东西放在 CU 上。
(6) 无线部署方式
D - RAN：分布式无线网络，一个站点机房中有 CU 和 DU 两个部分
CU 云化&DU分布式部署：多个无线站点的 CU 部署到一起，然后连接到相应的站点机房中的DU，一个 CU 可以连接多个 DU ,但一个 DU 只能接一个 CU
CU云化&DU集中：将 DU 也放在一起，CU 称为云化是因为 CU 是虚拟的产品
CU 云化&DU分布式部署和CU云化&DU集中部署都称为C-RAN
(7)CU/DU小结
3. 基本原理
(1) NR帧结构
1 帧 = 10ms = 10个子帧 = 10 x 1 ms = 两个半帧
子帧中的时隙个数用 u 决定
Tc 是基本时间单元，480k 是最大子载波间隔，4096 采样点
(2) 可变帧结构
u 可以取 0,1,2,3,4，也可以取5，当 u 取 5 时代表子载波间隔为 480k, 商用的 u 采用小于 5 的部分，u 用来判断一个子帧中的时隙个数; lte 中的一个子帧存在两个时隙.
一个子帧中时隙的个数为 
，5G 中一个子帧的单位时隙的时长为
ms
lte 中规定子载波间隔为 15 kHz, 5G 中规定子载波间隔为 15 kHz x
(3) RE and RB
lte 中 RB 在时域上是一个 OFMD 符号，在频域上是一个连续的12 子载波，但在 5G 上对于 RB 不在时域上做概念限制，仅仅是在频域连续的 12 子载波。
Point A: 指示为 0 号子载波（第一个子载波）的中心，Point A 确定，带宽确定，那么中心载频也可以直接确定。
(4) 帧结构的配置（影响上下行速率）
一个时隙包含有 14 个 OFMD 符号
D :下行时期
U: 上行时期
S: 特殊时期，可以由上行符号和下行符号以及特殊符号自由配置
时隙数的计算：
(5) 物理信道与调制
传输数据时上行使用PUSCH，下行使用PDSCH.
(6) 物理信号
lte 中有参考信号 CRS，但 5G 中没有参考信号 , 5G中多出来解调参考信号（DM-RS）对相关的信道进行解调。
相位跟踪参考信号：相位校正
探测参考信号：探测上行信号的质量，波束赋形
信道状态信息参考信号：信道估计，波束赋形
(7) 信道调制方式
(8) 物理信号与天线端口
同一个天线端口传输的信道可以使同一种解调方式
一个逻辑的天线端口至少对应一个物理端口
(9) SSB
PSS: 主同步信号
PBCH: 物理广播信道
SSS: 辅同步信号
每一个物理信道后面或中间都有一个解调用的 DMRS 信号
(10) 小区搜索
通过 GSCN 的频点找到频域位置 --> 找到时域位置 --> 得到小区 ID
(11) 随机接入
通过 PRACH 信道发送随机接入请求 --> 获得随机接入响应（包含上行授权、定时消息和标识）--> 发送竞争请求 --> 请求通过
(12) 步分带宽
根据业务量的大小配置带宽，let 无论业务大小配置 10 兆或 20 兆 带宽
4. 关键技术
(1) NOMA
在发送的信号之前加一段编码（短复用码字）进行编号，再通过编号解调
有三个信号 1,2,3 非正交发射，功率 P1 > P2 > P3,接收端从功率最大的信息开始验证，通过短复用码字标识进行对比，如果不满足则对功率第二大信号进行验证，直到满足条件
(2) 大规模天线阵列
频段越高，波长越短，天线大小越小
5G 使用高频段信号，使用天线阵列可以弥补高频信号覆盖不足的缺陷
(3) 波束原理
波束能量一定，所以波束的体积是一定的，通过调整不同的参数可以达到最优化
(4) 波束管理
SSB 信号可以用来进行小区搜索
CSI - RS 信号可以用来进行波束赋形
(5) 多接入边缘计算技术
通过多接入边缘计算，可以将把数据中心放到靠近基站的地方，降低了时延
自动驾驶使用该技术避免了信息向核心网的传输，降低时延，进行实时处理
(6) 补充上行链路
解决边缘覆盖中的一些问题
(7) 网络切片
给特定的业务分配特定的网络服务，虚拟的资源分配，核心网给不同的业务分配不同的带宽，承载也给不同的业务分配不同的信道
(8) 超密组网
使用波束管理小区，避免了基站管理小区造成的时间及其他资源的成本
参考资料
IUV 官网