NR系统概述-架构与演进

大家好，从今天开始我会把NR相关的知识以博文的方式放上来。可能速度会比较慢，时间也会拉得很长，因为内容比较多，我还在整理中，而且很多内容关联性很强，我得考虑介绍的先后顺序。从我学习3GPP的经验考虑，我大概的思路是这样的：

1. 介绍NR的一些背景知识，主要是架构与演进。

2. 介绍NR的主要无线技术。

3. 介绍5G NR一些专有概念，其中主要是5G 帧结构和相关的物理资源的组成单位。

4. 然后把5G NR无线频谱相关的内容介绍一下，不会太细。只是笼络地把相关知识点梳理一遍，当然，如果您是专门做Radio这块的，那么可能会比较失望，先抱歉了。

5. 介绍各个物理信道及相关参考信号。

6. 介绍同步流程。 

7. 介绍随机接入流程。

8. 介绍功控相关内容。

9. 介绍上下行数据传输相关内容。

10. 介绍CA相关内容。

11. 介绍RRC相关流程。

12. 介绍RLC相关内容。

13. 介绍PDCP相关内容。

14. 介绍核心网相关内容。

15. 补充内容，因为NR协议一直在更新，后面可能会有新的内容补充进来，比如我最开始阅读的时候是R15 的

f20版本，里面有不少书写错误以及明显看起来与上下文不相称的内容，然后到了R15的f30版本，对比就发现修正了很多错误，也增加了不少内容。所以NR这块内容的更新是长期的。

另外欢迎大家利用博文与我交流或者指出我对NR的理解错误。

1. Overview

与5G相关的3GPP协议从Rel-13开始，主要包含eMTC， NB-IoT，然后发展到Rel15，Rel15单独分离出一个38系列来阐述无线侧的NR内容(Next Generation)，这也是5G NR的第一个3GPP版本。其中的road map可以从下图中看出：

 

 

之所以说5G内容从Rel-13就开始，是因为5G包括了以下3个方向：

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband)， 增强型移动宽带。主要指3D/超高清视频等大流量移动宽带业务。
• mMTC (Massive Machine Type Communications)， 大规模机器类通信。
• URLLC (Ultra-reliable and Low Latency Communications)， 超可靠低时延通信。主要指如物联网，工业自动化等需要低时延、VR/AR互动、高可靠连接的业务。

         其中的mMTC，指的就是eMTC和NB-IoT。eMTC和NB-IoT从Rel13开始就有描述

 

 

3GPP Rel-15是5G NR的第一版标准，其中包括了eMBB和uRLLC。该版本介绍了5G非独立组网和独立组网方式。

那么何为5G NR?

相对于4G LTE而言，5G NR主要有以下几个方面的变化：

• 从低频段到高频段均可组网：400MHz ~ 100GHz，包括使用未授权频段的独立组网模式
• 超宽(ultra wide)带宽

          1. 当在6GHz以下时，单载波带宽最大可至100MHz

          2. 当在6GHz以上时，单载波带宽最大可至400MHz

• 引入multiple numerologies概念，使得带宽配置灵活多变

          1. multiple numerologies对应的概念是BWP(Bandwidth part)，在5G NR中一个单载波的完整带宽可以 由不同的numerologies组成，每个numerologies上又可以有多个BWP，这些BWP在频域上长度可以不同(可以理解为每个BWP对应一个独立的带宽)。

          2. 5G NR规定在一个完整带宽内最多可以配置4个上行/下行BWP。这4个上行/下行BWP中最多只能有一个active BWP，并且终端只需要监听active BWP上的控制信息和数据信息，这样就可以根据每个终端的业务类型动态调整它们的active BWP，从而达到节省终端功耗的目的。

• 新的信道编码方式

          1. 对于数据信道，编码方式为LPDC (Low Density Parity Check,低密度奇偶校检 )

          2. 对于控制信道，编码方式为Polar (极化编码)

• 支持低时延超可靠特性
• 灵活可变和模块化的RAN架构：对front-haul的拆分，该拆分主要指控制面和用户面的拆分。
• 支持端对端的网络切片(Network Slicing)
• 新增了RRC_INACTIVE状态，缩短终端接入时延，降低切换开销并节省功率

          

5G的核心技术如下：

• 编制和虚拟化 (NFV, Network Function Virtualization) - 将逻辑功能从硬件中解耦出来
• 网络切片 (Network Slicing) - 根据用户需求设置端到端的逻辑网络
• 边缘计算 (MEC, Multi-Access Edge Computing) - 超可靠低时延的业务需求 
• 开放式API - 为第三方提供5G服务接入方式
• 以服务为导向的架构(SBA, Service Based Architecture) 

2. NR Architecture

新的5G RAN (Radio Access Network)可以同时为用户提供NR和E-UTRA (“LTE”)无线接入。

NG-RAN可以为以下两者之一：

•      gNB (“5G base station”, 提供NR接入)
•      ng-eNB(“enhanced 4G base station”, 提供E-UTRA接入)

NG-RAN节点通过以下接口连接(请参考下图)：

• 连接5G核心网 - NG interface
• NG-RAN之间连接 - Xn interface

 

2.1 Deployment scenarios

NR无线接入网的一个显著特点就是可以同时支持独立组网方式(SA, Stand-Alone)和非独立组网方式(Non-Stand-Alone)。

在独立组网方式中，gNB与5G核心网(5GC)相连接；而在非独立组网方式中， NR和LTE紧密整合并连接到现有的4G核心网(EPC), 终端通过双连接(DC, Dual-Connectivity)与NR和LTE基站交互。

在双连接架构中，主节点(MN, Master Node)和辅节点(SN, Secondary Node)同时向终端提供空口资源以达到提高终端用户空口速率的目的。

部署可选场景1 (Option 1)

Legacy组网方式： eNB通过S1-C(控制面)和S1-U(用户面)连接EPC

 

部署可选场景 2 (Option 2)

独立组网(SA)方式：gNB通过NG-C(控制面)和NG-U(用户面)接入NGC；gNB之间通过Xn接口相互连接。
 

 

部署可选场景 5 (Option 5)

独立组网(SA)方式：ng-eNB通过NG-C(控制面)和NG-U(用户面)接入NGC

ng-eNB之间通过Xn接口相连接。

这种部署场景为现有的LTE无线结构提供(通过对eNB的升级)与新的5G核心网的连接方式 。

 

部署可选场景 3 (Option 3， “EN-DC")

EN-DC: LTE-NR双连接(LTE-NR Dual Connectivity)

eNB作为主节点(Master Node, MN)与LTE核心网相连接

"en-gNB”作为辅节点(Secondardy Node, SN)与主节点相连接

en-gNB只实现了作为辅节点所需的5G 基站的部分功能。

 

 

部署可选场景 4 (Option 4， “NE-DC")

gNB作为主节点(Master Node, MN)与5G核心网相连接

ng-eNB作为辅节点(Secondardy Node, SN)通过Xn接口与主节点相连接

ng-eNB通过gNB或者直接向5G核心网发送用户面数据

 

 

部署可选场景 7 (Option 7， “NGEN-DC")

ng-eNB作为主节点(Master Node, MN)与5G核心网相连接

gNB作为辅节点(Secondardy Node, SN)通过Xn接口与主节点相连接

gNB通过ng-eNB或者直接向5G核心网发送用户面数据

 

 

迁移方面的考虑

5G的一个可能部署场景为将5G NR配置在相对于LTE而言更高的频段上(例如，NR频段>6GHz)，在这种场景中，由于高频段的无线信号衰减较快，因此NR小区的覆盖半径要远远小区LTE小区的覆盖半径；此时需要使用已有的LTE小区作为NR小区的补充，为移动用户提供持续的无线覆盖服务同时在NR小区覆盖半径内又可以通过双连接(DC)来为用户面提供更大的容量及更高的数据速率。部署场景3(Optional 3)可以满足以上场景的需求。

如果运营商决定使用5G核心网，那么可以引入以下部署场景：

• NR独立组网， 部署场景2(Option 2)
• 在双连接(DC)中将LTE小区作为辅节点，部署场景4(Option 4)
• 将LTE小区作为主“锚点”，连接5G核心网， 部署场景5(Option 5), 如果同时，
• 将NR小区作为辅节点组成双连接(DC)，部署场景7(Option 7)

选择部署NR和5G核心网(5GC)作为“锚点(anchor)”还是仍然使用LTE作为“锚点”连接5G核心网(5GC)，由每个运营商决定。这种选择主要取决于已部署的LTE网络的密度、可用的频谱资源、终端用户数据流量的增长比率以及5G NR才能提供的新业务在运营商网络中所占的比重大小。

2.2 5G NR Base Station Architecture

4G无线接入网的架构是基于一体化的架构，好处是RAN的架构非常的简单，只存在很少的逻辑节点。而在NR研究的最早阶段，大牛们发现如果把gNB(NR逻辑节点)拆分为中央单元(CUs)和分布式单元(DUs)会带来额外的好处，包括：

• 灵活多变的硬件实现方案，从而使得可伸缩的划算的解决方案成为可能。
• 拆分架构允许5G NR在负载管理、性能表现和实时性能优化之间进行协调；同样也支持虚拟化部署。
• 可配置的功能化拆分使得5G NR可以适用于各种使用场景，比如不同的传输时延需求。

如何拆分NR功能取决于无线网络的部署场景、限制和需要的服务。例如，拆分取决于每个服务对于指定QoS设置的需求(比如低时延，高流量，每个地理区域内的用户密度和负载需求)，或者对于有不同性能级别的传输网络的交互操作。

下图给出了几种在研究阶段考虑的几种可能的CU-DU拆分方案。E-UTRA协议栈，包含了PHY, MAC, RLC, PDCP和RRC，作为调研的基点来研究。调研分析了在协议栈中可能的拆分点，在详尽对比后，3GPP决定使用option 2(基于集中化的PDCP/RRC和分布式的RLC/MAC/PHY)作为标准化规范工作的基准。选择该option的主要原因是因为该选择与应用于双连接(DC)的协议栈拆分相似（这个是3GPP委员会官方的说法）：在双连接配置中，主节点(MN)和辅节点(SN)与option 2一样在相同的拆分点进行拆分。另一个重要原因是这样划分可以将RRC和PDCP划分在一起作为CU管理，属于对时延不敏感的部分，而RLC，MAC，PHY这些对于时延敏感的模块归属于DU。这样形成的部署方式是：CU可以部署在某一个区域的中心机房，而DU部署在数据业务发生的密集区域。这样可以最大限度地减少数据业务时延。

 

 

2.3 Higher Layer Split (HLS) of the gNB

gNB的拆分架构

gNB可以拆分为中央单元(gNB-CU)和一个或多个分布式单元(gNB-DUs)
          1. 这种拆分架构使得基站的部署方式变得更加灵活

          2. 可以为低时延服务提供较好的支持
一个gNB-CU可以和多个gNB-DUs连接
一个gNB-DU仅可以和一个gNB-CU连接
一个gNB-DU支持一个或多个cell

 

F1-C(控制面)功能：

• F1接口管理功能：这些功能由F1 setup，gNB-CU Configuration Update, gNB-DU Configuration Update, error indication and reset function构成。
• 系统信息管理功能：gNB-DU负责系统信息的调度和广播。对于系统信息的广播， NR-MIB和SIB1的编码由gNB-DU执行，其他SI信息的编码由gNB-CU执行。F1接口也为请求式(on-demand)SI发送提供信令支持，同时F1接口也可以启动UE energy saving。
• F1 UE上下文管理功能：这些功能包UE上下文的建立和更改。F1 UE上下文的建立由gNB-CU发起，gNB-DU可以基于准入控制规则(Admission Control Criteria)接收或者拒绝UE上下文(例如，如果资源不可用，则gNB-DU可以拒绝上下文的建立或者更改)。另外，F1 UE上下文修改请求(UE context modification request)可以由gNB-CU或者gNB-DU发起。F1 UE上下文管理功能也可以用于数据无线承载(DRBs)和信令无线承载 (SRBs)的建立，更改以及释放。
• RRC消息传输功能：该功能负责从gNB-CU到gNB-DU的RRC消息的传输，反之亦然。

F1-U(用户面)功能：

• 用户数据的传输功能：该功能容许在gNB-CU和gNB-DU之间进行数据传输。
• 流控制功能：该功能容许控制下行用户数据向gNB-DU传输，同时引入多个功能来提升数据传输的性能，比如由于radio link outage造成的PDCP PDUs丢失的快速重传，冗余PDU的丢弃，重传数据指示(retransmitted data indication)和状态报告。

在CU-DU拆分的情况下，支持下列connected-mode移动场景(mobility scenarios)：

• Inter-gNB-DU Mobility：在相同的gNB-CU内，UE从一个gNB-DU移动到另外一个gNB-DU。
• Intra-gNB-DU inter-cell mobility：在相同的gNB-DU内，UE从一个cell移动到另外一个cell，由UE Context Modification procedure支持(由gNB-CU发起)。
• EN-DC Mobility with Inter-gNB-DU Mobility using MCG SRB:在EN-DC场景中，当只有MCG SRB可用时，在相同的gNB-CU内，UE从一个gNB-DU移动到另外一个gNB-DU。
• EN-DC Mobility with Iter-gNB-DU Mobility using SCG SRB:在EN-DC场景中，当SCG SRB可用时，UE从一个gNB-DU移动到另外一个gNB-DU。

2.4 Separation of CP and UP with Higher Layer Split (HLS)

为了根据不同的场景和性能需求来优化不同RAN功能的位置，gNB-CU可以进一步分解为控制面(CP)和控制面(UP)部分(分别为gNB-CU-CP和gNB-CU-UP)。CU-CP和CU-UP之间的接口称为E1。

 

2.5 Radio Protocol Architecture

用户面

下图给出了用户面协议栈结构图

 

 

控制面

下图给出了控制面协议栈结构图。终结于UE以及5G核心网(5GC)的AMF(Access and Mobility Management Function)的NAS协议用于核心网相关功能，比如registration、authentication、location updating和session management。终结于UE和5G RAN的RRC协议用于UE内部与空口控制和配置相关的功能。

 

 

与LTE相比，NR RRC协议的一个显著不同是NR RRC为终端引入了3种状态模型，多出的状态是RRC_INACTIVE状态(如下图所示)

 

与RRC Idle状态类似，RRC Inactive状态下也可以达到节省终端电池电量的目的，但是RRC Inactive状态下对应UE的UE上下文仍然保存在NG-RAN中，这样当UE在

    RRC_Connected和RRC_Inactive两种状态之间转换时就会非常快而且也

    节省了空口上的信令消耗。

NR RRC与LTE RRC另一个显著不同是NR RRC支持系统消息的“on-demand”

   机制。该机制使得UE可以主动要求NR-RAN发送指定系统消息，而不是由

    NR-RAN消耗空口资源来提供周期的系统广播消息。

Reference

《5G标准介绍》， http://www.caict.ac.cn

 'NR Architecture', www.3gpp.org

 'Overview of RAN aspects', www.3gpp.org

 'System and Core Network Aspects', www.3gpp.org

 'NG Radio Access Network', www.3gpp.org