5G NR標準 下一代無線通信技術(shù)

“5G”在更寬泛的語境中，常常用來意指未來移動通信能夠支持的、可預(yù)見的應(yīng)用服務(wù)。2017標準化組織3GPP推出第一版5G技術(shù)規(guī)范NR。NR主要滿足了5G哪些應(yīng)用服務(wù)，又是如何實現(xiàn)的呢？

以人為中心的通信，通俗來說就是我們通過智能手機每天使用的各種服務(wù)。NR會讓大家手機上網(wǎng)的速度越來越快。雖然4G已帶來了很好的上網(wǎng)體驗，但是隨著移動業(yè)務(wù)的不斷拓展，以及提速降費的大背景，單個用戶產(chǎn)生的流量不斷增加，單純通過4G網(wǎng)絡(luò)擴容來滿足需求已經(jīng)越來越困難了。

NR大幅拓展了頻譜范圍。LTE只支持3GHz以下的頻段，NR擴展到6GHz以下，以及毫米波24.25-52. 6GHz。頻譜資源是一切無線通信的基石，越大的頻率范圍則意味著運營商更有可能找到可用的頻率資源來部署NR。不同的頻譜范圍意味著不同的時延拓展、多普勒頻移、相位噪聲特性，為此NR在定義OFDM信號參數(shù)時，引入了多組參數(shù)（參數(shù)集），靈活支持不同的頻譜范圍。此外頻率資源豐富的中高頻(特別是毫米波)信號在傳播過程中會遭受嚴重的衰減，限制了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。為此NR進一步引入先進的多天線發(fā)射和接收技術(shù)，增加覆蓋。同時通過上下行解耦，低頻和高頻聯(lián)合工作，充分融合低頻覆蓋好、高頻容量大的優(yōu)勢。

信道相關(guān)的調(diào)度，充分考慮信道質(zhì)量的瞬時變化，用戶間調(diào)度，支持用戶間動態(tài)共享無線資源, 充分考慮了流量優(yōu)先級和QoS要求。NR的調(diào)度可以支持動態(tài)TDD，可由調(diào)度器動態(tài)配置一個時隙或者部分時隙為上行或下行。通過這種動態(tài)配置，系統(tǒng)可以快速適應(yīng)上下行業(yè)務(wù)需求的變化。NR支持高速的數(shù)據(jù)傳輸。為了支持非常高的數(shù)據(jù)速率，NR引入了一些新的技術(shù)。比如數(shù)據(jù)信道編碼采用LDPC碼。相較于LTE中使用Turbo碼，在較高碼率時LDPC碼接收機更加易于實現(xiàn)。

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NR向前兼容，未來可以方便引入新技術(shù)?？梢灶A(yù)見5G的需求會不斷變化，同時新技術(shù)的演講也一刻不停，這都需要讓NR為其未來的演進預(yù)留足夠的空間：能夠支持未來具有新需求和新特性的服務(wù)，同時仍能支持同一載波上的傳統(tǒng)終端。

為了支持向前兼容，NR盡可能規(guī)避強制要求在固定的時頻資源上進行傳送，以免和未來技術(shù)發(fā)生沖突，同時NR中還可以配置預(yù)留資源，即這些資源不用于傳統(tǒng)終端的任何傳輸，而用于未來或者其他無線技術(shù)使用（類似預(yù)留字段）。這有著現(xiàn)實和未來兩重的意義，現(xiàn)實來說可以讓NR在早期部署的時候，通過配置預(yù)留資源，可以和LTE靈活地共享頻譜，降低早期部署成本；未來則可以讓NR持續(xù)靈活演進。

5G的使命是改變社會，除了讓人們越來越方便接入互聯(lián)網(wǎng)，還要全方位地改變社會上各個行業(yè)的生產(chǎn)和運營。為此，需要通過5G的通信能力把設(shè)備間的距離無限拉近，并結(jié)合云/Edge、大數(shù)據(jù)和AI這些最新科技，為各個行業(yè)提供數(shù)字化服務(wù)。這些以機器為中心的通信需求千變?nèi)f化：

有些需要最大程度上考慮功耗、覆蓋和設(shè)備成本。比如智能路燈、智能電表、水表、垃圾桶，乃至若干智能穿戴設(shè)備都可以歸屬此類。在未來的社會，這些終端往往是海量的連接。有些需要最大程度上在一定時延的范圍內(nèi)，考慮通信的可靠性，以及安全性：比如工業(yè)機器人、工廠自動化、自動駕駛。有些則需要極高的帶寬，比如超高清直播。為此，5G必須從空口滿足這些靈活多變的需求：

大規(guī)模機器類通信需求。通常這類需求是指終端發(fā)送數(shù)據(jù)量較少、時延要求比較寬松，但對低功耗和低成本要求很高的場景，而且終端數(shù)量一般很多。

對于低端的大規(guī)模機器通信，NR沒有獨立提出解決方案，而由LTE技術(shù)中的 eMTC和NB-IoT來解決這類需求。一方面是因為這些技術(shù)已很好地支持低端的大規(guī)模機器通信；另一方面因為運營商已經(jīng)部署了NB-IoT或者eMTC技術(shù)，和一般的智能機不同的是，這種類型終端的服務(wù)期一般會很長，有的甚至達到10年乃至更久。因此NR僅僅通過上文提及的資源保留等機制與這些現(xiàn)有接入技術(shù)的共存。長期來看， NR必然能夠演進到直接支持大規(guī)模機器類型通信，目前的觀點是主要考慮滿足中高端設(shè)備的需求。

超低時延可靠機器通信。典型的應(yīng)用領(lǐng)域的例子是工廠自動化。很多情況下，這類應(yīng)用在可靠性和時延方面要求都很高。NR第一個版本主要解決URLLC的低時延部分，意味著超高可靠性的支持將在NR后續(xù)部分支持。

超低時延是NR的一個重要特征，對NR的很多設(shè)計細節(jié)都有影響。一個系統(tǒng)如果想要實現(xiàn)低時延，是需要在各個處理模塊上‘精雕細琢’，才能在總體上保證時延。比如：NR定義了微時隙的概念，縮短了最低傳輸持續(xù)時間。這種傳輸還可以搶占另一個終端正在進行的、基于時隙的傳輸，以便允許低時延數(shù)據(jù)的即時傳送。另外一個例子是使用“前置”的參考信號和控制信令，終端可以立即開始處理接收的數(shù)據(jù)而無需事先緩沖，降低解碼的時延。

除了物理層，高層MAC和RLC協(xié)議的設(shè)計也考慮了低時延的情況，比如它的報頭結(jié)構(gòu)使得能夠在不知道要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的情況下開始進行處理。這對上行傳輸尤其重要，因為在數(shù)據(jù)傳輸量是由網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，NR終端可以在接收到網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)之前就預(yù)處理，從而降低了時延。可以說，這些降低時延的設(shè)計細節(jié)貫穿了整個NR的方方面面。

當然為了有效支持各種機器通信，NR不光需要從協(xié)議層面靈活地支持多個維度上需求，而且需要從產(chǎn)品實現(xiàn)方面進行相應(yīng)的設(shè)計和優(yōu)化。這方面各個廠家的產(chǎn)品不盡相同，百花齊放，這里列舉幾個例子：

網(wǎng)絡(luò)切片。將實體網(wǎng)絡(luò)上劃分為若干網(wǎng)絡(luò)切片，每個切片是服務(wù)于特定業(yè)務(wù)或客戶需求的一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從最大程度上滿足各種不同業(yè)務(wù)的需求。例如，類似于LTE提供的移動寬帶服務(wù)，可以構(gòu)造一個網(wǎng)絡(luò)切片并支持完整的移動性，或者可以構(gòu)造另一個網(wǎng)絡(luò)切片以支持特定的非移動、但有低時延要求的工業(yè)自動化應(yīng)用。這些切片將運行在共同的、基礎(chǔ)性的物理核心網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)上，但從用戶應(yīng)用的角度來看，它們像是運行在各自獨立的網(wǎng)絡(luò)中。在許多方面，網(wǎng)絡(luò)切片類似于在同一個物理計算機上配置多個虛擬計算機。

邊緣計算，將用戶應(yīng)用的一部分在靠近核心網(wǎng)邊緣的地方運行，而不需要數(shù)據(jù)透過無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、Internet網(wǎng)接入用戶應(yīng)用。邊緣計算不但滿足了低時延要求，而且可以提高數(shù)據(jù)的安全性，降低運營商的傳輸網(wǎng)絡(luò)負擔。

控制面和用戶面的分離，以及虛擬化?？刂泼婧陀脩裘娴姆蛛x意味著兩者容量的獨立縮放。例如，如果需要更多的控制面容量，則單獨擴容控制面而不必同時對用戶面擴容。而虛擬化技術(shù)在5G的核心網(wǎng)中會大量采用，運行在通用計算機硬件上。這些技術(shù)的采用，為5G能靈活服務(wù)各類業(yè)務(wù)提供了方便、快捷、經(jīng)濟的解決方案。