作者：刘晓峰 孙韶辉 杜忠达 沈祖康 徐晓东 宋兴华
出版社：人民邮电出版社有限公司
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5G无线系统设计与国际标准试读：
前言
随着4G的广泛应用，无线互联网的时代已经开启。以智能手机为代表的无线互联网应用给我们的生活带来了深刻变化。在4G的基础上，不仅传统移动宽带数据业务快速增长，越来越多的新应用及新技术也不断涌现。这也对无线网络的发展提出了更加多样化的需求。这些需求不仅包括更高系统吞吐量，还包括对更低的传输时延、更高的可靠性和系统更多的连接用户数的追求。
5G系统就是为应对这些新的需求而提出的。5G系统的设计与4G系统最大的差别在于，5G系统在支持快速增长的移动宽带数据业务的同时，还需要考虑支持超低时延、高可靠性业务和广覆盖下的大连接业务。5G系统不仅需要实现人和人的互联，还需要实现人与物、物与物的互联，即万物互联。为完成这一任务，5G不仅需要使用传统的低频频谱，如3GHz以下的频谱，还需要支持高频频谱的使用，以获得更大的系统带宽，来满足不同的业务需求。这些需求给5G的系统设计带来极大挑战。
为迎接5G带来的诸多挑战，全球主要移动通信公司在3GPP开展了5G NR（新空口）的标准化工作。相对于4G系统，5G NR的系统设计更加灵活，支持更多的基本参数配置，具有上下行对称的波形设计和自包含且灵活的帧结构配置。同时，5G NR中还引入了一系列新的技术。其中比较有代表性的是将Polar码（极化码）用于控制信道的编码方案，数据信道也采用了LDPC作为数据信道编码方案。本书第4章对NR采用的新编码方案进行了详细介绍。
本书的架构从系统设计的角度出发，紧扣5G NR的整个标准化进程，对关键的物理层关键技术和关键信道标准化过程及实现进行了比较详细的阐述。在物理层信道设计方面，本书在第6章对控制信道设计进行了单独介绍，而对其他信道设计的介绍则分布于各章节中。在组网方面，考虑到5G NR与4G LTE的联合部署，本书在第8章对不同的网络部署方式及关键技术进行了详细介绍。
5G NR与4G LTE有着非常紧密的关系，这一点在5G的整个标准化过程中体现得非常充分。首先，5G NR需要考虑和4G LTE进行联合部署，在很多物理层的设计上需要兼顾不同系统的特点进行联合设计；其次，很多NR的设计采用了LTE的设计作为基础。这样做一方面可以节省标准化时间，另一方面也为4G和5G芯片共用部分模块提供了可能。本书在写作过程中也充分考虑到5G NR与4G LTE的关系，尽量在讲述5G NR设计时与LTE设计进行对比，以便读者对相关设计有更好的理解。
本书的撰写依托IMT-2020推进组的相关工作，集合了多名在国际标准化工作一线的专家的辛勤工作。刘晓峰负责全书组织架构和统稿，并承担前3章部分内容的撰写工作。孙韶辉、王可、高秋彬、全海洋、黄秋萍、苏昕、宋月霞、汪颖、李辉负责第5章和第2章部分内容的撰写工作。杜忠达、郝鹏负责第8章和第3章部分内容的撰写工作。沈祖康、王俊、李榕、张公正、黄凌晨负责第4章的撰写工作。宋兴华、薛丽霞、张旭、孙昊、陈铮、戴晶、冯淑兰、彭金磷、肖洁华、官磊、马蕊香、徐修强负责第6章的撰写工作。肖伟民、刘嘉陵、郭志恒、谢信乾、费永祥、毕文平负责第7章的撰写工作。徐晓东负责第3章帧结构部分的撰写工作。魏贵明、徐晓燕、魏克军、朱颖负责第1章、第2章部分内容的撰写工作及全书修订工作。在这里还要感谢杜滢、徐菲、万蕾、童文、朱佩英、王欣晖、刘光毅、胡南、黄河、刘星、张峻峰、梁亚超等技术专家的支持。
受标准化时间的影响，很多技术特性并没有在第一版5G的NR国际标准中完成标准化。在5G后续的持续标准化工作中，还将引入更多的新技术特性并对现有技术进行优化。同时，为实现万物互联的愿景，5G在未来的标准化工作中也将向车联网、工业互联网等垂直行业进行扩展。本书的撰写和5G标准化工作同步开展，截至本书成书之日，一些技术方案还在不断演进，如有机会，还将继续进一步补充和修正本书内容。对于本书存在的不当之处，敬请读者和专家批评指正。第1章 5G标准制定概述
随着移动通信技术的不断快速发展，尤其是4G技术广泛应用以后，我们的生活也发生了深刻的改变。移动网络与智能终端的普及使得我们的生活方式围绕各种新型应用进行了重构。但是人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了迎合未来社会发展的需求，尤其是爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接及不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。
5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务以及业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升，比特成本降低不及原来的百分之一，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。
移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来，移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量的超千倍增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。
物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物的智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向2020年及未来，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。1.1 ITU 5G需求的制定
国际电信联盟（ITU）是联合国的15个专门机构之一，但在法律上不是联合国附属机构，它的决议和活动不需联合国批准，但每年要向联合国提交工作报告。
ITU主管信息通信技术事务，由无线电通信（ITU-R）、电信标准化（ITU-T）和电信发展（ITU-D）三大核心部门组成。每个部门下设多个研究组，5G的相关标准化工作主要是在ITU-R WP5D工作组下进行。
从2012年开始ITU组织全球业界开展5G标准化前期研究工作，持续推动全球5G共识形成。2015年6月，ITU正式确定IMT-2020为5G系统的官方命名，并明确了5G业务趋势、应用场景和流量趋势，提出5G系统的8大关键能力指标，以及未来移动通信技术发展趋势。
ITU确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称。从3G开始，ITU以IMT（国际移动电信）为前缀为每一代移动通信定义一个官方名称，3G官方名称为IMT-2000，4G官方名称为IMT-Advanced。考虑到第五代移动通信技术将在2020年左右实现商用，以及ITU对移动通信的命名惯例，我国主推采用“IMT-2020”为5G官方名称，受到绝大多数国家支持。
ITU明确了IMT-2020的业务趋势、应用场景和流量趋势。在业务方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。在应用场景方面，5G将支持增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（URLLC）三大类应用场景，如图1.1所示，在5G系统设计时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需求。在流量方面，视频流量增长，用户设备增长和新型应用普及将成为未来移动通信流量增长的主要驱动力，2020年至2030年全球移动通信流量将增长几十倍至一百倍，并体现两大趋势：一是大城市及热点区域流量快速增长；二是上下行业务不对称性进一步深化，尤其体现在不同区域和每日各时间段。图1.1 ITU《IMT愿景》建议书定义的5G三大应用场景
ITU在2015年提出IMT-2020系统的8大关键能力指标。如图1.2所示，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，ITU还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效四个新增关键能力指标，以适应多样化的5G场景及业务需求。其中，5G用户体验速率可达100Mbit/s至1Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；25G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/(s·m)，能够支持未来千倍以上移动业务流量增长；5G连接数密度可达100万个/平方千米，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500km/h的移动速度，能够在高铁环境下实现良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有效利用，5G的频谱效率将比4G提高3～5倍，能效将比4G提升100倍。
ITU全面总结了未来移动通信技术的发展趋势。ITU在《IMT未来技术趋势》研究报告中，总结了近期及2020年以后的移动通信技术总体发展趋势，并指出未来移动通信系统将优化空口接入技术、覆盖更多业务、增强用户体验、提升网络能效、支持新型终端技术和网络优化技术，从而全面提升系统性能。其中，大规模天线、新型多址、超密集组网、新型双工、灵活频谱使用、低时延高可靠、先进接收机等被认为是未来无线技术发展趋势；软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）、集中式无线接入网（C-RAN）、以用户为中心网络、多网协同等被认为是无线网络技术的未来发展方向。
ITU明确6GHz以上频谱资源可用于IMT-2020系统。ITU以6GHz至100GHz为主要研究范围，分析了10GHz、28GHz、60GHz、73GHz等几个代表频段的传播特性，以及6GHz以上高频段无线信号在室内和热点区域的覆盖性能。研究表明，利用高频段易于实现大规模天线阵列的特点，通过波束赋型技术，在室内和热点区域可有效弥补高频段无线信号的传播损耗。同时，ITU还论证了6GHz以上频段与6GHz以下频段混合组网，以及6GHz以上频段用于接入和回程灵活部署的可行性。研究结果表明，在重点研究的IMT部署场景中，6GHz至100GHz频谱资源可用于IMT-2020系统部署。图1.2 ITU《IMT愿景》建议书提出的IMT-2020（5G）与IMT-A关键能力对比1.2 中国参与5G需求的研究制定
5G作为新一代移动通信技术发展的主要方向，将成为推动国民经济和社会发展、促进产业转型升级的重要动力。2014年5月，我国IMT-2020（5G）推进组面向全球发布《5G愿景与需求》白皮书，详述了我国在5G业务趋势、应用场景和关键能力等方面的核心观点。5G关键性能指标应主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率。在5G典型场景中，考虑增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等5G典型业务，并结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等的要求，可以得到各个应用场景下的5G性能需求。
● 用户体验速率：0.1～1Gbit/s。
● 连接数密度：100万个连接/平方千米。
● 端到端时延：毫秒级。
● 流量密度：数十太比特每秒/平方千米。
● 移动性：500km/h以上。
● 峰值速率：数十吉比特每秒。
其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。
为了实现可持续发展，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，特别是在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要比4G有显著提升。从未来最具挑战场景的流量需求出发，结合5G可用的频谱资源和可能的部署方式，经测算得到5G系统的频谱效率相对4G大约需要提高5～15倍。从我国移动数据流量的增长趋势出发，综合考虑国家节能减排规划和运营商预期投资额增长情况，预计5G系统的能源效率和成本效率也有百倍以上的提升。
综合来看，性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，中国提出了“5G之花”来表征5G关键能力，如图1.3所示。红花绿叶，相辅相成，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。图1.3 中国提出5G关键能力—“5G之花”
随后，我国逐步将各项研究成果提交至ITU。在5G关键能力及取值方面，除成本效率外，我国主推的5G关键能力均被ITU采纳，且取值与我国的建议基本一致。在应用场景方面，我国提出的连续广域覆盖、热点高容量、多连接大功耗和低时延高可靠等四大5G场景也与ITU结论基本相符，而且可操作性更强。1.3 5G标准的制定过程1.3.1 ITU关于IMT-2020（5G）标准的制定过程
ITU在开发移动通信无线接口标准方面有着悠久的历史，包括制定IMT-2000和IMT-Advanced在内的国际移动通信（IMT）标准框架，贯穿了整个3G和4G行业发展。ITU早在2012年初就开始组织全球业界开展5G标准化前期研究，持续推动全球5G共识形成，确定了全球5G的发展目标并制定了5G的标准工作计划时间表。按照此工作计划，5G研究分可为三大阶段，具体情况如图1.4所示。图1.4 ITU-R关于IMT-2020（5G）的详细时间节点及工作流程1.阶段一（里程碑2015年底）：确定5G技术的宏伟蓝图
ITU确定IMT-2020系统命名，完成《IMT-2020愿景》《IMT未来技术趋势》《面向2020年及以后的IMT流量》和《IMT系统部署于6GHz以上频段的可行性研究》等多个研究项目。《IMT-2020愿景》的颁布，明确列出了5G的宏观需求，梳理出增强性移动宽带、海量机器间通信、超高可靠和超低时延这三大5G应用场景。2.阶段二（里程碑2017年6月）：确定5G技术方案的最小技术指标要求及其对应的评估方法，为后续候选技术方案的评判服务
ITU鼓励成员国和相关国际组织提交5G的候选技术方案。ITU收到候选技术方案以后，将组织公开的技术评估。2017年6月，ITU完成了一系列支持IMT-2020候选技术提交以及技术评估工作的关键文件，拉开了评估工作的序幕，并为后续候选技术方案提交和独立技术评估奠定了基础。
● 《ITU-R M.2410报告：IMT-2020最小性能要求》定义了达到IMT-2020无线接口技术门槛需要的14项性能指标，包括每项指标的详细定义、适用场景、最小指标值等。14项性能指标是对早先《IMT-2020愿景》定义的8大关键能力指标的扩充，符合要求的5G候选技术方案必须满足全部14项指标要求，具体的指标如表1.1所示。表1.1 ITU-R M.2410中定义的5G需要满足的14项最小指标值续表
● 《ITU-R M.2411报告：IMT-2020候选技术要求、评估准则及提交模板》主要包含业务需求指标、频谱需求指标和技术性能需求指标等填写内容。提交者需要根据ITU的要求对候选技术方案进行详细披露，体现候选技术方案特点及优势。
● 《ITU-R M.2412报告：IMT-2020评估方法》主要定义多个基于不同技术参数假设、基站和用户分布、业务及信道模型的评估场景，提出对应的评估方法，并通过对每个场景定义不同的技术指标要求来验证候选技术对差异化需求的支持能力。
● 《IMT-2020候选技术方案提交流程》规定了全部候选技术提交及第三方评估的过程，以及后续在ITU关于5G标准化的主要流程。3.阶段三（里程碑2020年底）：征集5G候选技术方案并评估确定5G技术标准
按照ITU的工作计划，2017年10月（WP5D#28）至2019年7月（WP5D#32）共计20个月的时间窗口内ITU将开展候选技术方案的征集工作，各个国家和国际组织都可以提交5G技术方案。在提交技术方案过程中，候选技术方案的提交者需要根据《IMT-2020的要求、评估准则和提交模板》，详细披露所提候选技术的相关信息，包括技术特性、链路预算、对各种性能要求的满足程度等。表1.2给出了ITU定义的14项技术性能指标的评估方法及对应测试场景。ITU要求IMT-2020候选空口技术方案/技术方案集（RIT/SRIT）的完整提交必须满足全部5个测试场景下的测试指标，每个测试场景的仿真评估指标项至少选择1套配置参数进行评估。表1.2 ITU定义的14项技术性能指标的评估方法及对应测试场景
截止到2018年7月，全球共有11个独立评估组在ITU进行了注册，包括5GPPP（欧洲）、WTSC（美国）、CEG（加拿大）、ChEG（中国）、WWRF、TCOE（印度）、5GMF（日本）、TTA SPG33（韩国）、TPCG/ITRI（美国）、ETSI（欧洲）、EEG（埃及）。各独立评估组将于2018年10月（WP5D#31）至2020年2月（WP5D#34）共计16个月的时间内向ITU输出独立评估报告，评估征集到的候选技术方案是否满足ITU对于5G的最小性能要求。
2019年12月至2020年6月ITU将对满足最小性能要求和评估流程的候选技术进行评判，2019年12月至2020年年底ITU将开展5G技术标准建议书的制定。ITU的5G标准最终将在2020年底发布。1.3.2 3GPP 5G国际标准制定
3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）是一个成立于1998年12月的标准化组织，目前其成员包括来自中、日、韩、欧、美及印度的七个合作伙伴（OP），包括欧洲的ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准化委员会）、日本的ARIB（Association of Radio Industries and Business，无线行业企业协会）和TTC（Telecommunications Technology Committee，电信技术委员会）、中国的CCSA（China Communications Standards Association，中国通信标准化协会）、韩国的TTA（Telecommunications Technology Association，电信技术协会）、北美的ATIS（The Alliance for Telecommunications Industry Solution，世界无线通信解决方案联盟），以及印度的TSDSI（Telecommunications Standards Development Society，India，印度电信标准发展协会），如图1.5所示。目前独立成员超过550个，分别来自40多个国家。包含网络运营商、终端制造商、芯片制造商、基础制造商以及学术界、研究机构、政府机构。
3GPP的组织结构中，项目协调组（PCG）是最高管理机构，负责全面协调工作，如负责3GPP组织架构、时间计划、工作分配等。技术方面的工作则由技术规范组（TSG，Technology Standards Group）完成。目前，3GPP包括三个TSG，分别负责核心网和终端（CT，Core Network and Terminal）、系统和业务方面（SA，Service and System Aspects）、和无线接入网（RAN，Radio Access Network）方面的工作。其中，每一个TSG又进一步分为多个不同的工作组（WG，Work Group），每个WG分别承担具体的任务，目前有16个工作组。如TSG RAN分为RAN WG1（无线物理层）、RAN WG2（无线层2和层3）、RAN WG3（无线网络架构和接口）、RAN WG4（射频性能）、RAN WG5（终端一致性测试）和RAN WG6（GERAN无线协议）6个工作组。图1.5 3GPP合作伙伴（OP）
3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理，18～21个月就会完成一个版本的制定，从建立之初的R99，之后到R4，目前已经进展到R16。
3GPP本质上是一个代表全球移动通信产业的产业联盟，其目标是根据ITU的需求，制定更加详细的技术规范和标准，规范产业的行为。在5G标准化开始之前，各主要公司均希望推动全球形成统一的5G标准，并确定5G国际标准化在3GPP的具体开展。因此，不同于3G/4G，3GPP制定的5G新空口（NR，New Radio）标准将成为5G的主流国际标准。
3GPP组织最早提出5G是2015年9月在美国凤凰城召开的RAN workshop on 5G会议上，这次会议旨在讨论并初定一个面向ITU IMT-2020的3GPP 5G标准化时间计划，目标是根据ITU时间规划最终向ITU提交3GPP 5G技术标准。随后，3GPP规划了R14到R16三个版本的时间表，其中R14主要开展5G系统框架和关键技术研究。R15作为第一个版本的5G标准，满足部分5G需求。R16完成第二版本5G标准，满足ITU所有IMT-2020需求，并向ITU提交。
根据3GPP的工作程序，3GPP总体规范可分为三个阶段。第1阶段：业务需求定义。第2阶段：总体技术实现方案。第3阶段：实现该业务在各接口定义的具体协议规范。5G标准化依然是采用该工作程序，其中三个版本的时间安排计划如表1.3所示。表1.3 3GPP R14/15/16各版本完成时间点第2章 5G系统设计架构与标准体系
本章就5G系统网络架构、无线接口协议栈、物理层设计和协议规范体系进行介绍。2.1 5G系统网络架构
3GPP为了更好地满足ITU对5G不同的业务场景需求，如支持eMBB（增强移动宽带）、mMTC（低功耗大连接）、URLLC（低时延高可靠通信）等场景，在进行新系统设计之前进行了进一步需求分析，并提出了更多的关键性能指标。比如下行峰值速率应达到20Gbit/s，下行频谱效率达到30bit/(s·Hz)，控制面传输时延应小于10ms，用户面传输时延对于URLLC场景来说应小于0.5ms，移动中断[1]时间为0ms等更高的性能要求。
为了满足不同业务的需求，5G接入网架构需要支持不同的部署方式。考虑到LTE系统的长期存在，很长一段时间内5G和LTE系统会共同部署，3GPP也标准化了多种网络架构，以适应不同的网络部署方案，该部分内容将在8.2节进行详细介绍。同时，为了适应各种部署场景，5G支持了两种部署方式：一种为分布式部署，这种方式与LTE系统类似，网络由基站组成，基站支持全协议栈的功能；另一种为集中式部署，基站进一步分为集中单元（CU，Centralized Unit）和分布单元（DU，Distributed Unit）两个节点，CU和DU分别支持不同的协议栈和功能，该部分内容在8.3节进行了详细介绍。
无论未来架构如何演变，无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网。从整体上说，与3GPP已有系统类似，5G系统架构仍然分为两部分，如图2.1所示，包括5G核心网（5GC）和5G接入网（NG-RAN）。图2.1 5G系统架构
5GC包括AMF（Access and Mobility Management Function）、UPF（User Plane Function）和SMF（Session Management Function）三种主要逻辑节点。其中SMF和接入网之间没有接口，未在图中表示。和LTE系统的核心网相比，5G核心网的控制平面和用户平面进一步分离。为了满足低时延、高流量的网络要求，5G核心网对用户平面的控制和转发功能进行了重构，重构后的控制平面分为AMF和SMF两个逻辑节点。AMF主要负责移动性管理，SMF负责会话管理功能。用户平面的UPF代替了LTE网络的SGW和PGW。重构后的核心网架构，控制平面功能进一步集中化，用户平面功能进一步分布化，运营商可以根据业务需求灵活地配置网络功能，满足差异化的场景对网络的不同需求。
NG-RAN由gNB和ng-eNB两种节点共同组成。gNB是提供到UE的NR控制平面与用户平面的协议终止点，ng-eNB是提供到UE的E-UTRA控制平面与用户平面的协议终止点。gNB之间、ng-eNB之间，以及gNB和ng-eNB通过Xn接口进行连接。5G接入网与核心网之间通过NG接口进行连接，gNB/ng-eNB和AMF之间是NG-C接口，和UPF之间是NG-U接口。
NG接口可以实现AMF/UPF和NG-RAN节点的多对多连接，即一个AMF/UPF可以连接多个gNB/ng-eNB，一个gNB/ng-eNB也可以连接多个AMF/UPF。对于UE来说，在网络侧分配的注册区域内移动，即使发生gNB/ng-eNB间的切换，仍然可以驻留在相同的AMF/UPF上，UE不需要发起新的注册更新过程。这有助于减少接口信令交互数量以及5G核心网的信令处理负荷。当AMF/UPF与NG-RAN之间的连接路径较长或进行新资源分配的情况下，可以改变与UE连接的AMF/UPF。这里AMF的主要作用是移动性控制，而UPF的主要作用是数据包的路由转发。NG-RAN与AMF/UPF之间的灵活连接也为5G网络共享提供了基础。不同的运营商核心网可以连接到同一NG-RAN网络，从而实现不同运营商间共享接入网设备和无线资源，并能够获得相同的服务水平。
定义5G网络架构及相关接口主要遵循了以下一些基本原则。
① 信令与数据传输在逻辑上是独立的。
② NG-RAN与5GC核心网在功能上分离。
③ NG-RAN与5GC的寻址方案以及传输功能的寻址方案不能绑定。
④ RRC连接的移动性管理完全由NG-RAN进行控制。
⑤ NG-RAN接口上的功能定义应尽量简化，尽可能减少选项。
⑥ 多个逻辑节点可以在同一个物理网元上实现。
⑦ NG-RAN接口是开放的逻辑接口，应满足不同厂家设备之间的互联互通。
NG-RAN与5GC也进行了若干的功能划分。图2.2描述了gNB、ng-eNB、AMF、UPF、SMF功能实体以及承担功能划分的关系。图2.2 5G网络架构中各实体功能划分2.2 无线接口
5G系统的无线接口继承了LTE系统的说法，即将终端和接入网之间的接口仍简称为Uu接口，也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。5G新空口技术中，无线接口是终端和gNB之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。
无线接口协议栈主要分三层、两面，三层包括物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3），两面是指控制平面和用户平面。本节对物理层、数据链路层和网络层基本功能相关内容进行一些讨论。更详细的内容在第8章中进行介绍。2.2.1 物理层
物理层位于无线接口最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。本节重点介绍传输信道的类型、定义以及传输信道到物理信道的映射关系，有关物理层更详细的设计将在后续章节展开。
物理层为MAC层和高层提供信息传输的服务，其中，物理层提供的服务通过传输信道来描述。传输信道描述了物理层为MAC层和高层所传输的数据特征。1.下行传输信道类型
下行传输信道类型分为3种，与LTE系统相比少了多播信道。未支持多播信道的原因主要在于多播业务相对其他业务优先级较低，未获得足够运营商的支持。虽然多播信道未在R15进行支持，但是在5G后续版本演进中根据业务需求还有可能引入。各信道的传输特点如下。（1）广播信道（BCH，Broadcast Channel）
该信道采用固定的预定义传输格式，并且能够在整个小区覆盖区域内广播。（2）下行共享信道（DL-SCH，Downlink Shared Channel）
该信道使用HARQ传输，能够调整传输使用的调制方式、编码速率和发送功率来实现链路自适应，能够在整个小区内发送或使用波束赋形发送，支持动态或半静态的资源分配方式，并且支持终端非连续接收，以达到节电的目的。（3）寻呼信道（PCH，Paging Channel）
该信道支持终端非连续接收以达到节电的目的（非连续接收周期由网络配置给终端），并且要求能在整个小区覆盖区域内传输，使用映射到可用于动态使用的业务或者其他的控制信道的物理资源上。2.上行传输信道类型
上行传输信道类型分为两种，各信道的传输特点如下。（1）上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）
该信道可以使用波束赋形和自适应调制方式/编码速率/发送功率的调整，支持HARQ传输，采用动态或半静态的资源分配方式。（2）随机接入信道（RACH，Random Access Channel）
该信道承载有限的控制信息，并且具有冲突碰撞的特征。3.传输信道到物理信道映射
NR定义的物理信道包括以下内容。
① 物理广播信道（PBCH），承载部分系统消息，与同步信号一起提供终端接入网络的必要信息。PBCH和同步信号一起也被称为下行同步信道。
② 物理下行链路控制信道（PDCCH），用于下行控制信息发送，主要承载调度相关信息。提供PDSCH接收和PUSCH发送的必要信息；向UE提供帧结构配置；向PUCCH、PUSCH和SRS发送功率控制消息；指示UE被调度PDSCH所占用的资源。
③ 物理下行链路共享信道（PDSCH），发送下行数据，也承载寻呼信息及部分系统信息的发送。
④ 物理随机接入信道（PRACH），用于随机接入。
⑤ 物理上行链路控制信道（PUCCH），发送上行控制信息。用于终端发送HARQ消息，指示下行数据是否接收成功；发送信道状态信息（CSI）报告辅助下行链路调度；发送上行链路发送数据请求。
⑥ 物理上行链路共享信道（PUSCH），上行数据传输信道，也可以承载部分上行控制信息的发送。
传输信道与物理信道的映射关系如图2.3和图2.4所示。对于下行，BCH信息直接映射到PBCH上进行发送；PCH和DL-SCH信息映射在PDSCH上进行发送。对于上行，RACH信息映射到PRACH信道进行发送；UL-SCH信息映射到PUSCH上进行发送。图2.3 下行传输信道与物理信道的映射关系图图2.4 上行传输信道和物理信道的映射关系图
物理层数据传输基本过程如图2.5所示。BCH、PCH、DL-SCH和UL-SCH的数据在转换为物理层发送数据之前，都需要加入CRC保护，以便支持一次校验和重传，保护数据可靠性。物理层需要发送的数据，除了PRACH信道外，都要经过编码和速率匹配、调制、资源映射和天线映射几个步骤，然后进行空口的实际发送。在接收端，与发送端对应，需要进行多天线接收和解调、解码等过程。随机接入信道发送通过发送一系列的PRACH前导实现（具体设计见3.2节）。图2.5 物理层数据发送及接收基本过程
物理层还包括一系列参考信号，如下。
① DM-RS（Demodulation reference signal），解调参考信号。
② PT-RS（Phase-tracking reference signal），相位跟踪参考信号。
③ SRS（Sounding reference signal），上行探测参考信号。
④ CSI-RS（Channel-state information reference signal），信道状态参考信号。
⑤ PSS（Primary synchronization signal），主同步信号。
⑥ SSS（Secondary synchronization signal），辅同步信号。2.2.2 数据链路层
数据链路层包括媒体接入控制（MAC，Medium Access Control）、无线链路控制（RLC，Radio Link Control）、分组数据汇聚协议（PDCP，Packet Data Convergence Protocol）和服务数据调整协议（SDAP，Service Data Adaptation Protocol）4个子层。相比于LTE，NR额外引入了SDAP层。引入SDAP层主要是因为NG接囗基于QoS流控制，而空口是基于用户面的数据无线承载（DRB）控制，两者之间需要一个适配层；而在LTE中EPS承载和DRB 承载一一对应，不需要进行适配。SDAP层位于用户面，而其他数据链路层的3个子层同时位于控制平面和用户平面。SDAP层在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护，在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC，Radio Resource Control）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。
图2.6和图2.7分别给出了下行和上行数据链路层的架构。其中层与层之间的连接点称之为服务接入点（SAP，Service Access Point）。物理层为MAC子层提供传输信道级的服务，MAC子层为RLC子层提供逻辑信道级的服务，PDCP子层为SDAP层提供无线承载级的服务，SDAP层为上层提供5GC QoS流级的服务。MAC子层负责多个逻辑信道到同一传输信道的复用功能。无线承载分为两类：用户面的DRB和控制面的信令无线承载（SRB）。上行架构和下行架构的区别主要在于：下行反映网络侧的情况，需要进行多个用户的调度优先级处理；而上行反映终端侧的情况，只进行单个终端的多个逻辑信道的优先级处理。各层详细介绍在8.2节给出。图2.6 数据链路层下行架构图图2.7 数据链路层上行架构图2.2.3 RRC层
RRC协议模块功能如下。
● 发送系统信息广播（NAS层相关和AS层相关）消息。
● 发送由核心网5GC和接入网NG-RAN发起的寻呼消息。
● UE和NG-RAN之间的RRC连接的建立、维护和释放。
● 安全功能密钥管理。
● 无线承载管理（包括建立、配置、维护和释放信令无线承载和用户无线承载）。
● 移动性管理（包括切换、UE小区选择和重选、切换时候上下文传输）。
● QoS管理。
● UE测量报告和控制。
● 无线链路失败的检测和恢复。
● NAS消息的传输。
在5G系统中，RRC的协议状态为3个：RRC空闲状态、RRC非激活状态、RRC连接状态。其中RRC非激活状态为5G系统相对于LTE新引入的状态。引入RRC非激活状态主要考虑为了在该状态下UE可以进行节能操作。每个状态下的特征见表2.1。各种状态的关系在8.2.1节第1部分中给出。表2.1 RRC状态和特征说明表2.3 物理层系统设计架构及关键技术2.3.1 物理层系统设计架构
如前所述，物理层以传输信道形式为MAC层提供服务。负责物理层HARQ处理、调制编码、多天线处理、信号到物理时频资源映射及控制传输信道到物理信道映射等一系列功能。
物理层的设计是整个5G系统设计中最核心的部分。相对于4G，ITU及3GPP对5G提出了更高而且更全面的关键性能指标要求。其中最具有挑战的峰值速率、频谱效率、用户体验速率、时延等关键指标均需要通过物理层的设计来达成。为迎接这些挑战，5G的新空口设计在充分借鉴LTE设计的基础上，也引入了一些全新的设计。5G的物理层系统设计呈现如下特点。1.OFDM加MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术作为物理层设计的基础
OFDM与MIMO技术的结合无论从理论分析上还是在实际系统部署中，已经被充分证明可以有效地利用系统带宽和无线链路空间特性，是提升系统频谱效率及峰值速率最有效的技术。在实际系统中，受终端大小限制，天线数量相对受限，单用户容量也会受到限制。但是从整个系统角度看，通过调度多个用户进行空间复用，依然可以提升整个系统频谱使用效率。在OFDM技术上，5G下行与LTE相同，采用正交频分多址（OFDMA）技术；在上行既支持单载频频分多址（SC-FDMA）技术（与LTE相同），又支持OFDMA技术（与下行相同）。在MIMO设计上，5G设计充分吸收了LTE系统设计的经验，采用了接入、控制与数据一体化的设计（详见第5章）。2.采用更加灵活的基础系统架构设计
时延是5G系统设计非常关键的指标。物理层时延的构成分为处理时延和传输时延两部分。在降低处理时延方面，主要需要通过提升接收算法效率和硬件处理能力等方式来实现。对于物理层系统设计，主要考虑是在一定的处理时延基础上，通过灵活的系统架构设计，既保障系统频谱使用效率又尽量降低传输时延。灵活的系统架构设计主要体现在灵活的帧结构设计和灵活的双工设计两个方面。（1）灵活的帧结构设计
灵活的帧结构设计是灵活的基础系统架构设计的核心。根据各国频谱分配及使用情况，频谱分为对称频谱与非对称频谱两种，相应的4G帧结构设计分为FDD（频分双工）与TDD（时分双工）两种模式。5G系统将支持更大的系统带宽，尤其是随着高频的使用，带宽的使用在百兆量级。在这样的带宽量级下，对称频谱分配将越来越困难，非对称频谱的分配将成为5G的主流。因此，5G系统设计的一个核心也在TDD的帧结构设计。对于TDD帧结构设计主要考虑配置周期和配置灵活性。
首先看配置周期。帧结构配置都是以周期形式出现，不同周期内符号配置呈现重复性。对于TDD系统，一个配置周期内包含上行和下行符号，配合HARQ技术，实现数据的发送及反馈。长的配置周期往往意味着更长的反馈时间。LTE系统中，支持7种TDD帧结构配置，配置周期为5ms或10ms。这样整个LTE系统的整体时延也在10ms量级。对于新空口设计，空口时延量级在1ms，那么在帧结构配置周期上，也需要支持更多、更短的周期配置。在NR中，支持了1ms以内的周期配置。NR中具体帧结构配置方式可参考3.1节。
配置灵活性对于匹配不同业务类型非常关键。5G面向物联网与互联网等多个场景，服务业务类型相比4G也更加多样化。不同的业务从上下行比例及业务变化的周期上呈现不同特点。因此新空口对帧结构配置周期的改变速度及每个周期内上下行符号的比例变化有更高要求，以匹配不同的业务类型，给用户提供更好的体验。同时，为了支持更短的反馈周期，帧结构配置中也需要考虑能够在一个配置周期内完成数据发送及反馈的配置，即自包含的帧结构配置。NR中不仅可以支持半静态帧结构配置，还支持了完全动态的帧结构配置。
在灵活的帧结构框架下，为了进一步支持更低时延的发送，还需要考虑采用更短传输时延的数据发送。在LTE中，数据的调度及发送以1ms为基础，这显然不能满足5G在毫秒量级的数据传输时延要求。因此，新空口设计需要支持更短的数据发送长度，对应的设计就是要支持基于超短帧或迷你时隙（Mini-slot）的调度与反馈。（2）灵活的双工设计
在4G中，两种双工（FDD和TDD）方式的使用各遵循一定的规则。TDD系统配置通过保护间隔设置等方式避免不同小区上下行间的干扰。FDD系统在对称频谱上进行上下行的绑定使用。NR的设计中，为提高频谱使用效率，逐步支持一些更灵活的设计。
首先，支持对称的上下行波形设计，即上下行都支持相同的OFDM波形设计。在LTE中，在下行采用OFDMA技术，在上行采用SC-FDMA技术。NR中上行既支持SC-FDMA技术，也支持OFDMA技术，基站可以根据网络实际情况进行灵活配置。当上下行都采用OFDMA技术时，上下行波形对称，接收机可以把上行和下行信号进行联合处理，采用更好的干扰删除技术，提升系统性能。同时，OFDMA技术与MIMO也可以更好地结合，相对LTE系统有效提升了上行频谱效率。
NR还引入了上下行解耦技术。上下行解耦的核心是打破了4G系统中一个下行载波只配置一个上行载波的设计（FDD系统上下行载波位于对称频谱上，TDD上下行载波相同），一个下行载波除了配置一个对应的上行载波外，还可配置多个上行载波。额外配置的上行载波也被称为增补上行载波（SUL，Supplementary Uplink）。对于部署在较高频率的NR载波，可以配置一些低频的频谱，如现有较低频段FDD载波的上行频谱，作为SUL载波。这样既可以提高NR覆盖范围，又可以提升整个系统使用效率（详见第7章）。3.一体化的大规模天线设计
大规模天线设计是5G NR设计的重要基石。NR的设计需要支持高达100GHz的频谱范围，随着频率的升高，天线系统使用的天线个数也相应增加，但是单天线的覆盖距离受路损的影响快速降低。波束赋形技术，尤其是混合波束赋形技术可以有效提升大规模天线的覆盖距离和传输速率，成为NR大规模天线设计的核心。在实际的系统设计中，波束赋形技术不仅应用于数据传输，还需要应用于用户初始接入和控制数据发送，即广播信道、控制信道和数据信道的一体化设计（详见第5章）。4.采用多项新技术
5G新空口相对LTE系统引入了多项基础性的新技术。新技术中最具有代表性的在信道编码领域，新空口采用了数据信道LDPC码、控制信道Polar码的组合，替代了LTE数据信道Turbo码、控制信道TBCC码的组合。LDPC码相对Turbo码具有更低的编码复杂度和更低的译码时延，可以更好地支持大数据的传输。而Polar码在小数据包的性能优势将有效提升新空口的覆盖性能。
综合来看，新空口与LTE虽然都基于OFDM系统进行设计，但是新空口具有更灵活的基础系统架构设计，支持一体化的大规模天线设计，并引入多项新技术，在系统部署灵活性、多业务支持、频谱效率、峰值速率和时延等方面相对4G系统具有明显的优势。2.3.2 物理层关键技术
NR支持的主要物理层关键技术列于表2.2中。后面各小结对其中一些技术进行展开介绍。表2.2 NR物理层关键技术描述续表1.参数集和帧结构
NR的参数集由子载波间隔和循环前缀（CP，Cyclic Prefix）开销定义。NR支持多种参数集，多个子载波间隔由一个基本的子载波间隔乘以一个整数N来得出，支持从15kHz到240kHz的子载波间隔（具体标准化过程及配置见3.1.1节）。相对于LTE只支持15kHz的载波间隔，NR有了更多的选择。NR子载波间隔和符号长度也有对应关系。以15kHz载波间隔为例，此时NR和LTE采用完全相同的符号长度。当NR子载波间隔配置为30kHz时，符号长度相比15kHz减小一半。采用更大的子载波间隔配置，单位带宽内包含的载波数减少，但是在时间上看，将得到传输时间缩短的补偿。因此更高子载波间隔配置对于对时延要求很高的数据传输具有比较明显的优势。
相对于LTE，NR一个重要的任务是要支持更高频率的使用。NR将支持高达100GHz频段的数据传输。在6GHz以下频段，NR称为FR1频段，要支持单载波带宽100MHz的数据发送。而在6GHz以上频段，NR称为FR2频段，要支持单载波带宽400MHz的数据发送。考虑到不同的子载波间隔，对应的一个载波上可以调度的最大子载波个数为3300或者6600。NR沿用了LTE资源块（RB，Resource Block）的用法，每个物理资源块（PRB）包含12个子载波。
NR的帧结构设计以时隙（slot）为基础进行，每个slot包含14个符号。由于NR支持多种载波间隔，相比LTE中以1ms子帧为基础的帧结构，灵活度有所增加。同时，为了支持低时延高可靠业务，NR支持了基于Mini-slot的数据发送。Mini-slot的长度可以从1个符号到13个符号。NR还支持了半静态和动态两种帧结构配置方式，在半静态帧结构配置中也采用了单周期和双周期配置等更加灵活的指示方式（详见3.1.2节）。总体上看，NR的帧结构设计在灵活度上相对LTE有了非常大的扩展，可以非常好地匹配各种类型的业务传输及组网需求。2.基本波形
作为多载波技术的典型代表，OFDM技术在4G中得到了广泛应用，在5G NR设计中，OFDM仍然是基本波形。NR的设计中上下行都将支持CP-OFDM，意味着上下行采用相同的波形，当发生上下行间的相互干扰时，为采用更先进的接收机进行干扰删除提供了可能。同时，对于上行发送，仍然保留了对DFT-S-OFDM的支持。主要原因还是在于DFT-S-OFDM可以利用单载波特性相对CP-OFDM有更低的峰均比（PAPR）。
OFDM技术除峰均比外，也存在另外一些缺点，如较高的带外泄漏、对时频同步偏差比较敏感等。在3GPP基本波形讨论过程中，很多公司也提供了基于OFDM的改进技术，如F-OFDM（Filter-OFDM）、FBMC（Filter Bank Multi-Carrier）、UFMC（Universal Filtered Multi-Carrier）、GFDM（Generalized Frequency Division Multiplexing）等。这些技术的共同特征是通过使用滤波或者加窗机制来减小子带或子载波的频谱泄漏，从而放松对时频同步的要求。经过3GPP讨论，由于从RAN1角度看加滤波器和加窗等操作，其对协议是透明的，是否采用相关技术取决于设备实现，因而不进行标准化。3.多址接入
NR的多用户接入，尤其是针对传统的移动宽带增强业务（eMBB）主要基于正交多址技术。在5G NR设计初始阶段，也有多个公司提出了基于非正交多址的接入方式。比较有代表性的有[2][3][4]SCMA，MUSA，PDMA等。
在R14阶段，3GPP对非正交多址技术进行了不同场景下的仿真研究。研究结果显示非正交多址技术在系统上行吞吐量、接入用户数方面有比较明显的增益。R14研究项目中也给出明确结论，在mMTC场景下非正交多址技术应该被采用。3GPP R15的第一版5G标准中主要聚焦在对eMBB和URLLC场景的支持，并未对mMTC场景做特别的设计，非正交多址技术没有被纳入5G第一版国际标准。但是3GPP在R15仍然延续了对非正交多址技术的研究工作，继续就非正交多址技[5]术进行不同场景下的进一步评估。根据研究的结果，在后续的5G
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