作者：郭铭 文志成 刘向东
出版社：人民邮电出版社有限公司
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5G 空口特性与关键技术试读：
前言
5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。早在2013年年初，工业和信息化部、国家发展改革委和科技部就联合成立了我国IMT-2020（5G）推进组，并启动了5G国家重大专项和“863”计划的5G研发项目。IMT-2020（5G）推进组发布的多个5G相关的白皮书对5G愿景与需求、主要应用场景、关键性能指标、主要挑战和关键技术、测试阶段和计划等方面都提出了明确的要求。
国际上，从2016年起3GPP开始启动R14研究项（Study Item），其目标是在2020年前实现5G的商业化部署。5G标准的制定分为Release 15（R15）和Release 16（R16）两个阶段，R15的目标是完成5G有限功能的规范，3GPP已经于2017年12月完成了R15标准的非独立组网（NSA）部分，2018年6月完成了独立组网（SA）标准，形成了5G标准的第一个正式版本。R16阶段将完成规范IMT-2020所定义的所有功能，预计将于2019年年底至2020年完成。
本书基于3GPP R15的2018年6月的版本，从通信业界工程从业人员的视角来介绍R15的5G新空口相关的标准和关键技术，力图用有限的篇幅将5G的新空口技术的主要方面以深入浅出的方式介绍清楚。与此同时，本书也以一定篇幅简单介绍了3GPP R15标准讨论过程中的一些技术观点，有助于读者了解标准形成过程，加深对基本原理和关键技术的认识。
本书的主要章节构成如下。
第1章首先回顾了移动通信从1G到5G的发展历史，然后简单介绍5G的主要特点、应用场景、标准化进程以及频谱的分配状况。
第2章主要介绍了5G NR的关键技术（如波形设计、多址接入、信道编码、灵活可扩展的参数集和帧结构）。侧重点在于介绍相关关键技术的基本概念和标准的形成过程。
第3章主要介绍了物理资源的一些基本概念，如资源粒子、资源块、公共参考点、频率栅格、带宽部分和天线端口等。
第4章详细描述了5G NR的传输信道/逻辑信道/物理信道间的映射关系，以及R15中上/下行各信道和信号的用途、原理、具体设计原则和处理过程。
第5章主要介绍了5G NR中一些较为复杂的关键处理过程。如小区搜索过程、随机接入过程、上行功率控制、上/下行调度和资源配置、链路自适应以及大规模MIMO的工作过程。
第6章主要介绍了5G在试验和商用时的网络架构和部署方式，着重描述了非独立组网（NSA）部署的基本原理和关键协议流程，另外，还给出了一些从LTE现网向5G网络演进的范例。
第7章简单介绍了5G的频谱特性（如频谱范围、带宽配置、信道栅格），以及射频部分发射机和接收机的一些主要规范和基本原理。
在本书的写作中得到了中国信息通信研究院的聂秀英教授级高工，上海诺基亚贝尔的李保才、娄彧博士和刘继民博士，爱立信（中国）的李俊龙和贾翠霞等专家的指导帮助，在此特别表示感谢。
本书编写时间较紧，加之R15标准仍在不停地更新，因此一些技术细节可能存在遗漏和理解偏差，敬请读者谅解并指正。第1章 移动通信及5G标准化进程概述章简单回顾了移动通信从1G到5G发展的历史，并简要介绍了5G的主要特点、应用场景、标准化进程以及频谱的分配本状况。1.1 从1G到5G——移动通信系统演进
移动通信是整个通信业领域中发展最快的，它在过去几十年中获得了非常快速的增长。目前，根据GSMA的统计，全世界已有超过50亿的移动用户和超过90亿的移动设备（如图1-1所示），在许多国家和地区，手机和各种移动终端已成为人们生活和工作中不可缺少的工具。图1-1 全球移动用户数/全球移动设备连接数以及过去3年的增长
最早期的无线电语音通信可以追溯到1914年，采用的是模拟调制方式，当时的无线电通信多为专用的，主要用途为军队、警察、公共安全、紧急通信等。到1946年，美国的AT&T公司在25个城市实现了公共无线电话系统。当时的无线通信系统只是简单采用了以一台无线通信发射机覆盖整个城市的方法，频谱资源没有得到很好的利用，系统的容量也很低。截止到1976年左右，纽约市的整个无线电话只有12个信道，可同时支持543个用户。
为了解决容量问题，AT&T贝尔实验室在20世纪六十年代发明了蜂窝组网的概念，其核心思想是频谱资源的空间复用，即通过控制每个小区的发射功率，同样的频率资源可以被空间上保持一定距离的不同用户使用。蜂窝网小区通信的基本原理如图1-2所示。图1-2 蜂窝网小区通信的基本原理（C后的数字代表不同的频点）
在接下来的几十年中，蜂窝网无线通信系统获得了快速发展，并大体上以每十年为一个周期进行更新换代，从1G发展到现在的5G。每一代的更新都在技术、容量、应用和用户体验上较上一代有很大的提升。蜂窝系统的演进时间表如图1-3所示。图1-3 蜂窝系统的演进时间表1.1.1 1G（1979—）
第一代无线通信系统（1G）出现在20世纪70年代末80年代初，以美国的AMPS（Advanced Mobile Phone Service）、北欧的NMT（Nordic Mobile Telephone）和欧洲的TACS（Total Access Communication System）为主要代表。1G系统的第一次商业应用是1979年在日本由NTT实现的，美国则一直到1983年才开始正式部署AMPS。
在我国，第一代移动系统的代表是自1987年起从欧洲引进的TACS系统，引进后在我国获得快速发展，最多时拥有多达600万的用户量，当年生活中常见的大哥大即出自于此（见图1-4）。图1-4 第一代移动通信的手机
1G采用的是模拟通信制式，采用频率调制（FM）和频分多址（FDMA）的多路复用技术。如在美国，FCC共为AMPS分配了50MHz的频谱（其中，上下行各自占据25MHz带宽），AMPS系统的每一个信道采用的都是30kHz的调频对语音信号进行调制。
1G系统存在很多问题，如：（1）标准多且不统一。除了AMPS、NMT、TACS外，加拿大、德国等国也有各自的系统，这些系统虽然原理接近，但是相互之间难以通用。（2）安全问题。1G系统在空中传播的模拟信号是不加密的，任何人都可以通过模拟接收机轻易截获别人的通话。（3）频谱效率低。政府分配的频谱资源本身就不多，加上模拟制式本身的限制，无线通信在当时成了高消费。（4）服务质量差。模拟制式方式本身造成信号不稳定，相互间干扰严重，加上没有纠错的功能，严重影响了客户的通话质量。（5）相互间不可漫游，商务使用和旅行都非常不方便。
正是由于第一代系统的不足，许多国家在第一代系统商用的同时就投入了第二代系统的研究。1.1.2 2G（1991—）
第二代移动通信系统（2G）最先于1991年在芬兰由Radionlinja首次商用。2G系统以欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）、美国的D-AMPS（Digital AMPS）、日本的PDC（Personal Digital Cellular）以及此后不久出现的IS-95 CDMA系统（又被称为cdmaOne）等为主要代表。2G系统由于采用了先进的数字通信技术，相比1G系统大大提高了系统容量和语音通话质量，同时也降低了设备成本和功耗。
欧洲开发的GSM是2G中最成功的系统。GSM系统结合了TDMA、慢跳频（Slow Frequency Hopping）、GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）调制等新的通信技术来传送语音信号，系统容量达到了第一代模拟系统的3～5倍。该系统首先获得欧洲各国的支持和部署，后来在世界各地获得了巨大的成功。直至今日，第二代的GSM系统仍然在世界各地许多运营商的网络中提供语音和低速数据服务，图1-5所示为一款诺基亚的第二代GSM手机。图1-5 诺基亚的第二代GSM手机
在美国，2G则分化为两个系统。第一个系统是基于IS-54的D-AMPS（Digital AMPS），采用的是TDMA/FDMA和FSK调制技术。该系统将每一个30kHz的AMPS频道又以TDMA的方式分为3个子信道，提供了相当于AMPS模拟系统3倍的容量，D-AMPS可以兼容美国原有的AMPS系统。第二个系统则是由高通公司（Qualcomm）主导推动的IS-95 CDMA系统，该系统最早于1995年在中国香港由Hutchinson实现商用，CDMA采用了技术上更加先进的直接序列CDMA技术（Direct-Sequence CDMA），另一种CDMA系统为在军事上应用较多的跳频（Frequency-Hopping CDMA）。CDMA技术在频率利用率、软切换、抗干扰、过滤背景噪声等方面相对于TDMA系统都具有非常大的优势，并且可以提供10多倍于AMPS的系统容量。但由于CDMA在2G中的起步较晚，获得的产业链支持相对较少。除此之外，高通的专利收费模式也受到业界争议，因此其在2G时代获得的部署范围不如GSM。但是CDMA作为一种优秀的通信技术在后来的3G时代成为主选技术并大放异彩。
2G系统在最先推出时主要提供语音服务，后来逐步演变增强为也可支持如E-mail、互联网浏览、SMS等有限的数据服务。基于GSM的GPRS（General Packet Radio Service）数据业务通过整合时隙为用户提供14.4～64kbit/s传输速率服务，EDGE（Enhanced Data Services for GSM Evolution）则采用了更高阶的调制技术提供更高速率的数据服务。
在我国，中国移动和中国联通在2G时代部署了GSM系统，中国电信则部署了IS-95 CDMA系统。
2G系统基本解决了1G系统存在的诸多不足，如信号质量、漫游、安全性等问题，同时提供了更高的容量和最基本的数据通信服务。从1997年起，随着用户数的高速增长，系统容量的不足以及数据业务的速率较低等问题日益显现，国际上对于3G标准的制定也就进入了实质性阶段。1.1.3 3G（1999—）
第三代移动通信系统（3G）的主要代表是欧洲的WCDMA、美国的cdma2000和中国主导推动的基于时分双工的TD-SCDMA。这几种标准都是基于CDMA技术，但是在技术和实现上又各有不同的特点。3G的第一次商用是由日本的NTT于2001年实现的，采用的是WCDMA技术。
3G系统除了支持语音和短信业务外，还可以更广泛地提供诸如移动互联网、视频电话、移动电视等数据业务。
和2G所广泛采用的TDMA相比，3G采用的CDMA技术具有以下主要特点。（1）频谱效率高。CDMA的频谱效率大约是TDMA系统的3倍。（2）基站覆盖距离远。在接收端通过采用RAKE接收机可以有效地利用无线信道多径效应，CDMA的链路增益超过GSM 3～6dB。（3）同频复用。频率资源可以在不同小区反复使用，大大简化了网络规划。（4）跨越小区时采用软切换。用户感知好，不易发生切换失败。
WCDMA和cdma2000都采用了频分双工（FDD，Frequency Division Duplex），上下行采用不同的频段进行传送，而TD-SCDMA则采用了时分双工（TDD，Time Division Duplex）的方式，上下行采用相同的频段进行传送，TDD方式在充分利用频谱（尤其是单块的频谱资源）和非对称上下行流量时具有一定优势，但同时也增加了系统的复杂度。
欧洲的WCDMA系统和原有的GSM有一定的兼容性，由于有GSM庞大的用户群以及成熟的产业链做支持，因此在3G时代拥有最大的市场。随着智能手机的发展，移动流量需求上升，WCDMA后续又演进出3.5GHz的HSPA（High Speed Packet Access），而cdma2000则演进出1×EV-DO（Evolution，Data Only）支持高速数据服务。
在我国，中国移动在3G时代主要部署了TD-SCDMA系统，中国联通和中国电信则分别部署了WCDMA和cdma2000系统。
3G系统虽然相对2G系统拥有诸多技术优势，但是由于在推广初期预期过高，3G运营牌照拍卖的费用十分高昂，造成运营商反而没钱投入网络建设和部署。此外，原来预想的市场对于无线数据服务的巨大需求和杀手级的应用也没有出现，用户应用仍然主要局限于E-mail之类的文本型应用，这些应用并不需要太大的数据流量，因此3G初期建设的网络没有得到充分的利用。3G系统在推广的初期并没达到预期效果。
这种情况一直持续到2007年，美国苹果公司推出第一款iPhone（见图1-6），自此引发智能手机的革命，引爆了用户对于无线数据业务的巨大需求，情况才得到改观，3G网络建设和扩容才得以进入快车道。但是与此同时，一种更新的技术标准也出现了，那就是基于OFDM技术的4G LTE系统。图1-6 2007年乔布斯发布第一款iPhone1.1.4 4G（2009—）
最先出现的第四代移动通信系统（4G）有两个。一个是在美国最先出现的全球互联微波接入（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access），该系统由英特尔公司推动，是从无线局域网Wi-Fi演进而来的，采用了和IEEE 802.11a/g相同的OFDM技术。WiMAX采用了2005年完成的IEEE 802.16e以及后续演进的IEEE 802.16m标准，后来由于各种原因（如对终端移动性的支持较差、产业链不完整以及来自LTE的竞争等）而逐步没落。另一个就是目前广泛部署的LTE，该系统和WiMAX有相似之处，同样采用了20MHz的系统带宽（LTE后续通过载波聚合可以达到5×20MHz）。
世界上第一个商用的LTE网络是2009年5月由爱立信和TeliaSoNera在瑞典的斯德哥尔摩启动部署。4G系统在提供语音通信的同时也提供高速数据服务。
根据双工（Duplex）方式的不同，LTE系统又分为FDD-LTE和TD-LTE。其最大的区别在于上下行通道分离的双工方式，FDD上下行采用频分方式，TDD则采用时分的方式。除此外，FDD-LTE和TD-LTE采用了基本一致的技术和标准。国际上多数运营商部署了FDD-LTE系统，TD-LTE则主要部署于中国移动以及全球少数的运营商的网络中。
从3G到4G是一个从低速数据向高速数据传输的演进过程。4G系统除了提供传统的语音和基本的数据服务外，还提供了移动宽带服务，支持的应用范围涵盖了移动互联网、游戏、HDTV、视频会议、云服务等。1.1.5 5G（2019—）
LTE系统虽然技术上非常先进，但是人类社会仍然有不少需求是它无法支持的。此外，LTE启动也已过去多年了。这些都促使人们从2012年左右开始讨论新的一代无线系统—第五代移动通信系统（5G）的愿景。
2015年6月，ITU（国际电信联盟）正式确定了5G名称、场景和时间表；WRC15会议则讨论归纳了可能的频谱资源；3GPP也于2015年年底启动了5G的标准化工作，并在2018年完成了第一个正式版本的独立组网5G标准（3GPP R15）。
5G是面向2020年后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，5G系统所带来的最大的改变就是要实现人与物、物与物之间的通信，要实现的是万物互联，推动社会发展。图1-7为ITU-R定义的5G关键能力示意。图1-7 ITU-R定义的5G关键能力示意
5G系统的应用场景大体上可以分为3类（见图1-8），而这3类应用场景又带来新的技术要求。图1-8 5G三大应用场景（eMBB、mMTC、URLLC）（1）增强移动宽带（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）场景：eMBB可以看成是4G移动宽带业务的演进。主要目标为随时随地（包括小区边缘和高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率；在局部热点区域提供超过1Gbit/s的用户体验速率、数2十Gbit/s的峰值速率以及数十Tbit/（s·km）的流量密度。eMBB不仅可以提供LTE现有的语音和数据服务，还可以实现诸如移动高清、VR/AR等应用，提升用户体验。在技术上，为了实现这个目标就需要引入新的空口和各种新的技术，如大规模天线（Massive MIMO）、超密度组网（UDN）等技术，并且需要增加带宽和频率范围等。（2）海量机器类通信（mMTC，Massive Machine Type Communication）场景：主要面向智慧城市、环境监测、智慧家庭、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景。其主要特点是小数据包、低功耗、大量连接数。这一场景不仅要求网络具有支持超过每平方公里百万连接的连接密度，而且还要保证终端设备的低成本和低功耗。在技术上，为此就需要设计针对此类物联网业务特性的新的空中接口，引入新的多址接入和波形设计，并优化信令和业务流程。（3）超高可靠低时延通信（URLLC，Ultra Reliable Low Latency Communication）场景：这一类业务主要包括车联网、工业物联网、远程医疗等应用场景，这类应用要求1ms量级的时延和高达99.999%的可靠性。在技术上，需要设计新的空口、缩短子帧长度、支持新的调度算法和采用更先进的编解码机制以进一步降低传输时延和提高可靠性。
当然，对以上3类应用场景的划分是为了简化需求进行的人为划分。实际中出现的应用场景也有可能会介于上述三大类场景之间，这些也都是5G系统需要支持的。
总的来讲，5G的关键技术主要包括新的空中接口技术和网络架构重构两个方面。前者是指新的波形设计/多址技术/信道编解码等物理层技术、新的信令控制流程、新的频段和全频谱接入、大规模天线（Massive MIMO）技术等；后者则是指网络将基于网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN）向软件化、云化转型，用IT方式重构，实现网络切片，提供多样化的服务，以支持低时延和大连接的需要。
5G“三超”（超高速、超低时延、超大连接）的关键能力和万物互联的应用场景将开启人类信息社会的新一轮变革，对社会各领域的渗透与影响也将前所未有。
截至2018年12月，全球有近200家运营商启动了5G测试、试验以及部署的计划。多数5G试验的应用场景与AR/VR、固定无线接入、高清视频传输和物联网应用有关。很多国家也已明确5G频谱拍卖/分配时间或发布了5G推进政策和计划。
在我国，早在2013年年初，工业和信息化部、国家发展和改革委员会与科技部就联合成立了IMT-2020（5G）推进组，还启动了5G国家重大专项和“863”计划的5G研发项目。工业和信息化部从2015年9月起组织启动了5G的技术试验，试验包含关键技术验证、技术方案验证和系统验证3个阶段，由运营商、设备商及科研机构共同参与。2019年6月6日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照，这标志着我国已进入5G时代。
综前所述，移动通信的每一代演进都超越并解决了上一代系统的一些问题，除了社会经济发展的需求驱动，通信理论、技术、元器件的发展起到了使能者的关键作用。1G建立了首个可用于通话的模拟制式的蜂窝网通信系统；2G实现了从模拟向数字通信的革命性转变、提高了通信容量和安全性；3G实现了向数据传输的迈进；4G时代提供了移动宽带业务；以后的5G时代，移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持以物为中心的物联网业务，实现一个万物互联的理想社会。
展望未来，有一种观点认为，移动通信发展至今已非常成熟，如果5G网络能合理地设计部署，我们将不再需要6G、7G、8G……系统，只需要一些小的改动即可满足未来社会的需要。另一方面，中国、欧洲、美国、日本、韩国等已开始布局6G技术研究，但是6G相关的技术观点也很多，有的认为使用大于275GHz的太赫兹频段实现进一步增强型移动宽带是6G的关键，有的认为应该把卫星通信也有效整合起来，以实现人类通信更大的自由度，也有的在研究把人工智能引入移动通信系统。不管怎样，目前，定义的5G网络具有很强的灵活性，还没有特别多的应用场景需要改变整个5G架构。因此，走好当下的5G之路才是最关键的。1.2 5G标准化进程
国际上，3GPP是制定5G技术标准的主要组织，3GPP标准的制定以企业为主，通过区域性研究平台合作进行，各国研究机构、运营商、设备制造商、标准组织都积极参与技术研究、开发实践和标准制定。参加者既包括了如华为、中兴、爱立信、诺基亚、高通、英特尔、三星、Interdigital等系统设备和芯片制造商，也包括了中国移动、中国电信、中国联通、美国AT&T、日本Docomo、德国电信、法国电信、沃达丰等全球主要的运营商。
除了3GPP以外，全球的无线频谱资源则通过国际电信联盟—无线电通信部门（ITU-R）来统一规范管理。另外，国际组织如IEEE、区域性的5G合作项目和组织如欧洲的Metis项目、我国的IMT-2020（5G推进组）、韩国的5G Forum以及日本的ARIB2020等都对5G的概念和标准的形成发展起了很大的推进作用。
从2016年起，3GPP启动了R14研究项，目标是在2020年实现5G的商业化部署。为此，3GPP采取了按阶段定义规范的方式。第一阶段目标是R15，旨在完成规范5G的有限功能。第二阶段是R16，旨在完成规范IMT-2020所定义的所有功能，将于2019年年底到2020年完成。3GPP的5G标准化详细路线可以参考图1-9。图1-9 3GPP 5G标准化路线
基于R15和R16的实际商业部署大体上会比标准完成延迟一年左右的时间。
3GPP已经于2017年12月完成了R15标准的非独立组网（NSA，Non-Stand Alone）部分的规范，于2018年6月完成了独立组网（SA，Standa Alone）部分的规范。R15形成了5G标准的第一个正式版本。
自2017年12月RAN#78会议上发布第一版R15标准之后，每次RAN全会都会结合RAN分会和全会的会议讨论结果，对原有标准中的一些文字或者消息格式等进行一些更新和修改，并形成新的版本。截至2018年年底，R15规范陆续更新并形成了2018/3、2018/6、2018/9和2018/12版本。本书写作过程中，以2018/6的R15规范为准，读者可重点参阅相应版本的规范，如3GPP TS 38.213 V15.2.0（2018-06）等，并结合最新的规范进行学习。需要说明的是，实际上本书也参阅了最新的2018/12的部分规范，但总体上还是以2018/6版本为主。1.3 5G频谱分配1.3.1 5G不同业务的频谱需求
无线频谱本身是一种非常重要的资源，5G通信的总体需求和丰富的业务场景产生了多样化的频谱需求。比如需要增加大量新的频率资源、需要支持更多不同的带宽配置以及需要支持更大的带宽。5G频谱的波段也将涵盖很大的频率范围，甚至延伸到了毫米波（mmWave）的波段。
5G三大应用场景各有其相适应的不同频段。其中，增强移动宽带业务（eMBB）的要求是大容量、高速率，因此需要更多的频谱资源以及支持更宽的频带。6GHz以下的低频段资源对增强覆盖至关重要，是eMBB场景的主要频段资源所在。6GHz以上的高频段可提供连续的大带宽频谱，在热点地区可以用来大幅提升系统的容量。因此我们预想，高低频协作将是满足eMBB场景需求的基本手段。
海量机器类通信（mMTC）场景下的业务通常是低速率的小分组数据包的方式传输，传输速率上要求不高，但覆盖必须得到充分的保障（如某些智慧城市的传感器有可能会部署在非常隐蔽的地方）。因此需要优先配置低频率资源（尤其是1GHz以下）的频段，以确保深度覆盖。
超高可靠低时延通信（URLLC）场景的业务对于时延和可靠性有极高的要求，可能的频段也主要以中低频段为主。1.3.2 频谱分配现状
在国际上，ITU-R在WRC-15研究周期中，对满足未来2020年以前的频谱需求和候选频谱进行了广泛深入的研究。WRC-15以后，各国和地区都纷纷开始了5G频谱的部署和规划工作。中国、美国、日本、韩国和欧盟都出台了相应的频率规划计划。目前，可用于5G初期部署的频段的总体情况如下。（1）低频段：小于3GHz，特点是具备良好的无线传播特性，可用于5G网络的广覆盖。（2）高频段：大于6GHz，带宽充裕，但受限于较小覆盖范围，较多可用于5G网络某些特定场景如室内外热点、无线家庭宽带和无线自回传等。（3）中频段：3～6GHz，兼顾带宽和覆盖的优点，是5G最主要的频段，也是全球最可能首先商用的频段。其中的核心频段包括了3.3～3.6GHz、4.4～4.5GHz、4.8～4.99GHz等频段资源。
图1-10所示为世界主要国家和地区（机构）对2020年前5G试验和商用的频谱规划。除图中所示的频谱之外，我国目前将2.6GHz频段的160MHz频谱给中国移动用作5G试验和商用，美国也有意将600MHz和2.5GHz部分频段分别给TMobile和Sprint用于5G试验和商用。图1-10 世界主要国家和地区（机构）频谱规划现状
在IMT 2020（5G推进组）的框架下，我国早就开始组织开展了5G频谱需求预测、候选频段兼容性分析等一系列研究工作，并最终确立了5G频谱将由高频段+中低频段联合构成的策略。其中，中低频段（6GHz以下）重点解决5G无处不在的用户体验；高频段（6GHz以上）主要用于满足5G增强移动宽带等业务需求。
2019年，国内5G试验阶段频谱分配示意如图1-11所示。中国移动获得2.6GHz频段的160MHz频谱以及4.9GHz频段的100MHz频谱；而中国联通和中国电信则分别获得3.5GHz频段的100MHz频谱，作为5G试验和未来可能的商业部署之用。其中，中国移动2.6GHz频谱，虽然比较有利于覆盖，并且可以利用2.6GHz现有的LTE站点。但是，中国移动也会面临如何带动2.6GHz的5G生态链的发展以及和4G LTE联合组网等难题。图1-11 国内5G试验阶段频谱分配示意第2章 5G新空口关键技术章主要介绍了5G新空口的关键技术（如波形设计、多址接入、信道编码、灵活可扩展的参数集和帧结构）。侧重点在本于介绍相关关键技术的基本概念和部分标准的形成过程。2.1 5G波形设计
信号波形设计是移动通信系统的关键技术之一，其目的是把数字信号映射到适合无线信道传输的具体波形上。以往的蜂窝无线系统每一代在波形上都有很大的不同。1G时代采用的是模拟制式的频率调制（以及FDMA的多址接入方式）；2G时代则采用了以GSM和CDMA为代表的数字调制的方式（以及TDMA/FDMA相结合的多址接入方式）；3G时代采用的是DS-CDMA扩谱波形，频谱使用效率有了很大的提高；4G时代则采用了更加优异的OFDM波形；5G时代采用什么样的信号波形设计也就成为人们关注的一个焦点。
一般认为，在5G时代，对于波形设计具有如下要求。（1）支持不同的用户场景业务，主要是指eMBB、mMTC以及URLLC 3类不同的场景的业务需求。（2）适用于十分广泛的频率范围（从低于1GHz一直到接近100GHz）。（3）灵活性和可扩展性好，可以针对不同场景支持灵活的子载波间隔等空口参数集（Numerology）。（4）更高的频谱效率，能有效地适配MU-MIMO功能。这对于频率资源稀缺的低频段以及需要提供高数据流量服务的场景非常重要。（5）频域约束性好，更低的带内/带外辐射，以降低相互间的干扰。这对于在同一个载波上提供不同的服务类型以及上行非同步接入都很有好处。（6）时域约束性好，支持更短的传输时间间隔（TTI）。这对于保障URLLC和eMBB中的低时延很重要。（7）支持异步多址接入，以减小调度开销和系统时延。这对于mMTC的上行尤其重要。（8）功耗低，较低的峰均功率比（PAPR，Peak-to-Average-Power-Ratio）以提高发射机的功放效率。这对于终端侧以及当系统工作在毫米波波段尤其重要。（9）实现复杂性低，由于在5G中频率带宽大大增加了，计算的复杂度也相应增大，因此降低收发机实现的复杂度变得非常重要。此外，复杂度的降低也有助于降低处理时延，以满足某些应用中低时延的要求。（10）协议开销最小化，使信令和控制负荷最小化，以提升效率。
大体来讲，可选择的信号波形可以分两类，即单载波波形和多载波波形。单载波波形的特点是具有较低的峰均比值，适合于覆盖受限和需要延长电池寿命等对功耗要求较高的场景；而多载波波形则具有较高的频谱效率、支持灵活的资源分配以及和MIMO较好的适配性。由于5G拥有诸多应用场景，这两大类波形都是可以考虑的，并可以适用于不同的场景。如单载波波形可能在mMTC以及毫米波应用有一定价值，而多载波波形则适用于5G绝大多数场景。但是如果5G NR的系统要同时支持这两大类波形对系统设备将会带来一定的挑战。因此，在3GPP R15中，经过综合考虑，业界更倾向于在上下行都采用OFDM类的多载波波形。而在上行对功率受限的场景则把DFT-S-OFDM这种具有单载波特性的波形作为可选项。
在3GPP标准化的前期讨论中，除CP-OFDM波形外，一些研究机构和公司也提出了一些不同的波形设计方案。这些新波形中不少是以OFDM为基础的改进，部分新波形设计是在OFDM的基础上加上额外的滤波器，以期获得较好的频谱约束性。通过对传输信道内的部分子载波或子载波集进行单独滤波，使其更适宜于该特定子载波集的信号状况和所需要支持的业务种类，并且可以实现异步系统的设计。因此，具有滤波的多载波波形可以被认为是用于灵活空口设计的一大关键因素，有可能是5G系统的关键组件之一。
本章选取比较有代表性的CP-OFDM、FBMC、UFMC、GFDM做介绍。2.1.1 5G主要候选波形2.1.1.1 正交频分复用波形
4G LTE的核心技术是正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）技术。OFDM是由多载波（MCM）技术发展而来的，最先由贝尔实验室的R.W. Chang于1966年提出并申请了专利。OFDM既是一种调制技术，也是一种多址技术。这一技术可以有效对抗无线通信中的多径效应，也可以在较差的信道环境中有效传输大量数据。同时，OFDM可以采用快速傅里叶变换（FFT）的数字信号处理（DSP）方法简单直接地实现。但是，早期由于受到技术条件的限制，实现傅里叶变换所需设备复杂度大、成本高，使得OFDM无法实现大规模应用。在2G和3G系统的标准化过程中，都曾经有提案建议采用OFDM，但是由于考虑到计算的复杂性和终端功耗等因素而被否决。
随着数字信号处理芯片技术的发展，OFDM在数字音频广播系统（DAB）、数字视频广播系统（DVB-T）、无线局域网（WLAN）（802.11a/g/n）、WiMAX（802.16）中都得到了应用，并最终成为4G和5G时代的首选波形技术。
目前，采用较多的是循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）波形，其发送侧和波形的基本原理及其基本特性如图2-1所示。图2-1 CP-OFDM发送端波形的基本原理和特性
OFDM波形发送和接收完整示意如图2-2所示。图2-2 OFDM波形发送和接收完整示意
CP-OFDM通过在每一个符号（Symbol）的前部添加循环前置（如图2-3所示），有效对抗了最大延迟（Delay Spread）小于循环前缀（CP）长度的无线信道多径效应。图2-3 OFDM通过循环前缀有效对抗了多径效应
在LTE系统中，上行终端侧在IFFT前通常先对数据进行一个离散傅里叶变换（DFT）的操作，业界称其为傅里叶变换扩展OFDM（DFT-S-OFDM，Discrete Fourier Transform Spread OFDM）或SC-FDMA。这样做可以有效降低发射波形的峰值平均功率比（PAPR）以减轻功放回退的要求，从而降低了终端发射机的功耗。基站侧在下行则不用进行此DFT扩展的操作。
CP-OFDM作为目前为止无线通信中非常优秀的一种波形，它具有如下主要优点：（1）频谱效率非常高；（2）有效抵抗无线信道所面临的最大问题，即多径效应和频率选择性衰落；（3）可以采用快速傅里叶变换算法处理，易于发射机和接收机的硬件实现，以及在频域进行信道的均衡处理；（4）利用子载波的正交性消除小区间的干扰；（5）易于和自适应调制技术及MIMO技术进行适配。
由于具有这些优点，CP-OFDM也成为5G的一大重要候选波形。
不过CP-OFDM也存在一些缺点，如下述几点。（1）OFDM的矩形脉冲成形会带来频域上旁瓣较大并且衰减缓慢的问题。在实际系统中为避免相邻频段所受到的频谱杂散泄漏，通常需要10%左右的保护频带。这使得OFDM不太适宜于分段频谱场景，因为这些场景需要满足一定的带外（OOB）指标要求。为了克服OFDM的这一缺点，可以考虑采用时域加窗技术，即W-OFDM（Windowed-OFDM）。（2）CP-OFDM可能造成较大的相邻信道干扰（ACI，Adjacent Channel Interference）。（3）发射端较高的PAPR加大了功放的能耗，这个问题在LTE时代通常以上行侧在OFDM波形前以预编码的方式予以解决。（4）系统整体性能对时间和频率偏移非常敏感，少量的偏移就会对误码率产生较大影响，因此对于频率和时间的同步要求很高。而在物联网通信中许多情况下难以实现高精度的同步要求，与之并不十分匹配。（5）OFDM的频谱效率虽高，但是循环前缀的使用仍然部分降低了频谱效率，因此5G标准化过程中出现了一些不采用循环前缀的改进提案以进一步提升OFDM的效率。（6）此外，毫米波波段（mmWave）需要非常大的传输带宽，OFDM在这种场景是否有效也有待于进一步的研究。
随着移动物联网应用逐步成为5G的主要驱动力之一，高效地支持带有不同需求的异构服务逐渐变得越来越重要。
总的来说，在5G移动宽带eMBB场景下，在4G系统中广泛采用的CP-OFDM仍然是重要的基础波形。但是对于mMTC/URLLC等场景，CP-OFDM是不是最优的选择成为3GPP标准化讨论的一个热点。2.1.1.2 基于滤波器组的多载波波形
基于滤波器组的多载波波形（FBMC，Filter-Bank Multi-Carrier）是一种多载波调制技术，该技术在发送和接收端都对每个子载波进行单独滤波。为了在频域获得更好的约束性，所选择的滤波器在时域可能会很长。由于FBMC本身对于多径效应有一定的抵抗能力，因此通常不需要采用循环前缀，避免了循环前缀所带来的信道资源的浪费，可以获得更高的传输效率。FBMC发射信号的基本原理如图2-4所示。图2-4 FBMC发射信号的基本原理
FBMC技术可以采用正交幅度调制（QAM，Quadrature Amplitude Modulation）或者偏移正交幅度调制（OQAM，Offset Quadrature Amplitude Modulation）两种调制方式。FBMC在采用OQAM时被称为FBMC/OQAM（OQAM的采用可以降低相邻子载波的相互干扰）。图2-5所示为FBMC一种典型的基于IFFT/ FFT的实现方式，其中调制方式采用了OQAM，多相网络（PPN，Polyphase Network）是降低计算复杂度实现子载波滤波的一种方式。待发送的数据流经过串并转换，然后通过OQAM调制，再通过IFFT变换以及PPN多相滤波器组后进行发送，而接收端则通过相应的逆变换恢复原始数据。图2-5 PPN-FBMC原理示意
在FBMC中，各子载波滤波器之间是非正交的，因此其子载波之间存在相互干扰，而OQAM的采用可以减小相邻子载波间的干扰。
5G采用FBMC波形有如下好处：（1）没有扩展循环前缀，传输效率得到了提高；（2）对系统的同步要求不是很严格，因此适合一些非同步传输的场景；（3）在频域大大降低了旁瓣功率，减少了带外泄漏，比较适合于碎片化的频谱场景；（4）在高移动性场景表现良好。
但是，FBMC也存在一些问题，如：（1）破坏了子载波间的正交性，这就意味着即使没有任何信道的损害，在接收端也难以完美地复原发送端的QAM信号；（2）FBMC针对不同的子载波分别进行滤波处理，由于子载波的间隔较窄从而滤波器的长度较长才能满足对于窄带滤波的性能要求，因此其在突发性小文件包或对时延要求较高的应用场景下的效果受到影响；（3）滤波器的长度较长，增加了实现的复杂度；（4）难以和MIMO技术适配。
总的来讲，FBMC避免了循环前缀和大保护频带的使用，提高了系统的频谱效率。同时，以适度的实现复杂度为代价，降低了载波间干扰和相邻信道干扰水平，是现今主流的CP-OFDM方案的潜在后续技术。其理想目标场景可能是无须精准同步的异步传输、零碎频谱、高速移动用户等。2.1.1.3 通用滤波多载波技术
基于通用滤波多载波（UFMC，Universal Filtered Multi-Carrier）技术是由欧盟资助的研究项目5GNOW提出的多载波调制技术，它和FBMC有类似之处，区别在于，在UFMC中滤波器处理的对象是一组子载波，通过在发射机中增加一组状态可变的滤波器来改善频谱成型。
UFMC可以看作是不采用子载波滤波的CP-OFDM和采用子载波滤波的FBMC之间的一个折中。在UFMC中，是对一组子载波（子载波组）进行滤波。整个系统带宽被分成若干个子载波组，对每个子载波组分别进行滤波，滤波后的子载波组根据时频资源的分配来进行传送。当每个组中的子载波个数为1时，UFMC就变成了FBMC，因此，FBMC也可以看成是UFMC的一种特殊情况。
滤波器的选择可以很灵活，其目标在于降低带外（OOB）发射和带内失真。另外，采用不同滤波器时，UFMC的实际性能很大程度取决于所考虑的场景和实际的滤波器设计。相比CP-OFDM，更低的带外发射使得UFMC更适于异步多址接入。UFMC具有CP-OFDM的一些优点，如通过对附加滤波的适当选择，使带内失真的数量得以限制。另外，不同子载波组间也可以支持灵活的参数集。
UFMC的一种发射接收实现方式的原理如图2-6所示。图中假定总共有K个子载波，被分成B个子载波组，每个组中的子载波数可以不同。在接收端采用了2N点FFT来恢复发送的数据（只采用其中的偶数序列的解调符号）。图2-6 UFMC发射接收原理示意
UFMC之所以对于子载波组而非子载波本身进行滤波是由于考虑到频域资源的调度通常是以资源块（RB）为最小单元，而非子载波本身。这样做使得可以对不同的业务类型进行有针对性的处理。
UFMC不需要添加循环前缀。它在5G应用中有如下好处：（1）对于时间和频率的同步要求不那么严格；（2）不需要循环前缀，传输效率得以提高；（3）由于UFMC是对子载波组进行滤波处理，其滤波器的通带较宽，因此滤波器的长度可以设计得相对较短，即其时间约束性较好，因此在小文件包的场景其频谱效率也相对高一些；（4）比CP-OFDM更好地应用于碎片化频谱的场景；（5）可以在子载波组内动态地调整子载波间隔，从而可以实现调整符号长度以匹配信道的相关时间（Coherence Time）。
UFMC也存在一些不足：和CP-OFDM相比，其发送和接收的实现复杂度都要高一些。2.1.1.4 广义频分复用技术
广义频分复用（GFDM，Generalized Frequency Division Multiplex）是一种广义多载波调制技术。该技术和FBMC有类似之处，同样采用了多载波滤波器组的概念，所不同的是，GFDM以若干个符号为单位增加了循环前缀。GFDM实现的基本原理如图2-7所示。根据不同的业务类型和应用，GFDM可以选择不同的滤波器和插入不同类型的CP。图2-7 GFDM实现的基本原理示意
GFDM波形具有如下特点：（1）带外泄漏低，使得它非常适合在非连续频带上传输；（2）由于使用了循环前缀，它在多径效应的顽健性和易于均衡方面保持了CP-OFDM的优点；（3）GFDM基于独立的块调制，使其可以具有灵活的帧结构，适用于不同的业务类型。但是GFDM需要较复杂的接收处理算法来消除码间串扰和载波间干扰，其块处理的时延也较大。2.1.1.5 其他波形选项
在对5G新波形的研究以及3GPP的会议讨论中，除了CP-OFDM、FBMC、UFDM和GFDM外，还出现了f-OFDM、FMT、FB-OFDM等其他一些波形提案，它们的基本思路大都是采用通过滤波器进行带通滤波的多载波技术，每个方案都有各自的优缺点。
多载波波形的PAPR都较高。因此，PAPR相对较低的单载波波形也在5G NR新波形的考虑范围内。另外，在毫米波波段，单载波波形也有其优点。单载波波形包含如传统的MSK、GMSK等调制波形等。目前，一些主要的单载波波形及其特性如表2-1所示。表2-1 一些主要的单载波波形及其特性
但是，传统的单载波波形由于频谱效率较低、在频率选择性衰落信道下信号失真严重以及在频域难以支持灵活的资源分配等缺点。相对来讲，在LTE上行使用的傅里叶变换扩展OFDM波形（DFT-S-OFDM）则兼具单载波和多载波波形的优点而显得更为优越。2.1.2 波形实现方式总结
图2-8所示是上一节所介绍的5G新多载波波形提案实现方式的综合比较。详细内容可以参见Qualcomm公司的白皮书。图2-8 5G新多载波波形提案实现方式的综合比较
注：加权叠接相加（WOLA，Weighted OverLap and Add），是LTE系统中常用的一种加窗技术。
图中，串并转换模块与IFFT模块之间的尾部添零（Zero-Tail Pad）和DFT预编码、IFFT之后的加窗以及带通滤波模块都是可选的，“√”表示不同波形与相应的功能之间的对应关系。2.1.3 波形的几项主要指标对比
考查波形特性的指标很多，以下选取较重要的几项：频域约束性、峰均功率比以及误帧率性能做个简单介绍。NTT Docomo在其提案R1-163110 Initial link level evaluation of waveforms中做了详细分析。2.1.3.1 频域约束性
图2-9所示为根据计算机仿真获得的几种5G波形提案的发射频谱特性对比。图2-9 几种5G波形提案的发射频谱特性对比
由图2-9中可以看出，FBMC/UFMC/f-OFDM/W-OFDM的带外泄漏比CP-OFDM有非常显著的降低。f-OFDM、UF-OFDM和W-OFDM的带外泄漏比降低得不如FBMC/OQAM那么明显。UF-OFDM和f-OFDM要优于W-OFDM。
带外泄漏比低会比较有利于异步多址接入和零碎化的频谱等场景。2.1.3.2 峰均功率比
峰均功率比（PAPR，Peak to Average Power Ratio）是发射机峰值功率和均值功率的比，它由所采用的信号波形决定，对于发射机的能耗影响很大，是发射波形的一项重要指标。峰均功率比越低，对于提高发射机的效率越有好处。这一指标对于上行终端侧具有尤其重要的意义。
图2-10所示为几种5G新波形提案的发射机峰均功率比的计算机仿真结果。图2-10 几种5G新波形提案的发射机峰均功率比的计算机仿真结果
由仿真结果可以看出，不采用DFT预编码时所有波形都具有大致相同的PAPR值。引入DFT扩展后，各波形的PAPR都明显下降。UF-OFDM/f-OFDM以及W-OFDM对PAPR的降低程度相差不多。FBMC/OQAM的PAPR降低程度则比较不明显。
根据3GPP的分析，R15空口参数的实际PAPR结果如下：
- 下行OFDM，PAPR=8.4dB（99.9%）；
- 上行OFDM，PAPR=8.4dB（99.9%），DFT-S-OFDM的PAPR值如表2-2所示。表2-2 DFT-S-OFDM在不同调制下的PAPR值
可以看出，采用DFT扩展可以在一定程度上降低发射波形的PAPR值，从而提高PA的使用效率。2.1.3.3 误帧率
图2-11所示为几种波形在一些典型的应用场景（2.6GHz的载波频率，3km/h的步行运动速度和620km/h的高速运动速度）下的误帧率（FER，Frame Error Rate）的计算机仿真结果。图2-11 几种5G新波形的误帧率对比的计算机仿真
从仿真结果可以看出，在所设定的低速场景下，W-OFDM、UF-OFDM和FBMC/ OQAM的误帧率和传统的CP-OFDM非常接近，f-OFDM则相对略差一些。在高速移动的场景，FBMC/OQAM的误帧率指标最好。2.1.4 主要波形提案综合比较总结
mmMAGIC project对一些主要波形提案进行了比较研究，考虑的主要方面包括频谱效率、发射波形峰均比值、对信道频域选择性和时域选择性的顽健性、和MIMO的适配性、时域约束性、频域约束性、实现复杂度等指标。5G若干主要候选波形的综合比较如表2-3所示。表2-3 5G若干主要候选波形的综合比较
总的来说，针对FBMC、UF-OFDM、GFDM等非正交波形，它们的滤波是在子载波的基础上进行的，所以其频率约束性比较好。FBMC的旁瓣水平较低，因此对同步没有非常严格的要求，但是它的滤波器的冲激响应长度很长，所以FBMC不适用于短包类和对时延要求高的业务类型。UFMC针对一组连续的子载波进行滤波处理，因此其滤波器长度相对较短，可以支持短包类业务。但UFMC没有循环前缀，因此对需要松散的时间同步场景不太适合。GFDM可以使用循环前缀，具有灵活的帧结构可以适配不同的业务类型。
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