今天， 5G就像一幅抽象畫，每個人都有不同的理解。本文希望通過簡述5G首版標準R15，爲你展現一個最真實的5G。

　　5G定義了增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（URLLC）、大規模機器類型通信（mMTC）三大場景。

　　針對這三大場景，在2018年6月已完成的3GPP R15標準不僅定義了5G NR（新無線）以滿足5G用例和需求，還定義了新的5G核心網（5GC），以及擴展增強了LTE / LTE-Advanced功能。

　　一張圖看懂系列之5G R15標準…

　　5G NR

　　R15 5G NR主要針對eMBB和URLLC兩大場景定義了新規範。

　　eMBB

　　針對eMBB場景，NR主要定義了三大類技術：高頻/超寬帶傳輸、Massive MIMO、靈活的幀結構和物理信道結構。

　　高頻/超寬帶傳輸

　　高頻： NR指定了兩大頻段範圍FR1和FR2，FR1（450MHz-6GHz），FR2（24.25GHz-52.6GHz）。

　　超寬帶：FR1的信道/單載波帶寬高達100MHz，FR2的單載波帶寬高達400MHz。

　　此外，物理層還支持載波聚合（CA）和雙連接技術，可聚合多達16個載波，以實現更高速傳輸。

　　LTE頻段不高於3GHz，單載波帶寬僅爲20MHz，因此，高頻和超寬帶是5G與4G的主要區別。

　　既然NR引入了更高更寬的頻段，由於高頻信號對多徑衰落和相位噪聲更敏感，如果像LTE一樣，所有頻率的OFDM子載波間隔都相同，顯然已無法適應，因此，NR還支持15，30，60和120kHz多個OFDM子載波間隔來進行數據傳輸。

　　Massive MIMO

　　Massive MIMO標準化工作定義了諸如參考信號設計、波束管理等技術，以期在基站上支持多達256個天線單元，在終端側支持多達32個天線單元，以在高頻段中實現大規模MIMO傳輸。

　　爲了實現高速數據傳輸，下行最高支持單用戶8層和多用戶12層MIMO傳輸，上行最高支持單用戶4層MIMO傳輸。

　　對於高頻段，波束賦形是一項關鍵技術，它可以增強覆蓋範圍。在4G時代，由於使用頻段較低，可採用數字波束賦形技術實現，其波束賦形在數字域中生成，但這種方式無法應對5G高頻段Massive MIMO， 5G NR採用了數字和模擬混合實現波束賦形。

　　靈活的幀結構/物理信道結構

　　如前所述，NR支持多個子載波間隔，在頻域上子載波間隔可更寬，在時域上OFDM符號可更短，比如，LTE的子載波間隔爲15KHz，現在5G NR的子載波間隔可達120KHz，相對LTE，OFDM符號長度縮短了八分之一，從而可實現更低時延傳輸。

　　5G NR還可靈活改變控制和數據信道的分配單元中的OFDM符號數量，並可根據上下行業務比率靈活改變幀結構中的上下行時隙比。

　　URLLC

　　URLLC旨在支持或協助完成一些近實時和高可靠性需求的關鍵任務型業務，比如自動駕駛、工業機器人和遠程醫療等。

　　如前所述，通過使用更寬的子載波間隔並減少OFDM符號數量可實現更低時延的通信，另一方面，爲了實現高可靠性，R15還爲URLLC定義了新的CQI（信道質量指示符）和MCS（調製和編碼方案）。

　　增強LTE / LTE-Advanced

　　4G LTE / LTE-Advanced針對eMBB、mMTC和URLLC三大場景都進行了功能擴展和增強，其中，其中5G mMTC場景主要基於LTE / LTE-Advanced技術擴展，以適應大規模物聯網通信。

　　eMBB

　　針對eMBB場景，LTE / LTE-Advanced功能增強主要包括：

　　1024QAM支持

　　爲了進一步提高峯值數據速率，R15定義了1024QAM，以及減少了DM-RS（解調參考信號）開銷。

　　增強型CoMP（協同多點傳輸）

　　增強型CoMP支持非相干聯合傳輸，兩個基站可在不知道彼此的信道狀態信息（CSI）的情況下發送不同的數據序列。

　　8天線技術

　　終端配置8個接收天線，可擴展小區下行覆蓋範圍，同時，配合8層MIMO可大幅提升下行速率。

　　各種幹擾抑制技術

　　R15還定義了多項增強型LTE / LTE-Advanced功能以降低小區間的幹擾。其中，有一項功能旨在小區低負荷狀態下減少CRS（小區參考信號）傳輸，以降低幹擾、節省基站功耗。此外，還定義了一些基站和終端的幹擾抑制技術。

　　增強載波聚合（CA）功能

　　早期的載波聚合，由於需測量候選載波質量以及啓動RF信道，存在終端處理延遲，爲了解決這些問題，R15定義了一種機制，在終端處於空閒態下提前測量候選載波的無線信號質量，並在SCell之前提前初始化RF信道。

　　上行數據壓縮

　　在TDD模式下，上下行比率通常強調下行鏈路，因此可用於上行傳輸的無線資源是有限的，爲了提升上行鏈路頻譜利用率，R15定義了上行數據壓縮機制，主要對IP層及以上的分組報頭進行壓縮。

　　視頻QoE測量功能/內容緩存

　　隨着移動視頻興起，在移動通信環境中提升視頻體驗（QoE）成爲運營商重點關注的問題。爲了測量現實網絡的QoE，R15定義了一種可以直接從終端收集QoE測量值的機制，稱爲最小化路測（MDT）。

　　同時，R15還研究了將視頻內容緩存至靠近基站的服務器的機制，以減少下載視頻時的時延。通過該機制，終端直接從基站或附近的內容服務器下載數據，而不必再經過回傳至核心網，從而減少時延。

　　mMTC

　　針對mMTC場景，LTE / LTE-Advanced功能增強主要包括：

　　無人機終端檢測/幹擾抑制

　　無人機正廣泛應用於各行各業，但存在飛行範圍有限、難於監管等問題，未來接入移動通信網絡的聯網無人機是必然趨勢。爲了應對未來需求，3GPP已研究通過LTE / LTE-Advanced網絡爲無人機終端提供廣域通信支持。

　　由於無人機聯網後，會引入從無人機到基站的上行鏈路幹擾問題，R15爲無人機終端定義了開環功率控制參數。此外，還研究了通過移動通信網絡來檢測無人機是否獲得飛行許可證。

　　增強型LTE-M和NB-IoT

　　R15進一步增強了蜂窩物聯網技術LTE-M和NB-IoT的功能，主要是增加了TDD支持和低功耗能力。

　　（a）空閒模式省電技術（喚醒信號）

　　爲降低空閒模式下的功耗，R15定義了新的喚醒信號。通常處於空閒模式下的物聯網終端會週期性地解碼下行控制信道以獲得尋呼信息，由於在信道解碼之前終端並不知道是否有尋呼消息，這個過程必須定期執行，這會增加功耗，因此，R15定義了一種檢測喚醒信號的簡單過程，讓物聯網終端可直接確定是否有尋呼消息，不必再週期性解碼，從而進一步降低功耗。

　　（b）減少小數據包時延

　　很多物聯網應用傳送的是極小的數據包，比如智能抄表，針對這些應用，R15定義了在隨機接入過程中直接添加小數據包傳送，從而減少通信時延。

　　（c）TDD支持

　　在R13和R14版本中，LTE-M和NB-IoT只支持FDD模式，R15增加了支持TDD模式。

　　增強型V2X（車聯網）

　　R15對R14發佈的V2X通信功能進行了擴展。爲了提高V2X通信的數據速率和帶寬，CA被引入到模式4，讓終端能從資源池中自主選擇傳輸資源。同時，還增加了對64QAM調製方式的支持，並新增了新的終端性能規範以滿足低延遲要求。

　　URLLC for LTE

　　4G網絡也要能支持VR、自動駕駛等低時延業務，爲此，R15定義了在LTE / LTE-Advanced上實現低延遲高可靠通信的功能。

　　主要包括：

　　提升下行控制信道和上下行數據信道傳輸質量

　　在傳統LTE / LTE-Advanced的下行控制信道中，PCFICH（物理控制格式指示信道）用來指明PDCCH在子幀內所佔用的符號個數，需檢測PCFICH信道識別PDCCH OFDM符號數量，然而，在這種情況下，整個下行鏈路控制信道的質量受到PCFICH錯誤檢測的約束，爲此，R15指定了一種改善下行控制信道質量的辦法，通過更高層信令直接通知PDCCH OFDM符號數量，從而避免受PCFICH檢測錯誤的影響。

　　降低LTE時延

　　爲了降低時延，新的short TTI被定義。傳統LTE的1ms TTI包含2個時隙，14個OFDM符號，每個時隙由7個OFDM符號組成，基於Short TTI，可實現2~3個OFDM符號調度，從而可將空口單向時延從10ms降低到1ms。

　　同時，還降低了從接收到數據到發送HARQ反饋之間的處理時延，以及從接收到下行控制信道到上行數據發送之間的處理時延，從之前的最小值4毫秒降至3毫秒。

　　5GC

　　衆所周知，從無線或終端側的角度看，5G組網包含了獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）。

　　簡單解釋：

　　NSA，就是終端通過多種無線接入技術（比如LTE和NR）連接到移動通信網絡，若終端通過LTE和NR連接到移動通信網絡，這就叫“雙連接”；SA，就是終端只通過一種無線接入技術連接到移動通信網絡。

　　從核心網側的角度，針對獨立組網和非獨立組網，5GC（5G核心網）也將提供兩種解決方案：EPC擴展方案和5GC方案。

　　EPC擴展方案

　　EPC擴展方案支持EPC雙連接，其主要特徵是，利舊4G基站（eNB）與EPC之間的S1接口和終端與EPC之間的非接入層接口（NAS），以儘量減少對4G核心網設備的改造，使能快速地引入5G NR。

　　一方面，5G早期語音業務和蜂窩物聯網業務需要依靠已實現連續覆蓋的4G LTE網絡來承載；另一方面，由於5G NR頻段更高，早期僅限於局部部署基站，難以快速形成連續覆蓋，因此，一些運營商爲了儘早引入5G來提升網絡容量，會採用EPC雙連接的部署方式，通過現有4G核心網的EPC設備來繼續提供4G數據、VoLTE和蜂窩物聯網業務，並引入5G NR來滿足高清視頻一類的大流量業務需求。

　　不過，既然引入了5G NR，考慮以後的5G套餐、漫遊等問題，4G EPC當然不能保持原狀不動，它還需要引入一些新功能以靈活地提供5G NR服務。

　　這些新功能指5G NR服務識別（控制）功能，主要包括：

　　 5G區域通知功能

　　當終端連接網絡時，比如attach，核心網會確認該用戶是否辦理5G套餐，如果已辦理，再基於基站小區配置信息，確定該終端是否在5G NR覆蓋區域，是否能爲終端提供5G NR連接。

　　 5G NR連接決策功能

　　如上所述，若終端用戶辦理了5G套餐，覆蓋基站也支持5G NR，接下來就是爲5G終端建立5G NR連接了。

　　 5G網關（GW）選擇功能

　　核心網將提供轉爲5G容量而優化的GW設備，並優先考慮將支持5G NR的終端連接到該GW設備。

　　 5G數據報告功能

　　在LTE與NR雙連接模式下，基站會根據無線環境等因素向4G基站和5G基站靈活分配數據流量，還需計數5G基站到底傳送了多少數據流量，並報告給核心網。

　　5GC方案

　　5GC，即5G核心網，有了5G核心網，就不再沿用4G核心網了。值得一提的是，5G核心網變化很大，可以說是一種顛覆性設計。

　　5G核心網基於服務化、軟件化架構，並通過網絡切片、控制/用戶面分離等技術，使能網絡定製化、開放化和服務化，以面向萬物互聯和各行各業。

　　SBA（Service Based Architecture），即基於服務的架構，它基於雲原生（Cloud Native）構架設計。雲原生主要由微服務、DevOps和以容器爲代表的敏捷基礎架構等幾部分組成，目標是實現交付的彈性、可重複性和可靠性。

　　5G核心網基於服務的接口和API，使能運營商面向各個行業敏捷創建“網絡切片”，使得未來運營商的角色從“管道”轉變爲“平臺提供商”。

　　5GC不僅支持連接5G基站，還支持連接4G基站，不過，連接5GC的4G基站不再叫eNB，而是叫ng-eNB，它與5G基站共同使用新的N2接口。

　　此外，還將提供語音回落技術，當終端進行VoLTE語音呼叫時，終端將連接到4G EPC。

　　全文完。

　　R15是5G的第一階段標準，面向5G第二階段，3GPP 已於2018年10月啓動制定R16標準，在NR方面，R16將推進毫米波的多波束/ MIMO技術，擴展URLLC和IoT的應用領域；在5GC方面，R16將進一步研究5GC功能演進，以面向未來5G多樣化業務應用。

　　總之， 5G首版標準R15既兼顧了4G平滑演進，也考慮了5G未來新需求；既增強了4G功能，也新增了5G能力，充分展現出以穩健、務實的步伐邁向5G時代。

　　這也許與有些人想象中的科幻版5G並不相符，但這就是最真實、最權威的5G。沒有必要把5G捧上天，5G作爲下一代移動通信技術，它是未來ICT基礎設施，要改變世界，還需要與多技術融合、多方生態合作來協力完成。也更不應唱衰5G，與以往任何一個G一樣，它終將一步一步走向成熟與普及。

　　通信路上，一起走！