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5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

发布时间:2019-06-15 20:20 来源:未知 编辑:admin

  大家好,我叫5G NR,5G家族的一员。最近关于我的传闻太多,言三语四之声不绝于耳,为此本人今天终于鼓起勇气走向前台,揭开神秘的面纱,向大家做一个完整的自我介绍。

  大家都知道我的前辈叫“4G”,4G系统构架主要包括无线侧(即LTE)和网络侧(SAE),准确点讲,这个4G系统构架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System,演进分组系统),EPS指完整的端到端4G系统,它包括UE(用户设备)、E-UTRAN(演进的通用陆地无线接入网络)和EPC核心网络(演进的分组核心网)。

  LTE双连接不同于载波聚合,载波聚合发生于共站部署,而LTE双连接可非共站部署,数据分流和聚合所在的层也不一样。

  但是,选项3的双连接有一个缺点受限于LTE PDCP层的处理瓶颈。

  众所周知,5G的最大速率达10-20Gbps,4G LTE的最大速率不过1Gbps,LTE PDCP层原本不是为5G高速率而设计的,因此在选项3中,为了避免4G基站处理能力遭遇瓶颈,就必须对原有4G基站,也就是双连接的主站,进行硬件升级。

  升级后的4G基站,或者说R15版本的4G基站,叫eLTE eNB,同时,迁移入5G核心网的4G基站也叫eLTE eNB,因为5G核心网引入了新的NAS层,这在后面会讲到。e就是enhanced,增强版的意思。

  但一定有运营商不愿意对原有的4G基站升级,于是,3GPP就推出了两个“变种”选项选项3a和3x。

  选项3a和选项3的差别在于,选项3中,4G/5G的用户面在4G基站的PDCP层分流和聚合;而在选项3a中,4G和5G的用户面各自直通核心网,仅在控制面锚定于4G基站。

  选项3x可谓选项3的一面镜子。为了避免选项3中的LTE PDCP层遭遇处理瓶颈,其将数据分流和聚合功能迁移到5G基站的PDCP层,即NR PDCP层。

  选项2就是独立组网,一次性将5G核心网和接入网一起”打包“迈进5G时代,与前4G网络少有藕断丝连的瓜葛。

  这种方式的优点和缺点都很明显。一方面,它直接迈向5G,与前4G少有瓜葛,所以减少了4G与5G之间的接口,降低了复杂性。

  另一方面,与选项3系列依托于现有的4G系统用5G NR来补盲补热点的方式不同,选择选项2的运营商背后一定隐藏着更大的野心一旦宣布建设5G网络,就意味着大规模投资,建成一个从接入网到核心网完整独立的5G网络。

  选项7系列包括7、7a和7x三个子选项,类似于选项3,可以把它看成是选项3系列的升级版,选项3系列连接LTE核心网(EPC),而选项7系列则连接5G核心网,即“LTE assisted,5G CN Connected”,NR和LTE均迁移到新的5G核心网。

  选项4系列包括4和4a两个子选项。在选项4系列下,4G基站和5G基站共用5G核心网,5G基站为主站,4G基站为从站。

  选项4系列要求一个全覆盖的5G网络,因而采用小于1GHz频段来部署5G的运营商比较青睐这种部署方式,比如美国T-Mobile计划用600MHz部署5G网络。

  也就是说,选择选项5的运营商只考虑核心网演进到5G,但并不将无线G NR。大概是为了减少投资,而又看好具备网络切片能力的5G核心网吧!估计有些4G专网会喜欢这一部署方式吧!

  此种部署方式以美国Verizon和AT&T为代表,在现有的LTE网络上部署5G NR毫米波来补充覆盖热点或部署5G固定无线。

  此种部署方式可快速实现更好的5G NR覆盖,但存在4G LTE和5G NR之间的接口和载波聚合等技术的复杂性。

  路径一:选项3系列>

  选项2:先部署5G无线G无线G核心网。

  路径二:选项3系列>

  选项7系列或者选项5:先部署5G无线G无线G核心网。

  就是直接部署一张完整的5G网络,简化了非独立部署向5G核心网迁移的过程,复杂性较低,但更要求完整成熟的5G覆盖和生态。

  上面提到的各种组合套餐,都离不开最重要的原材料频谱资源。

  与2/3/4G时代不同,5G频谱分配的基本原则叫Band-Agnostic,即5G NR不依赖、不受限于频谱资源,在低、中、高频段均可部署。

   通常指的是毫米波mmWave(尽管严格的讲毫米波频段大于30GHz)

  原因有两点:①满足5G NR的大带宽需求②满足全球运营商在3.3-4.2GHz频段内的5G 部署需求。

  上图是全球各国在C波段的可用频段,可用频段范围参差不齐,而n77的频段范围刚好将其全部覆盖,通吃!

  众所周知,手机的发射功率低于基站发射功率,3.5GHz的覆盖瓶颈受限于上行,工作于更低频段的SUL(上行辅助频段)就可以通过载波聚合或双连接的方式与下行3.5GHz配和,从而补偿3.5GHz上行覆盖不足的瓶颈,这大概和华为提出的上下行解耦是一致的吧。

  n28就是传说中的700MHz,由于其良好的覆盖性,同样是香饽饽,在WRC-15上已经确定该频段为全球移动通信的先锋候选频段,如果这段频段不能充分利用,实在是太可惜了。

  关于毫米波频段,美国、日本和韩国正在试验5G 28GHz毫米波频段,初期要实现5G固定无线接入代替光纤入户的最后几百米。

  不过,目前美日韩的28GHz并不在ITU WRC(世界无线电通信大会)考虑范围之内,尽管3GPP列入了这一频段(n257),但最终还需要ITU批准。

  至于n258,研究称该频段可能会影响卫星通信系统,或将因为要考虑足够的保护频带而进行调整。

  如此一来,子载波间隔可随着其工作频段和UE的移动速度变化而变化,最小化多普勒频移和相位噪声的影响。

  CP长度是CP开销和符号间干扰ISI之间的权衡CP越长, ISI越小,但开销越大,它将由部署场景(室内还是室外)、工作频段、服务类型和是否采用采用波束赋形技术来确定。

  这是时延与频谱效率之间的权衡符号数量越少,时延越低,但开销越大,影响频谱效率,建议每个TTI的符号数为2^N个,以确保从2^N到1个符号的灵活性和可扩展性,尤其是应对URLLC场景。

  总而言之,不同的Numerologies满足不同的部署场景和实现不同的性能需求,比如,子载波间隔越小,小区范围越大,这适用于低频段部署;子载波间隔越大,符号时间长度越短,这适合于低时延场景部署。

  甭管你怎么组合,采用哪种Numerologies,5G无线帧和子帧的长度都是固定的一个无线ms,这与LTE是相同的,从而更好的保持LTE与NR间共存,利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步,简化小区搜索和频率测量。

  不同的是,5G NR定义了灵活的子构架,时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。

  所以,我们简单将5G帧结构划分为由固定结构和灵活结构两部分组成(如下图)。

  在小于6GHz频段(FR1)下,5G NR的最大信道带宽为100MHz,在毫米波频段(FR2),5G NR的最大信道带宽达400MHz,远远大于LTE的最大信道带宽20MHz。

  但更值得一提的是,5G NR的带宽利用率大幅提升到97%以上(LTE的带宽利用率只有90%)。

  10MHz的4G信道有50个RB,每个RB有12个子载波,那么10MHz 4G信道总共600个子载波。由于每个子载波有15kHz的间隔,15*600就等于9000kHz或9MHz,这意味着在10Mhz的信道中,只有9MHz被利用,而大约1MHz被留下作为保护频带,所以LTE的带宽利用率只有90%。

  如下图,这是在不同的Numerologies下,不同的子载波间隔对应的最小和最大RB数计算表:

  4G LTE用户面协议栈由PDCP、RLC和MAC层组成,其广泛支持从低速物联网终端到可达1Gbps的高速高端终端,为移动互联网和4G蜂窝物联网时代立下汗马功劳。

  我们依稀还记得,网优雇佣军曾经在2016年的时候吐过一次槽(不好意思,没控制住),大意是讲我们的无线网络不具备洞悉流量的能力,痛失实时改善用户体验的机会。

  5G以用户为中心,无非就是改善用户体验,当然要谈及QoS。但大家都知道的,4G网络的QoS是由核心网发起的、以承载为基本粒度的,而无线接入网不过是执行核心网的强制策略,就是一个打工的。

  这样的QoS机制缺点突出,QoS等级数量有限,无法实时调整,面向缤纷复杂的未来应用,这种预定义式的QoS方式太粗犷且缺乏灵活性。

  5G在这方面向前迈进了一大步。5G核心网支持基于IP流而不是EPS承载的QoS控制,从而实现更灵活和更精细的QoS控制。

  具体的讲,它通过5G 核心网和基站之间单独的PDU对话隧道来实现多个IP流的独立无线承载映射,在PDCP层之上引入SDAP层,SDAP层执行IP流和无线承载之间的映射。在SDAP层,在封装IP包时,IP头包含这些数据包的QoS标识符 (QFI)。

  5G要支持URLLC场景,要实现超可靠低时延通信,但是,无线信号变化莫测,用户行为捉摸不定,无线信号质量的恶化和基站的拥塞均受制于各种不可控因素,要想实现稳定的传输可靠性真的好难啊。

  怎么办呢?那就通过载波聚合和多连接技术,使用频率分集的方式来实现对单个终端的传输可靠性。

  如上图所示,数据包在PDCP层处理和复制,并通过每个RLC层,再通过相关的CC发送,接收端处理较早到达的数据包,同时抛弃较晚到达的复制的数据包。

  简而言之,就是在多个无线链路上传输相同的数据的方式,来抵御无线环境恶化带来的影响,保障通信链路的可靠性。

  5G NR控制面使用的RRC协议基本与LTE一致,作为无线资源控制层,RRC负责连接管理、接入控制、状态管理、系统信息广播等功能。如下图所示:

  新引入RRC INACTIVE状态与3G的CELL_PCH差不多,其目的是降低连接延迟、减少信令开销和功耗,以适应未来各种物联网场景。

  在RRC INACTIVE状态下,RRC和NAS上下文仍部分保留在终端、基站和核心网中,此时终端状态几乎与RRC_IDLE相同,因此可更省电,同时,还可快速从RRC INACTIVE状态转移到RRC CONNECTED状态,减少信令数量。

  其次,在系统广播上,为了提高系统信息的资源使用效率,5G NR引入了点播功能,这意味着它不必像LTE基站一样要一直广播所有的系统信息,而是以按需的方式以指定的系统信息通知指定的终端。

  第三点值得一提的是,对于非独立部署,5G NR将RRC协议功能扩展了,以支持LTE-NR双连接中的RRC独立连接和RRC分集。

  RRC独立连接:在4G时代的LTE双连接中,仅主站负责与手机之间的RRC连接,而在LTE-NR双连接中,从站(即5G基站)也可负责与手机之间的RRC连接(如下图)。

  RRC分集是指主站的RRC消息可以被复制,并通过主站和从站向手机发送相同的消息,以RRC分集的方式提升手机接收RRC消息的成功率,以提升信令传输的可靠性(如下图)。

  3GPP R15版本不过是5G技术之路的第一步,其主要是为了支持初期的eMBB和部分URLLC场景,未来还要支持更多的用例和垂直应用,未来还有更多的项目去研究。

  还有自回传、未授权频谱5G NR、应用于车联网的V2X、5G卫星通信接入、应用于无人机打开数字化天空的非地面网络等等。

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