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5G是第五代移動通信標準，由國際電信聯(lián)盟組織（ITU）制訂，5G的正式名稱為IMT-2020。5G的愿景是實現(xiàn)萬物互聯(lián)，不再像之前的幾代移動通信標準在速率上做提升。
5G綜合考慮了峰值速率，用戶體驗速率，頻譜效率，移動性，時延，連接密度，網(wǎng)絡能效，話務密度等技術(shù)指標。從下面的雷達圖上可以看出，5G需要支持20Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，用戶可以體驗到的帶寬達100Mbit/s，端到端的連接達到1ms的時延，10Gbps的小區(qū)吞吐量，每平方公里100萬連接密度，支持500km/h的高移動性服務等。
5G NR的三大應用場景
5G考慮到這么多性能指標，并不只是為了滿足個人業(yè)務的發(fā)展，因此，也為其劃分了三大應用場景:
- 增強移動帶寬（eMBB）
- 海量連接（mMTC）
- 高可靠低時延（uRLLC）
增強型移動帶寬:這種應用場景下有高的數(shù)據(jù)流量需求，比如AR增強現(xiàn)實、VR 虛擬現(xiàn)實，還有4K、8K超高清的視頻，這些應用目前受流量限制，因此，還不能有很好的用戶體驗。
海量連接: 這種應用場景下有大量設備的連接需求，不再是現(xiàn)在的手機終端的連接，而是面向更多其他設備的連接，實現(xiàn)人與物的連接，物與物的連接，也就是物聯(lián)網(wǎng)。比如，智慧城市，智能建筑等。
高可靠低時延:這種應用場景主要體現(xiàn)在一些對時延要求低的特殊行業(yè)，比如，自動駕駛，工業(yè)控制，遠程醫(yī)療等。
5G NR的頻譜分布
任何無線通信業(yè)務傳輸都離不開無線頻譜，它是信息傳輸?shù)妮d體，就像是我們周圍的道路，要實現(xiàn)之前所述的三大應用場景，就需要比以往更多的頻譜資源，然而頻譜資源確是有限的，在5G當中分配了兩個區(qū)域的頻譜資源FR1和FR2。(FR: Frequency Range)
FR1: 是5G的主要頻段，因為這個頻段低于6GHz，稱為Sub6G。頻率范圍從450MHz到6000MHz，頻率低，穿透能力強，覆蓋效果更好，這個頻段是無線通信的黃金頻段。
目前中國在建的5G也是在這個頻段里，各大運營商的主要頻段分布具體可參考下圖，包括廣電在內(nèi)現(xiàn)在也在涉足5G，其擁有700MHz的頻譜資源，可謂是黃金中的黃金頻譜。
頻段劃分
聯(lián)通電信所使用的是目前全球很多國家的5G廣泛采用的n78 3.5GHz頻段，其產(chǎn)業(yè)鏈條較為成熟，因此，電信聯(lián)通可以使用相對較低的成本去部署5G網(wǎng)絡。而移動使用的n41頻段和n79頻段不管從芯片或者設備上來說都不如n78成熟，需要花費大量的精力去推動這個頻段的產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
FR2: 是5G的擴展頻段，因為這個頻段的頻率高可達到28GHz，波長達到毫米級別，稱為毫米波。其頻率范圍從24250MHz到52600MHz，這個頻段頻譜豐富，可實現(xiàn)超大帶寬，頻譜也較為干凈，干擾小。
5G NR頻譜分布
"NSA"和"SA"真假5G?
5G的部署是個漸進的過程，建設進度上不會那么的快完成，同時也為了利用現(xiàn)有4G普及的優(yōu)勢，不僅可以節(jié)省成本還能快速部署，因此在5G的組網(wǎng)方式上有兩種: 非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）。
NSA（Non-Standalone）:是用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡，進行改造、升級和增加一些5G設備，4G核心網(wǎng)/5G核心網(wǎng)+4G基站+5G基站的組合模式。對于NSA來說可有下圖這幾種組網(wǎng)組合模式，包括3系，4系和7系。
SA（Standalone）: 是一套全新的5G網(wǎng)絡，包括全新的核心網(wǎng)和基站設備，引入了全新網(wǎng)元與接口，并大規(guī)模采用網(wǎng)絡虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡等新技術(shù)。目前其主要有以下兩種組合模式，包括2系和5系。
NSA和SA兩組組網(wǎng)方式，也使得5G網(wǎng)絡有更豐富的網(wǎng)絡構(gòu)架。
總體上來說，非獨立組網(wǎng)比獨立組網(wǎng)更加快速并且更節(jié)省部署成本，能為運營商更快的搶占市場。但是非獨立組網(wǎng)要比獨立組網(wǎng)復雜得多，在NSA組網(wǎng)下，5G與4G在接入網(wǎng)級互通，組網(wǎng)復雜度大大增加，在NR-NR，NR-LTE切換時延上也會高于SA這種獨立組網(wǎng)，這也將使5G的應用將會有一定的限制。
但是NSA也并不是我們平時所說的假5G，不過，最終還是向SA組網(wǎng)方式發(fā)展，我們也將會感受到這個漸變的過程中給我們的生活所帶來的變化。
5G幀結(jié)構(gòu)
5G NR與LTE相同，無線幀和子幀的長度固定，幀（Frame）的時間仍然是10ms; 每幀從0~9有10個子幀（Subframe），每個子幀時間為1ms; 每幀有兩個半幀，0~4為1個半幀，5~9為1個半幀。但是，同時又為了能夠使得5G滿足更多的應用場景，5G NR定義了更加靈活的其子構(gòu)架，即時隙和字符長度可根據(jù)子載波間隔靈活定義。
從子載波間隔上看，LTE只支持15KHz一種子載波間隔，5G NR支持多種子載波間隔，有15KHz ，30KHz，60KHz，120KHz，240KHz，可參考下圖所示。
另外，1個RB由12個子載波間隔組成。不同子載波間隔，支持RB數(shù)量如下表:
RB
5G NR的中不同的子載波間隔，其對應子幀的時隙（slot）長度也不同。隨著子載波間隔變大，時隙長度變小。
在LTE中，上下行的配置是以時隙也就是子幀為單位，包含上行子幀，下行子幀和特殊子幀，特殊子幀包含上下行轉(zhuǎn)換點，轉(zhuǎn)換周期是5ms或10ms。在5G NR中，上下行配置是以符號為粒度，配置更加靈活。
在正常CP的情況下，每個時隙（slot）卻有相同的OFDM符號（symbol）數(shù)，都為14個。每個時隙可以為下行符號D，上行符號U和靈活符號X這三種符號。以15kHz為例，OFDM符號長度為66.67微秒，14個OFDM符號總共14*66.67=0.93338ms，1個時隙長1ms，所以剩下的時間就是CP的時間。
在擴展CP情況下，每個slot的symbol數(shù)是12個。
對于5G NR幀結(jié)構(gòu)而言，還有以下幾點:
- 相位噪聲和多普勒頻移決定了15kHz作為下限，過小的子載波間隔會對頻偏過于敏感，會對不同子載波之間的正交性有一定影響。
- 在5種不同的子載波間隔中，60kHz不用于同步，240kHz不用于數(shù)據(jù)傳輸。60KHz有正常CP和擴展CP兩種配置。
- 對于6GHz以下頻段，采用15k、30k、60kHz子載波間隔配置。
- 對于6GHz以下頻段，采用120k、240kHz子載波間隔配置。
- 循環(huán)前綴CP決定了子載波間隔的最大值，因為子載波間隔越大，OFDM符號時長越短，CP也就越短，CP的作用之一是抵抗多徑時延，CP要大于最大多徑時延，所以過短的CP會無法克服多徑時延。
- 不同的子載波間隔支持物理信道的能力不同。談談5G幀結(jié)構(gòu)
- 5G NR定義了許多不同的時隙格式，后續(xù)章節(jié)再進一步展開
5G調(diào)制方式
調(diào)制是將信源產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為適應于無線傳輸的形式的過程，是無線通信業(yè)務的一個重要流程。
在無線通信中，信號是以電磁波的形式發(fā)送到接收端，那么電磁波是如何傳遞信息的呢？
電磁波可以用正弦波來描述，一個正弦波有3大特征，幅度，相位，頻率。可以利用電磁波的這3大特征來傳遞信息。
正弦波
所以這里的調(diào)制就是用基帶信號去控制載波信號的幅度，頻率，相位這幾個參量的變化，將信息荷載在到載波上形成已調(diào)信號。因此，在數(shù)字信號調(diào)制中有三種最基本的調(diào)制方式:
- 調(diào)幅（ASK）:載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的。
- 調(diào)頻（FSK）:用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率。
- 調(diào)相（PSK）:根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法。
調(diào)制方式
對于其他各種調(diào)制方法其實都是以上方法的改進或組合，例如:
- 正交振幅調(diào)制QAM就是一種幅度、相位聯(lián)合調(diào)制的技術(shù)，同時使用載波的幅度和相位來傳遞信息比特，將一個比特映射為具有實部和虛部的矢量，然后調(diào)制到時域上正交的兩個載波上，然后進行傳輸。每次在載波上利用幅度和相位表示的比特位越多，則其傳輸?shù)男试礁摺ＭǔＳ?QAM，16QAM，64QAM，256QAM等。
- MSK是FSK的改進，GMSK又是MSK的一種改進，是在MSK（最小頻移鍵控）調(diào)制器之前插入了高斯低通預調(diào)制濾波器，從而可以提高頻譜利用率和通信質(zhì)量；
- OFDM是采用正交頻分復用技術(shù)對多載波的一種調(diào)制方法， 將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。
我們知道在GSM采用GSMK信號調(diào)制技術(shù)；3G、4G系統(tǒng)采用QAM、QPSK調(diào)制技術(shù)；那么5G采用什么調(diào)制技術(shù)，較之前的調(diào)制技術(shù)有哪些變化？
3G：QPSK、16 QAM
4G LTE：QPSK、16 QAM、64 QAM
5GNR：π/2-BPSK、QPSK、16 QAM、64 QAM、256 QAM
從圖上可以看出，5G支持的調(diào)制更加豐富，主要有載波的相位變化，幅度不變化π/2-BPSK和QPSK的PSK調(diào)制方式，還有載波的相位和幅度都變化的16QAM, 64QAM和256QAM等QAM調(diào)制方式。
不過問題來了，有這么多種調(diào)制方式，我們怎么用圖形直觀的表示它們呢？其實，我們有個星座圖這個圖形工具可以用。
星座圖中的點，可以指示調(diào)制信號的幅度和相位的可能狀態(tài)，尤其當我們使用兩個載波(一個同相，而另一個正交)時。對于多電平ASK,PSK或QAM時，星座圖很有用。
星座圖
如上圖所示，在星座圖中，水平X軸與同相載波相關(guān)，垂直Y軸與正交載波相關(guān)。圖中每個點，可以包含4條信息。點在X軸的投影定義了同相成分的峰值振幅，點在Y軸的投影定義了正交成分的峰值振幅。點到原點的連線(向量)長度是該信號元素的峰值振幅(X成分和Y成分的組合)，連線和X軸之間的角度是信號元素的相位。所有需要的信息都可以從星座圖中得到。
下面是幾種調(diào)制方式的星座圖：
5G 波束賦形
波束賦形（Beamforming）又叫波束成型、空域濾波，是一種陣列定向發(fā)送和接收信號的信號處理技術(shù)，它既可以用于信號發(fā)射端，又可以用于信號接收端。波束賦形技術(shù)通過調(diào)整相位陣列的基本單元的參數(shù)，使得某些角度的信號獲得相長干涉，而另一些角度的信號獲得相消干涉，從而產(chǎn)生波束。其原理就是利用波的干涉，我們曾經(jīng)物理中也學過波的干涉，當波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，則能量相加，波峰更高，波谷更深; 當波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消。
基站發(fā)出的電磁波同樣也是波，通過干涉之后也會是類似的現(xiàn)象。
因此對于基站來說，如果天線的信號全向發(fā)射的話，基站周圍的手機只能收到有限的信號，大部分能量都會浪費掉。而如果能通過波束賦形把信號聚焦成幾個波束，專門指向各個手機發(fā)射的話，承載信號的電磁能量就能傳播地更遠，而且手機收到的信號也就會更強。5G頻段更高，尤其是毫米波頻段，覆蓋范圍更小，為了增強5G覆蓋，波束賦形應運而生。
為了獲得更加集中的信號，兩個天線對往往是不夠的，天線個數(shù)越多，電磁波傳播方向越集中，實現(xiàn)電磁波單方向傳播，在5G中我們通常會使用多天線矩陣。
關(guān)于多天線矩陣就要談到外一個概念Massive MIMO（大規(guī)模天線技術(shù)），是第五代移動通信（5G）中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出，研究發(fā)現(xiàn)，當小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無窮大時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計，數(shù)據(jù)傳輸速率能得到極大提高。尤其是毫米波頻段，載波頻率的提高顯著加大了無線信號的傳播損耗，減少了天線的覆蓋面積，也大大減小了天線單元的物理尺寸，使得在相同的物理空間里能夠安裝更多的天線單元，從而可以使用天線陣列、波束賦形等技術(shù)加大無線信號的覆蓋范圍，補償路徑損耗。
波束賦形可分為兩種: 數(shù)字式波束賦形和模擬式波束賦形。
數(shù)字式波束賦形vs模擬式波束賦形
數(shù)字式波束賦形由于處理的是數(shù)字信號，因為傳播的電磁波是是模擬信號。所以對于下行鏈路其工作在DAC之前和上行鏈路工作在ADC之后，調(diào)整數(shù)字信號的幅度和相位權(quán)值，從而可以明確區(qū)分不同的波形，因此可以支持多通道多用戶的不同傳輸模式，可以并行獲得很多路不同的輸出信號，同時測量來自不同方向的信號。但是因此每條RF鏈路都需要一套獨立的DAC、ADC、混頻器、濾波器和功放器等。
模擬式波束賦形處理的是模擬信號，它是在發(fā)射端DAC之后完成波束賦形的信號處理，接收端ADC之前完成波束賦形。
如果5G NR的天線數(shù)量進一步增加，使用數(shù)字式波束賦形，那么每個天線單元上都必須有一個DAC或者ADC。如果有100個天線單元，那么就要有100個DAC或者ADC；這就讓天線變得非常臃腫復雜，功耗也大大增加。如果使用模擬式波束賦形，由于多路信號其實是對一個輸入信號的相位或者振幅調(diào)整，只需要在波束賦形處理矩陣之前有1個DAC或者ADC即可，因此硬件設計非常的簡單。
5G新接口協(xié)議
在2G和3G早期基站的架構(gòu)，處理射頻信號的RRU和處理數(shù)字基帶信號的BBU都放在室內(nèi)。因為天線是掛在塔上，由于鐵塔一般情況下有個幾十米到100米高，所以饋線也得幾十到100米長。然而信號的傳送是有損耗的，饋線越長損耗越大，從基站到天線信號還沒發(fā)出去就已經(jīng)損耗掉了一多半。因此塔下的基站必須加大功率發(fā)射才能彌補這個損耗。這種架構(gòu)最顯著的特點就是復雜，功耗大。
在3G時代便誕生了一種新的構(gòu)架，就是分布式站點，在4G時代分布式站點的普及才使得問題有了徹底的改觀。BBU小巧精致功耗低，而RRU體積龐大功耗高，把功耗高的RRU也掛在塔上和天線放一起，這樣就不用很長的饋線連接了，損耗小了功耗自然也就降下來了，自然散熱就可以。這就是新的分布式站點架構(gòu)。
由于RRU和BBU分開離的很遠，連接和數(shù)據(jù)傳遞也會出現(xiàn)一定的問題。在2003年，由愛立信，諾西，阿朗，NEC，還有華為這幾個廠家發(fā)起，定義了通用公共無線電接口（CPRI）的協(xié)議，CPRI對其它組織和廠家開放。
CPRI是一種標準化協(xié)議，定義了無線基礎設施基站的射頻設備控制（REC）和射頻設備（RE）之間的數(shù)字接口。這實現(xiàn)了不同供應商設備的互操作性，保護了無線服務提供商的軟件投入。
CPRI接口
CPRI協(xié)議在BBU和RRU之間傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%B1%82/">物理層數(shù)據(jù)，不但包含了承載的數(shù)據(jù)，還含有大量物理層信息，并使這些信息分到了各個天線之上，數(shù)據(jù)量非常巨大。
在CPRI協(xié)議中定義了9中選項，最大速率可以達到12Gbps。
但是來到5G時代，新的應用場景需要，出現(xiàn)了Massive MIMO AAU，載波帶寬大幅度增加，對CPRI提出了更高的要求。如下100M 64天線的就需要速率高達172.8Gbps，這還只是Sub6G頻段。
對于毫米波段則有著更大的帶寬，這勢必要需要對CPRI進行升級，這就是eCPRI。在通信協(xié)議棧上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會層層加碼，越到物理層數(shù)據(jù)量越大，那就如下圖所示，把在BBU上處理的數(shù)據(jù)上移一層（High Phy往上的BBU處理），下面的交給RRU去處理（Low Phy往下的RRU處理），這樣BBU和RRU之間的數(shù)據(jù)量就少了，能大幅降低前傳帶寬，但是RRU的復雜度也會提高。
ECPRI接口
按照前面所說的100M載波帶寬加64天線為例，采用CPRI協(xié)議需要172.8Gbps的光口速率，而如果是eCPRI的話，僅需要24.3Gbps的光口速率，帶寬也僅為原先的14%。
在未來的5G發(fā)展進程中，eCPRI將會是主流，讓我們期待更多的應用的出現(xiàn)。
5G如何建立連接？
UE為了與網(wǎng)絡取得連接，需要使UE和網(wǎng)絡取得上下行同步，當UE解碼出SSB，就已經(jīng)取得了下行同步，為了建立上行同步和RRC連接，需要UE發(fā)起隨機接入，獲得上行授權(quán)（UL Grant），請求接入資源。這個過程我們叫做隨機接入，隨機接入是移動通信系統(tǒng)中非常重要的流程，也叫做RACH（Random Access Channel）。在5G NR中和LTE一樣同樣有兩種接入方式:
- 基于競爭的隨機接入（Contention Based Random Access）
- 基于競爭的隨機接入（Contention Free Random Access）
這里的“競爭”是什么意思呢？UE會以特定的模式發(fā)送PRACH Preamble，UE會隨機選擇其中的一個前導碼，當有多個UE的時候就會有可能出現(xiàn)多個UE選擇相同的前導碼，多個UE發(fā)送相同的前導碼同時到達基站的情況。這種沖突就是這里的所指的“競爭”。gNodeB使用競爭解決機制來處理這種類型的接入請求。
競爭隨機接入主要有四個流程，包括:
- Random Access Preamble（MSG1）
- Random Access Response（MSG2）
- Scheduled Transmission（MSG3）
- Contention Resolution（MSG4）
CBRA：基于競爭的隨機接入
步驟一：隨機接入前導碼傳輸（MSG1）
- UE向基站發(fā)送前導碼
步驟二：隨機接入響應（MSG2）
- 基站在收到前導碼后，為TC-RNTI、上行鏈路和下行鏈路調(diào)度資源；然后，通過PDSCH發(fā)送隨機接入響應。
步驟三：調(diào)度上行傳輸（MSG3）
- UE通過PUSCH發(fā)送上行鏈路調(diào)度信息。
步驟四：競爭解決（MSG4）
- 基站使用PDCCH上的C-RNTI或PDSCH上的UE競爭解決標識IE來幫助UE解決競爭的問題。
但是在某些情況下，競爭是不可接受的，基站會給UE分配前導碼，這樣就避免了競爭。這就是非競爭隨機接入。在基于非競爭的隨機接入中，基站分配的前導碼又稱為專用隨機接入前導碼。專用前導碼通過RRC信令（可以在RRC消息中指定分配前導碼）或PHY層信令（PDCCH上的DCI）提供給UE，不存在前導碼沖突。當專用資源不足時，基站指示UE啟動基于競爭的隨機接入。
非競爭隨機接入包括下面三個步驟：
- Random Access Preamble Assignment
- Random Access Preamble（MSG1）
- Random Access Response（MSG2）
步驟一：隨機接入前導碼分配
- 基站向UE分配隨機接入前導碼。
步驟二：隨機接入前導碼傳輸（MSG1）
步驟三：隨機接入響應（MSG2）
- 基站發(fā)送隨機接入響應。
隨機接入會應用到多個場景中，尤其是切換過程，RRC連接重建等流程中，下面是隨機接入的一些應用場景：
- 初始RRC連接和RRC連接重建：基于競爭的隨機接入；
- 切換過程：優(yōu)先選擇基于非競爭的隨機接入。如果所有專用資源都已經(jīng)使用，可以選擇基于競爭隨機接入；
- 下行數(shù)據(jù)到達：優(yōu)先選擇基于非競爭的隨機接入。如果所有專用資源都已經(jīng)使用，可以選擇基于競爭隨機接入；
- 上行數(shù)據(jù)到達：基于競爭的隨機接入；
- 當沒有SR的PUCCH資源可用時，RRC連接期間的上行數(shù)據(jù)到達：基于競爭的隨機接入；
- 調(diào)度請求失?。夯诟偁幍碾S機接入；
- 從RRC-Inactive到RRC-Connected：優(yōu)先選擇基于非競爭的隨機接入，如果專用資源都已經(jīng)使用，則選擇基于競爭的隨機接入；
- 請求其他SI：基于非競爭的隨機接入；
- 波束失敗恢復：優(yōu)先選擇基于非競爭的隨機接入，如果專用資源都已經(jīng)使用，則選擇基于競爭的隨機接入。
5G網(wǎng)絡切片
什么是網(wǎng)絡切片？它是一種按需組網(wǎng)的方式，可以讓運營商在統(tǒng)一的基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡切片從無線接入網(wǎng)承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應用。在一個網(wǎng)絡切片中，至少可分為無線網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片三部分。
我們知道5G主要有三大應用場景，其服務是多種多樣的，比如，車聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)自動化，遠程醫(yī)療，VR/AR等，這些不同的服務對網(wǎng)絡的要求不盡相同，有的需要低時延高可靠，有的需要高速率，有的需要多連接低移動性。5G網(wǎng)絡為了滿足這種多樣化的業(yè)務需求，就需要能夠?qū)⒕W(wǎng)絡劃分多個邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡具備不同的功能特點?？梢造`活的不同的服務，靈活部署不同的服務，這些虛擬網(wǎng)絡相互隔離，一旦發(fā)生故障不會影響其他虛擬網(wǎng)絡。因此，網(wǎng)絡切片就需要有以下特性：
- 端到端的完整性
- 按需定制的靈活性
- 安全性隔離性
在5G的三大應用場景中就是需要根據(jù)各自網(wǎng)絡對用戶數(shù)，QoS，帶寬等的不同要求，定義自己的通信服務切片。
當然，網(wǎng)絡切片不僅僅限于這三大應用場景，運營商可以根據(jù)不同的應用場景將物理網(wǎng)絡切出多個虛擬網(wǎng)絡，這有著很大的網(wǎng)絡價值。
下載ECAD模型
