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  • 大家好,我叫5G NR

    2018-04-20 15:13:35 sohu 傳感器技術mp  點擊量: 評論 (0)
    大家好,我叫5G NR,5G家族的一員。最近關于我的傳聞太多,言三語四之聲不絕于耳,為此本人今天終于鼓起勇氣走向前臺,揭開神秘的面紗,向...

    大家好,我叫5G NR,5G家族的一員。最近關于我的傳聞太多,言三語四之聲不絕于耳,為此本人今天終于鼓起勇氣走向前臺,揭開神秘的面紗,向大家做一個完整的自我介紹。

    5G部署選項

    一說到“部署選項”這事,說實話,我覺得自己有點“奇葩”。

    大家都知道我的前輩叫“4G”,4G系統(tǒng)構架主要包括無線側(即LTE)和網(wǎng)絡側(SAE),準確點講,這個4G系統(tǒng)構架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System,演進分組系統(tǒng)),EPS指完整的端到端4G系統(tǒng),它包括UE(用戶設備)、E-UTRAN(演進的通用陸地無線接入網(wǎng)絡)和EPC核心網(wǎng)絡(演進的分組核心網(wǎng))。

    ▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技術定義

    LTE雙連接不同于載波聚合,載波聚合發(fā)生于共站部署,而LTE雙連接可非共站部署,數(shù)據(jù)分流和聚合所在的層也不一樣。

    選項3指的是LTE與5G NR的雙連接(LTE-NR DC),4G基站(eNB)為主站,5G基站(gNB)為從站。

    但是,選項3的雙連接有一個缺點——受限于LTE PDCP層的處理瓶頸。

    眾所周知,5G的最大速率達10-20Gbps,4G LTE的最大速率不過1Gbps,LTE PDCP層原本不是為5G高速率而設計的,因此在選項3中,為了避免4G基站處理能力遭遇瓶頸,就必須對原有4G基站,也就是雙連接的主站,進行硬件升級。

    升級后的4G基站,或者說R15版本的4G基站,叫eLTE eNB,同時,遷移入5G核心網(wǎng)的4G基站也叫eLTE eNB,因為5G核心網(wǎng)引入了新的NAS層,這在后面會講到。e就是enhanced,增強版的意思。

    但一定有運營商不愿意對原有的4G基站升級,于是,3GPP就推出了兩個“變種”選項——選項3a和3x。

    嗯!總有一款套餐適合你!

    選項3a

    選項3a和選項3的差別在于,選項3中,4G/5G的用戶面在4G基站的PDCP層分流和聚合;而在選項3a中,4G和5G的用戶面各自直通核心網(wǎng),僅在控制面錨定于4G基站。

    你不是嫌升級4G基站麻煩嗎,這下我跳過4G基站得了。

    選項3x

    選項3x可謂選項3的一面鏡子。為了避免選項3中的LTE PDCP層遭遇處理瓶頸,其將數(shù)據(jù)分流和聚合功能遷移到5G基站的PDCP層,即NR PDCP層。

    選項2

    選項2就是獨立組網(wǎng),一次性將5G核心網(wǎng)和接入網(wǎng)一起”打包“邁進5G時代,與前4G網(wǎng)絡少有藕斷絲連的瓜葛。

    這種方式的優(yōu)點和缺點都很明顯。一方面,它直接邁向5G,與前4G少有瓜葛,所以減少了4G與5G之間的接口,降低了復雜性。

    另一方面,與選項3系列依托于現(xiàn)有的4G系統(tǒng)用5G NR來補盲補熱點的方式不同,選擇選項2的運營商背后一定隱藏著更大的野心——一旦宣布建設5G網(wǎng)絡,就意味著大規(guī)模投資,建成一個從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)完整獨立的5G網(wǎng)絡。

    選項7系列

    選項7系列包括7、7a和7x三個子選項,類似于選項3,可以把它看成是選項3系列的升級版,選項3系列連接LTE核心網(wǎng)(EPC),而選項7系列則連接5G核心網(wǎng),即“LTE assisted,5G CN Connected”,NR和LTE均遷移到新的5G核心網(wǎng)。

    選項4系列

    選項4系列包括4和4a兩個子選項。在選項4系列下,4G基站和5G基站共用5G核心網(wǎng),5G基站為主站,4G基站為從站。

    選項4系列要求一個全覆蓋的5G網(wǎng)絡,因而采用小于1GHz頻段來部署5G的運營商比較青睞這種部署方式,比如美國T-Mobile計劃用600MHz部署5G網(wǎng)絡。

    選項5

    選項5將4G基站連接到5G核心網(wǎng),與選項7類似,但沒有與NR的雙連接。

    也就是說,選擇選項5的運營商只考慮核心網(wǎng)演進到5G,但并不將無線接入網(wǎng)演進到5G NR。大概是為了減少投資,而又看好具備網(wǎng)絡切片能力的5G核心網(wǎng)吧!估計有些4G專網(wǎng)會喜歡這一部署方式吧!

    選項6

    已被3GPP殘忍拋棄,不再贅述。

    總結一下,運營商的5G部署路徑主要有三種方式:

    ①非獨立部署(NSA):LTE + 5G NR毫米波

    此種部署方式以美國Verizon和AT&T為代表,在現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡上部署5G NR毫米波來補充覆蓋熱點或部署5G固定無線。

    ②非獨立部署(NSA):LTE + 小于6GHz NR頻段

    此種部署方式可快速實現(xiàn)更好的5G NR覆蓋,但存在4G LTE和5G NR之間的接口和載波聚合等技術的復雜性。

    對于非獨立部署,演進路徑分為兩條:

    路徑一:選項3系列—>選項2:先部署5G無線接入網(wǎng),再部署5G核心網(wǎng),最后將5G無線接入網(wǎng)遷移到5G核心網(wǎng)。

    路徑二:選項3系列—>選項7系列或者選項5:先部署5G無線接入網(wǎng),再部署5G核心網(wǎng),最后將4G和5G無線接入網(wǎng)一起接入5G核心網(wǎng)。

    ③獨立部署

    就是直接部署一張完整的5G網(wǎng)絡,簡化了非獨立部署向5G核心網(wǎng)遷移的過程,復雜性較低,但更要求完整成熟的5G覆蓋和生態(tài)。

    5G NR頻譜

    上面提到的各種組合套餐,都離不開最重要的原材料——頻譜資源。

    5G NR如何定義和分配頻譜?

    與2/3/4G時代不同,5G頻譜分配的基本原則叫Band-Agnostic,即5G NR不依賴、不受限于頻譜資源,在低、中、高頻段均可部署。

    在R15版本中,定義了兩大FR(頻率范圍):

    FR1:

    • 450MHz 到 6000MHz

    • 頻段號從1到255

    • 通常指的是Sub-6Ghz

    FR2:

    • 從24250MHz到52600MHz

    • 頻段號從257到511

    • 通常指的是毫米波mmWave(盡管嚴格的講毫米波頻段大于30GHz)

    與LTE不同,5G NR頻段號標識以“n”開頭,比如LTE的B20(Band 20),5G NR稱為n20。

    目前3GPP已指定的5G NR頻段具體如下:

    FR1

    FR2

    我們再比較一下LTE的頻段分配:

    很明顯,一些LTE頻段也指定給了5G NR,但細心一點你還會發(fā)現(xiàn),在有些頻段號上,5G NR頻段在LTE 頻段上進行了合并或擴展,比如,LTE的B42 (3.4-3.6 GHz) 和B43 (3.6-3.8 GHz) 合并為5G NR的n78(3.4-3.8 GHz),且n77還進一步將其擴展到3.3-4.2GHz。

    原因有兩點:①滿足5G NR的大帶寬需求②滿足全球運營商在3.3-4.2GHz頻段內(nèi)的5G 部署需求。

    第①點不用解釋,大家都懂的,主要說說第②點原因。

    嗯!其實一張圖就看明白了:

    上圖是全球各國在C波段的可用頻段,可用頻段范圍參差不齊,而n77的頻段范圍剛好將其全部覆蓋,通吃!

    值得一提的是,在FR1中引入了SUL和SDL,即輔助頻段(Supplementary Bands),這是什么鬼?

    眾所周知,手機的發(fā)射功率低于基站發(fā)射功率,3.5GHz的覆蓋瓶頸受限于上行,工作于更低頻段的SUL(上行輔助頻段)就可以通過載波聚合或雙連接的方式與下行3.5GHz配和,從而補償3.5GHz上行覆蓋不足的瓶頸,這大概和華為提出的上下行解耦是一致的吧。

    問題來了,上面列了這么多5G NR頻段,先鋒頻段是哪些?

    主要有:n77、n78、n79、n28、n71。

    n77和n78,即C-BAND,是目前全球最統(tǒng)一的5G NR頻段。

    n79也可能用于5G NR,主要推動國家是中國、俄羅斯和日本。

    n28就是傳說中的700MHz,由于其良好的覆蓋性,同樣是香餑餑,在WRC-15上已經(jīng)確定該頻段為全球移動通信的先鋒候選頻段,如果這段頻段不能充分利用,實在是太可惜了。

    n71就是600MHz,目前美國運營商T-Mobile已宣布用600MHz建5G。

    關于毫米波頻段,美國、日本和韓國正在試驗5G 28GHz毫米波頻段,初期要實現(xiàn)5G固定無線接入代替光纖入戶的最后幾百米。

    不過,目前美日韓的28GHz并不在ITU WRC(世界無線電通信大會)考慮范圍之內(nèi),盡管3GPP列入了這一頻段(n257),但最終還需要ITU批準。

    至于n258,研究稱該頻段可能會影響衛(wèi)星通信系統(tǒng),或將因為要考慮足夠的保護頻帶而進行調(diào)整。

    5G NR物理層

    如此一來,子載波間隔可隨著其工作頻段和UE的移動速度變化而變化,最小化多普勒頻移和相位噪聲的影響。

    CP長度:

    CP長度是CP開銷和符號間干擾ISI之間的權衡——CP越長, ISI越小,但開銷越大,它將由部署場景(室內(nèi)還是室外)、工作頻段、服務類型和是否采用采用波束賦形技術來確定。

    每TTI的符號數(shù)量:

    這是時延與頻譜效率之間的權衡——符號數(shù)量越少,時延越低,但開銷越大,影響頻譜效率,建議每個TTI的符號數(shù)為2^N個,以確保從2^N到1個符號的靈活性和可擴展性,尤其是應對URLLC場景。

    總而言之,不同的Numerologies滿足不同的部署場景和實現(xiàn)不同的性能需求,比如,子載波間隔越小,小區(qū)范圍越大,這適用于低頻段部署;子載波間隔越大,符號時間長度越短,這適合于低時延場景部署。

    幀結構

    甭管你怎么組合,采用哪種Numerologies,5G無線幀和子幀的長度都是固定的——一個無線幀的長度固定為10ms,1個子幀的長度固定為1ms,這與LTE是相同的,從而更好的保持LTE與NR間共存,利于LTE和NR共同部署模式下時隙與幀結構同步,簡化小區(qū)搜索和頻率測量。

    不同的是,5G NR定義了靈活的子構架,時隙和字符長度可根據(jù)子載波間隔靈活定義。

    所以,我們簡單將5G幀結構劃分為由固定結構和靈活結構兩部分組成(如下圖)。

    這就好比建房子,框架結構定好了,里面的空間可根據(jù)自己需要靈活布置。

    物理信道帶寬

    在小于6GHz頻段(FR1)下,5G NR的最大信道帶寬為100MHz,在毫米波頻段(FR2),5G NR的最大信道帶寬達400MHz,遠遠大于LTE的最大信道帶寬20MHz。

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

    如何理解5G NR帶寬利用率提升?

    做一道計算題:

    10MHz的4G信道有50個RB,每個RB有12個子載波,那么10MHz 4G信道總共600個子載波。由于每個子載波有15kHz的間隔,15*600就等于9000kHz或9MHz,這意味著在10Mhz的信道中,只有9MHz被利用,而大約1MHz被留下作為保護頻帶,所以LTE的帶寬利用率只有90%。

    以此類推,20MHz的4G信道有100個RB,它僅使用了20MHz帶寬中的18MHz;50MHz的4G信道有250個RB...

    猜猜看,50MHz的5G信道有多少個RB呢?275個。

    如下圖,這是在不同的Numerologies下,不同的子載波間隔對應的最小和最大RB數(shù)計算表:

    調(diào)制方式

    5G NR用戶面

    4G LTE用戶面協(xié)議棧由PDCP、RLC和MAC層組成,其廣泛支持從低速物聯(lián)網(wǎng)終端到可達1Gbps的高速高端終端,為移動互聯(lián)網(wǎng)和4G蜂窩物聯(lián)網(wǎng)時代立下汗馬功勞。

    5G NR用戶面協(xié)議棧基于LTE設計,但時代不同,當然有差異。

    首先它引入了新的SDAP層,SDAP全稱Service Data Adaptation Protocol,這個SDAP層很有意思,我們趕緊來介紹一下。

    我們依稀還記得,網(wǎng)優(yōu)雇傭軍曾經(jīng)在2016年的時候吐過一次槽(不好意思,沒控制住),大意是講我們的無線網(wǎng)絡不具備洞悉流量的能力,痛失實時改善用戶體驗的機會。

    5G以用戶為中心,無非就是改善用戶體驗,當然要談及QoS。但大家都知道的,4G網(wǎng)絡的QoS是由核心網(wǎng)發(fā)起的、以承載為基本粒度的,而無線接入網(wǎng)不過是執(zhí)行核心網(wǎng)的強制策略,就是一個打工的。

    這樣的QoS機制缺點突出,QoS等級數(shù)量有限,無法實時調(diào)整,面向繽紛復雜的未來應用,這種預定義式的QoS方式太粗獷且缺乏靈活性。

    5G在這方面向前邁進了一大步。5G核心網(wǎng)支持基于IP流而不是EPS承載的QoS控制,從而實現(xiàn)更靈活和更精細的QoS控制。

    具體的講,它通過5G 核心網(wǎng)和基站之間單獨的PDU對話隧道來實現(xiàn)多個IP流的獨立無線承載映射,在PDCP層之上引入SDAP層,SDAP層執(zhí)行IP流和無線承載之間的映射。在SDAP層,在封裝IP包時,IP頭包含這些數(shù)據(jù)包的QoS標識符 (QFI)。

    新引入的SDAP層首次實現(xiàn)了真正的端到端的QoS機制。

    另外值得一提的是——PDCP層分集傳輸。

    5G要支持URLLC場景,要實現(xiàn)超可靠低時延通信,但是,無線信號變化莫測,用戶行為捉摸不定,無線信號質(zhì)量的惡化和基站的擁塞均受制于各種不可控因素,要想實現(xiàn)穩(wěn)定的傳輸可靠性真的好難啊。

    怎么辦呢?那就通過載波聚合和多連接技術,使用頻率分集的方式來實現(xiàn)對單個終端的傳輸可靠性。

    如上圖所示,數(shù)據(jù)包在PDCP層處理和復制,并通過每個RLC層,再通過相關的CC發(fā)送,接收端處理較早到達的數(shù)據(jù)包,同時拋棄較晚到達的復制的數(shù)據(jù)包。

    簡而言之,就是在多個無線鏈路上傳輸相同的數(shù)據(jù)的方式,來抵御無線環(huán)境惡化帶來的影響,保障通信鏈路的可靠性。

    5G NR控制面

    5G NR控制面使用的RRC協(xié)議基本與LTE一致,作為無線資源控制層,RRC負責連接管理、接入控制、狀態(tài)管理、系統(tǒng)信息廣播等功能。如下圖所示:

    首先在RRC狀態(tài)上,與LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED兩種RRC狀態(tài)不同,5G NR引入了一個新狀態(tài)——RRC INACTIVE。

    新引入RRC INACTIVE狀態(tài)與3G的CELL_PCH差不多,其目的是降低連接延遲、減少信令開銷和功耗,以適應未來各種物聯(lián)網(wǎng)場景。

    在RRC INACTIVE狀態(tài)下,RRC和NAS上下文仍部分保留在終端、基站和核心網(wǎng)中,此時終端狀態(tài)幾乎與RRC_IDLE相同,因此可更省電,同時,還可快速從RRC INACTIVE狀態(tài)轉移到RRC CONNECTED狀態(tài),減少信令數(shù)量。

    其次,在系統(tǒng)廣播上,為了提高系統(tǒng)信息的資源使用效率,5G NR引入了點播功能,這意味著它不必像LTE基站一樣要一直廣播所有的系統(tǒng)信息,而是以按需的方式以指定的系統(tǒng)信息通知指定的終端。

    第三點值得一提的是,對于非獨立部署,5G NR將RRC協(xié)議功能擴展了,以支持LTE-NR雙連接中的RRC獨立連接和RRC分集。

    RRC獨立連接:在4G時代的LTE雙連接中,僅主站負責與手機之間的RRC連接,而在LTE-NR雙連接中,從站(即5G基站)也可負責與手機之間的RRC連接(如下圖)。

    RRC分集是指主站的RRC消息可以被復制,并通過主站和從站向手機發(fā)送相同的消息,以RRC分集的方式提升手機接收RRC消息的成功率,以提升信令傳輸?shù)目煽啃裕ㄈ缦聢D)。

    最后好像應該展望一下未來吧,自我介紹應該是這樣的。

    3GPP R15版本不過是5G技術之路的第一步,其主要是為了支持初期的eMBB和部分URLLC場景,未來還要支持更多的用例和垂直應用,未來還有更多的項目去研究。

    比如,需討論SCMA、PDMA、MUSA、NCMA、NOCA、GOCA、IDMA、IGMA、RDMA...等等…各大廠家提出的各種多址方案,名字都快數(shù)不過來了。

    還有自回傳、未授權頻譜5G NR、應用于車聯(lián)網(wǎng)的V2X、5G衛(wèi)星通信接入、應用于無人機打開數(shù)字化天空的非地面網(wǎng)絡等等。

    未來很長,夢想很大,5G才剛上路。

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    責任編輯:售電衡衡

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