5G NR标準：下一代無線通信技術
5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology
埃裡克·達爾曼（Erik Dahlman）
［瑞典］ 斯特凡·巴克浮（Stefan Parkvall） 著
約翰·舍爾德（Johan Sk?ld）
朱懷松 王 劍 劉 陽 譯
第1章
5G概述
過去40年，世界見證了四代移動通信系統的發展。
第一代移動通信始于1980年左右，使用的是模拟傳輸，主要技術有北美制定的AMPS（Advanced Mobile Phone System，進階行動電話系統）、北歐國家的公共電話網絡營運商（當時由政府控制）聯合制定的NMT（Nordic Mobile Telephony，北歐行動電話），以及在英國等地使用的TACS（Total Access Communication System，全接入通信系統）。基于第一代技術的移動通信系統隻限于提供語音服務，不過，這是曆史上行動電話首次可供普通群眾使用。
第二代移動通信出現于20世紀90年代早期，其特點是在無線鍊路上引入了數字傳輸。雖然其目标服務仍然是語音，但是數字傳輸使得第二代移動通信系統也能提供有限的資料服務。最初存在幾種不同的第二代技術，包括由許多歐盟國家聯合制定的GSM（Global System for Mobile communication，全球移動通信系統）、D-AMPS（Digital AMPS，數字進階行動電話系統）、由日本提出并且僅在日本使用的PDC（Personal Digital Cellular，個人數字蜂窩），以及稍後發展出來的基于CDMA的IS-95技術。随着時間的推移，GSM從歐洲擴充到世界，并逐漸成為第二代技術中的絕對主導。正是由于GSM的成功，第二代系統把行動電話從一個小衆用品變成了一個世界上大多數人使用的、成為生活必需品一部分的通信工具。即使在今天，盡管第三代和第四代技術已經問世，在世界的許多地方GSM仍然起着主要作用，在某些情況下甚至是唯一可用的移動通信技術。
第三代移動通信，通常稱為3G，出現于2000年初期。3G是朝着高品質移動寬帶邁出的真正一步，尤其是借助于稱為3G演進的HSPA（High Speed Packet Access，高速資料包接入）[21]技術，無線網際網路的快速接入成為可能。此外，相對于早期的基于頻分雙工（Frequency-Division Duplex，FDD）對稱頻譜的移動通信技術（即網絡到終端和終端到網絡的鍊路各自使用不同的頻譜，見第7章），3G首次引入了非對稱頻譜的移動通信技術，它基于由中國主推的基于時分雙工（Time Division Duplex，TDD）的TD-SCDMA技術。
從過去的幾年到現在，作為主導的是以LTE技術[28]為代表的第四代移動通信。在HSPA的基礎之上，LTE提供更高的效率和增強的移動寬帶體驗，即終端使用者的資料速率更高。這有賴于能提供更大傳輸帶寬的基于OFDM的傳輸技術以及更先進的多天線技術。此外，相對于3G支援一種特殊的非對稱頻譜工作的無線接入技術（TD-SCDMA），LTE支援在一個通用的無線接入技術之中實作FDD和TDD工作，即對稱和非對稱頻譜的工作。這樣，LTE就實作了一個全球統一的移動通信技術，适用于對稱和非對稱頻譜以及所有移動網絡營運商。在第4章裡，我們還會詳細讨論LTE的演進是如何把移動通信網絡的範圍擴充到非授權頻譜的。
圖1-1展示了移動通信系統的發展史。
1.1 3GPP和移動通信的标準化
移動通信成功的關鍵是存在被許多國家認可的技術規範和标準。這些規範和标準保證了不同廠家生産的終端和裝置的可部署性和互操作性，以及終端在全球範圍内的可用性。
正如之前提到的，第一代NMT技術就是由多個國家共同制定的，使得終端及其簽約使用在這幾個北歐國家範圍内都能有效工作。接下來的GSM移動通信技術規範和标準的制定也由歐洲的許多國家共同完成。相關工作在CEPT進行，CEPT後來改名為ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信标準組織）。是以從一開始，GSM終端及簽約服務就能在很多國家正常工作，涵蓋了大量的潛在使用者。這個巨大的共同市場對終端有極大的需求，催生了五花八門的手機品牌，大大降低了終端的價格。
不過，随着3G技術規範，特别是WCDMA的制定，邁出了制定真正的全球性移動通信标準的腳步。一開始，3G技術标準的制定工作也基于區域分别在歐洲（ETSI）、北美（TIA，T1P1）、日本（ARIB）等地進行。然而，GSM的成功已經表明技術覆寫廣度的重要性，特别是終端的通用性和成本方面。而且越來越清楚的是，雖然不同的地區性标準化組織都在分别進行自己的工作，但是研究的技術具有很多相似性。特别是歐洲和日本，都在研究不同的，但非常類似的WCDMA（Wideband CDMA，寬帶CDMA）技術。
最終，在1998年，各個區域性标準化組織走到一起，成立了3GPP（Third-Generation Partnership Project，第三代合作夥伴項目），其目标是基于WCDMA來完成3G技術規範的制定。稍後，一個平行的組織（3GPP2）也成立了，其任務是制定3G技術的替代技術——cdma2000，作為第二代IS-95的演進。這兩個有着各自3G技術（WCDMA和cdma2000）的組織（3GPP和3GPP2）随後共存了許多年。不過，随着時間的推移，3GPP完全占據主導，并且進一步延伸到4G和5G技術的制定，盡管名字還是保持為3GPP。今天，3GPP是世界上制定移動通信技術規範的唯一重要組織。
1.2 下一代無線接入技術——5G/NR
關于5G移動通信的讨論開始于2012年左右。在許多讨論中，5G這個術語指的是特定的、新的5G無線接入技術。不過，5G也常常用在更寬泛的語境中，意指未來移動通信能夠支援的、可預見的大量新的應用服務。
1.2.1 5G應用場景
談到5G，一般常會提到三種應用場景：增強的移動寬帶通信（eMBB），大規模機器類型通信（mMTC），以及超可靠低延遲時間通信（URLLC）（參見圖1-2）。
- eMBB大緻是指今天的移動寬帶服務的直接演進，它支援更大的資料流量和進一步增強的使用者體驗，比如，支援更高的終端使用者資料速率。
- mMTC指的是支援大量終端的服務，比如遠端傳感器、機械手、裝置監測。這類服務的關鍵需求包括：非常低的終端造價，非常低的終端能耗，超長的終端電池使用時間（至少要達到幾年）。一般而言，這類終端每台隻消耗和産生相對來說比較小的資料量，是以不需要提供對高資料速率的支援。
- URLLC類服務要求非常低的時延和極高的可靠性，這類服務的執行個體有交通安全、自動控制、工廠自動化。
需要指出的是，5G應用場景分成這三個不同的類别在某種程度上是人為的，主要目的是為了簡化技術規範的需求定義。在實際當中會有許多應用場景不能精确地歸入這三類之中。比如，可能會有這樣的服務，它需要非常高的可靠性，但是對于時延要求不高。還有的應用場景可能要求終端的成本很低，但并不需要電池的使用壽命非常長。
1.2.2 LTE向5G演進
LTE技術規範的第一個版本是在2009年提出的。之後，LTE不斷演進以提供增強的性能和擴充的能力。這包括對移動寬帶的增強、支援更高的實際可達到的終端使用者資料速率以及更高的頻譜效率。它還包括擴充LTE的應用場景，特别是支援配有超長使用時長電池的低成本終端，類似于大規模MTC的應用。最近LTE在減少空口時延方面也有重要
進展。
通過這些已完成的、正在進行中的以及未來的演進，LTE将會支援5G的很多應用場景。從一個更廣的角度來看，5G不是一個特定的無線接入技術，而是由所支援的應用場景來定義，是以LTE應該被看作是5G整個無線接入解決方案的一個重要組成部分，參見圖1-3。雖然講解LTE演進不是本書的主要目的，但第4章将會對LTE演進的目前狀态做一個概述。
1.2.3 NR——新的5G無線接入技術
盡管LTE是一個強有力的技術，但是5G的某些需求是LTE及其演進無法滿足的。事實上LTE肇始于十幾年前，在這十幾年裡又出現了許多更先進的技術。為了滿足這些需求并且發揮新技術的潛能，3GPP開始制定一種新的無線接入技術，稱為NR（New Radio，新空口）。2015年秋天舉行的一次研讨會确定了NR的範圍，具體的技術工作則開始于2016年春季。NR标準的第一個版本完成于2017年年底，這是為了滿足2018年進行5G早期部署的商業需求。
NR借用了LTE的很多結構和功能。但是，作為一種新的無線接入技術，NR不需要像LTE演進那樣考慮向後相容的問題。NR的需求也要比LTE的需求更多更廣，因而技術解決方案也會有所不同。
第2章讨論了與NR有關的标準化活動，第3章是對頻譜的概述，對LTE及其演進的簡要描述在第4章。本書的主要部分（第5～19章）提供了一個對目前NR技術标準狀态的較長的描述，第20章是對NR未來發展的一個展望。
1.2.4 5GCN——新的5G核心網
除了定義NR這一新的5G無線接入技術，3GPP也定義了一個新的5G核心網，稱作5GCN。新的5G無線接入将連接配接到5GCN。不過，5GCN也能為LTE的演進提供連接配接。同時，當NR和LTE運作在所謂的非獨立組網模式（non-standalone mode）下時，NR也可以連接配接到傳統的EPC核心網，第6章将對此做進一步的描述。