5G NR實體層技術詳解：原理、模型群組件
5G Physical Layer: Principles, Models and Technology Components
[瑞典] 阿裡紮伊迪（Ali Zaidi）
弗雷德裡克·阿斯利（Fredrik Athley）
喬納斯·梅德博（Jonas Medbo）
烏爾夫·古斯塔夫松（Ulf Gustavsson）
朱塞佩·杜裡西（Giuseppe Durisi）
[中] 陳曉明（Xiaoming Chen）
劉陽 李蕾 張增潔 譯
第1章 緒論：5G無線接入
資訊和通信技術（Information and Communication Technologies，ICT）為社會上的幾乎每個領域都帶來了頻繁的創新。不斷增長的資訊即時傳輸和處理能力給社會上的各個方面都帶來了變化：網上購物、社互動動、專業網絡、媒體分發、網上學習、即時資訊通路、遠端觀看直播、音頻和視訊溝通、虛拟辦公室和虛拟辦公等。各行各業都受益于資訊和通信技術的發展，它們帶來了本行業流程和業務模式的改進。
第五代（5G）移動通信預計将極大地擴充移動網絡的能力。5G系統在各種領域引入了新的技術和功能—無線接入、傳輸、雲、應用以及管理系統。這些先進技術不僅針對傳統的移動寬帶使用者，而且将新興的機器類型使用者納入其中，這樣可以為消費者和整個行業提供新的更優質的服務，進而釋放出物聯網（Internet of Things，IoT）、虛拟和增強現實應用的潛力。基于最新的針對10個不同的行業的調查報告顯示，到2026年，由5G技術推動所帶來的全球收入将達到1.3萬億美元（參照圖1-1中各個行業的收入）。到2023年，預計将有35億的蜂窩IoT連接配接。
任何移動通信系統的骨幹都是它的無線接入技術，它将終端與無線基站連接配接起來。因為大多數社會和行業應用都在期盼5G革新能夠滿足它們的特定需求，這就為5G無線網絡接入的設計帶來了很大的挑戰。5G無線接入技術需要提供極高的資料速率、無縫覆寫、超級可靠性、極低延遲時間、高能效以及大規模異構連接配接。以人為中心的新興應用包括增強現實、虛拟現實和線上遊戲—這些都需要極高的吞吐量和低延遲時間。大規模機器類型通信又分為兩種：大規模IoT（massive IoT）和關鍵IoT（critical IoT）。大規模IoT的特性是大量低成本的終端連接配接：每個終端資料量小并且續航時間長，以及滿足深入覆寫（比如地下或者偏遠地區）。這種應用常見于智能建築、公用事業、運輸物流、農業和車隊管理。關鍵IoT的特點是超可靠性和極低延遲時間連接配接性，比如支援自動駕駛汽車、智能電網、機器人手術、交通安全和工業控制。
本書關注的是即将到來的5G無線接入技術并且側重于實體層。本章概述5G無線接入技術以及全球發展的狀況。我們從1.1節移動通信曆史簡述開始，1.2節介紹了5G無線接入技術。在1.3節，我們提供了一個5G無線接入的全景圖—頻譜配置設定、标準化、應用案例及其要求、外場試驗以及未來的商用部署。1.4節提供了本書的預覽。
1.1 移動通信的演進
1946年，美國聯邦通信委員會（FCC）準許了第一個行動電話服務營運商AT&T（自1947年開始營運）。當時裝置笨重，因為重量大、耗電極高，這些裝置必須安裝在車内。自此，經過30多年的技術演進，蜂窩通信技術從模拟轉向了數字模式，從以語音業務為主演進到了高速資料通信。
自20世紀80年代中期開始，第一代（1G）蜂窩通信主要承載語音業務，主要模式有：在美國應用的先進行動電話系統（Advanced Mobile Phone System，AMPS）和在斯堪的納維亞使用的北歐行動電話（Nordic Mobile Telephone，NMT）。這些模拟模式在20世紀90年代中後期被最初的數字通信系統（歐洲的全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）和美國的數字AMPS）所取代，自此進入2G時代。此時，短消息服務（Short Message Service，SMS）被引入，成為蜂窩通信第一個廣泛使用的非語音應用。到21世紀初出現了增強的2.5G：增強型資料速率GSM演進（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）、通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）和碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），引發了移動資料通信應用和早期蜂窩網際網路連接配接。這是早期的嘗試，而且需要特定的協定—無線應用協定（Wireless Application Protocol，WAP）支援。
從2G向3G演進是為了滿足蜂窩接入資料速率日益增長的需求，基于寬帶CDMA（WCDMA）的通用移動電信系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）技術由第三代合作夥伴項目（third Generation Partnership Project，3GPP）于2000年左右推出。移動使用者裝置技術的發展，使得使用者不僅可以使用多媒體資訊服務（Multimedia Message Service，MMS）進行通信，而且可以享受視訊流服務。當發展到4G時，引入了長期演進（Long Term Evolution，LTE），這不僅帶來空口的重大改變，而且從碼分複用轉到正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）以及時分雙工（Time Division Duplex，TDD）或者頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）。
進入4G時代後，早期主要有兩種競争技術。基于IEEE 802.16m的全球微波互聯接入（Worldwide inter-operability for Microwave Access，WiMAX）以及作為LTE擴充的LTE Advanced。LTE-A引入了多種技術元件，比如載波聚合、對協作多點（Coordinated MultiPoint，CoMP）傳輸支援的改進，以及用于改善熱點服務品質（Quality of Service，QoS）和提升小區邊緣使用者覆寫的異構網絡（HetNet）部署。作為當今占主導地位的蜂窩接入技術，LTE-A成為過渡到5G移動通信的基礎。從4G到5G過渡的靈感來自新的跨多個行業的以人為中心和以機器為中心的服務的啟示。
1.2 5G新的無線接入技術
5G無線接入使網絡社會成為可能，其中資訊可以在任何時候任何地點被任何人任何物通路并且共享。5G應該能為任何可以受益于連接配接的事物提供無線連接配接。為建立真正的網絡社會，有三個主要的挑戰：
- 連接配接終端數量的大幅增長。
- 業務量的大幅增長。
- 具有不同需求和特性的廣泛的應用場景。
為了應對這些挑戰，5G無線接入不僅需要增加新的功能，還需要更多頻譜和更寬的頻段。
圖1-2說明了現有（2G、3G、4G）和未來（5G）移動通信系統的工作頻率範圍。目前蜂窩系統工作在6 GHz以下。在毫米波頻段（30～300 GHz）有大量的可用頻譜，然而目前還沒有在毫米波頻率運作的商用移動通信系統。4G LTE僅設計為工作在低于6 GHz的頻率下。有一些基于IEEE 802.11ad 和802.15.3c标準的區域網路和（絕大部分）室内通信系統工作在60 GHz非授權頻段。IEEE 802.11ay（IEEE 802.11ad的一個後續版本）正在制定中。3GPP目前正在制定一個新的無線接入全球标準—5G新空口（New Radio，NR），可以工作在從低于1 GHz直到100 GHz的頻率範圍内。5G NR必須釋放出新的頻率和新的功能以支援不斷增長的以人為中心及以機器為中心的應用。
5G無線接入的願景如圖1-3所示。5G無線接入包括了5G NR和LTE演進。LTE正在持續演進以滿足不斷增長的5G需求。LTE向5G的演進被稱為LTE Evolution[13]。LTE運作于低于6 GHz的頻段，而NR的工作頻段覆寫了從低于1 GHz到高達100 GHz的範圍。5G NR經過優化，具有卓越的性能；它不再向後相容LTE，這意味着傳統的LTE終端将無法接入5G網絡。但是，一個緊密內建的NR和LTE演進的系統将會提供NR和LTE業務的高效聚合。
1.3 5G NR全景視圖
5G無線接入技術（從2016年開始被稱為5G NR）的研究和概念發展大約開始于十年前，受新的鼓舞人心的應用和商業案例所激勵。對5G研究的努力和投入讓我們看到5G的測試床不僅出現在産業界，也出現在很多大學校園。和前幾代蜂窩系統一樣，5G NR也是基于全球的共同努力和協作—在全球或者地區層面讨論新的5G NR頻譜劃分，并且基于國際電信聯盟（International Telecommunications Union，ITU）定義的5G需求，3GPP制定了全球化的5G NR标準。為了全面了解5G NR的發展情況，接下來我們将讨論和介紹頻譜配置設定和監管、标準化程序、主要用例及其要求、一些預商用試驗和預期的商用部署。
1.3.1 5G标準化
NR 和LTE規範是由3GPP開發的。3GPP是由來自亞洲、歐洲和北美的7個地區和國家标準化組織（ARIB、ATIS、CCSA、ETSI、TSDSI、TTA和TTC）聯合成立的。3GPP産生技術規範，然後由标準化組織轉為标準。3GPP成立于1998年，最初目的是為第三代（3G）移動通信開發全球适用的規範。自此之後，3GPP的範疇不斷擴大，目前包括發展和維護第2代（2G）GSM、第3代（3G）WCDMA/HSPA、第4代（4G）LTE和第5代（5G）NR/LTE Evolution的規範。
國際射頻（Radio Frequency，RF）頻譜由國際電信聯盟無線通信部（ITU-R）管理。ITU-R還負責将技術規範（比如從3GPP）轉換為國際标準，包括沒有包含在3GPP标準化組織中的國家。ITU-R還為國際移動電信（International Mobile Telecommunications，IMT）系統定義頻譜。IMT系統與3G往後的不同代的移動通信系統相對應。3G和4G技術分别包含在IMT-2000和IMT-Advanced推薦技術中。ITU-R新推薦給5G的是IMT-2020，計劃在2019—2020年開發。
ITU-R自己不産生詳細的技術規範，而是和各個地區的标準化組織合作制定滿足IMT技術的要求。真正的技術是由其他組織（比如3GPP）開發的，并且送出給ITU-R作為IMT技術候選方案。該技術根據指定的要求進行評估，然後被準許為IMT技術方案。ITU-R為特定的IMT系統的無線接口技術規範推薦無線接口技術并且提供相應的詳細規範，該規範由相應的标準化組織維護。IMT-2000無線接口候選規範包括六種不同的無線接口技術，而IMT-Advanced隻包含兩種。與前幾代不同，對于5G，不期望送出存在競争的技術作為IMT-2020的候選，而僅僅送出基于3GPP的技術。3GPP将LTE Evolution和NR一起送出給IMT-2020作為候選系統。
大約每隔十年，無線通信就會出現一代新技術。但是，各個系統還會繼續自己的演進步伐，不斷增加新的功能。3GPP規範被分為不同的版本（release），每一個版本包括完整的規範和該版增加的新功能。這意味着一個特定的版本包括了組建一個完整蜂窩網絡需要的所有元件，而不僅僅是新增加的功能。當一個版本完成時，功能就會當機并且正式釋出用于實作。當一個版本被當機後，隻允許必要的修正。更多新功能提議隻能進入下一個版本。不同版本的工作會有重疊，是以常常是在目前版本工作進行中，新版本的工作已經開始。版本必須向後相容，這樣基于某一個版本開發的使用者裝置（User Equipment，UE）就可以在基于前一個版本實作的小區中使用。LTE的第一個版本是屬于3GPP release 8規範的一部分。LTE release 10又稱為LTE-Advanced，因為它被ITU-R準許為IMT-Advanced技術。市場上将LTE release 13稱為LTE-Advanced Pro。
3GPP的日常工作分為研究項目和工作項目。研究項目專注于概念的可行性研究，研究結果彙總于技術報告（Technical Report，TR）。研究項目結論達成一緻後将在工作項目中做更詳細的标準化工作，會定義特性并且最終寫進技術規範（Technical Specification，TS）。3GPP的技術規範分成多個系列，編号遵循TS XX.YYY，其中XX定義了系列。NR的無線規範是38系列。所有3GPP釋出的規範都在www.3gpp.org 公開釋出。
3GPP組織層面包含三個技術規範組（Technical Specification Group，TSG），TSG無線接入網絡（Radio Access Network，RAN）負責無線接入規範。TSG RAN又包括6個工作組（Working Group，WG），其中RAN WG1負責實體層技術規範。WG一年開四次TSG全體成員會議。3GPP基于成員共識做出決定。
圖1-4給出了ITU和3GPP的時間表以及預期的5G商用裝置開發計劃。5G NR的标準化工作始于2016年4月的3GPP全會，目标是在2020年之前可以商用。3GPP采用分階段的方法來制定5G規範。第一個标準化階段是包含有限的NR功能的NR release 15，到2017年年底完成非獨立組網（Non-Stand-Alone，NSA）的工作，到2018年中期完成獨立組網（Stand-Alone，SA）的工作。第二個标準化階段是NR release 16，預期将滿足所有IMT-2020的要求并計劃在2019年完成。
目前5G标準化程序正在加速，5G預商用試驗也在全球展開。基于release 15規範，遵從3GPP的基站和終端已經在開發中。商用部署預期分為兩個階段。第一階段NR商用部署預期在2019年，基于release 15規範。第二階段NR商用部署将于2021年開始，基于release 16規範。可以預見的是，2020年之後3GPP還将繼續NR規範的演進，産生包含更多功能和特性的一系列新版本的規範。
1.3.2 5G頻譜
從前幾代移動通信進入到5G的一個主要變化就是将使用很高頻率的頻譜—毫米波範圍頻譜。3GPP已經決定從第一個NR版本開始就支援從低于1 GHz到高達52.6 GHz範圍的頻譜[12]。這個變化最主要的原因是能得到大量的有幾個GHz的超寬帶頻譜。雖然毫米波頻譜看起來非常誘人，但是也面臨衆多挑戰:
- 如果不使用多天線和波束賦形技術，傳輸損耗将大幅增加。
- 射頻硬體性能下降，如相位噪聲和輸出功率。
- 沒有未使用的頻譜，意味着必須和其他系統（比如衛星系統）共存，必須確定将幹擾水準控制在可接受的範圍之内。
是以，5G NR在3GPP中被設計為可在全頻帶内靈活使用。低頻段和高頻段使用相結合來提供可靠的覆寫（利用比如低于6 GHz的頻率），并且可以提供非常高的容量和比特率（當存在毫米波覆寫時）。
圖1-5給出了5G的頻譜概況。3 300～3 600 MHz頻段是由ITU-R在世界無線電通信大會（World Radiocommunication Conference，WRC）-15指定的全球IMT頻段。在WRC-19會議上通過了6 GHz以上頻譜的全球規劃。6 GHz以下有大量額外的地區性頻譜。除了28 GHz和65 GHz之外，高于6 GHz的地區性頻譜大部分和全球5G頻段重合。很明顯6 GHz以下的頻譜比較緊缺，是以需要6 GHz以上的頻譜資源來滿足5G的需求。在5G的早期部署中，低于6 GHz的頻段如600～700 MHz、3 300～4 200 MHz以及4 400～5 000 MHz都在考慮之列。除了3 300～3 600 MHz頻段已經被WRC-15指定為全球IMT頻段之外，其他頻段将納入地區性法規。
在歐洲，早期部署集中在3 600～3 800 MHz頻段。美國、日本、南韓和中國都在3 300～4 200 MHz上選擇了不同的頻段來進行早期5G部署，3GPP也為這段頻段開發了相應的規範。
目前主要由中國和日本提倡使用4 400～5 000 MHz這段頻譜，這段頻譜有潛在的可能會被亞太地區的其他國家使用。
盡管600～700 MHz頻段帶寬有限，但是因為傳輸損耗很低，不需要先進的多天線技術也可以提供很好的網絡覆寫。在700 MHz頻段已經有LTE的頻譜規劃，這些頻段到2020年或之後可以遷移到5G。而且，美國已确定将614～698 MHz用于移動通信。
在IMT配置設定6 GHz以上頻譜程序中，WRC-15會議決定對處于24.5～86 GHz範圍内的11個頻段進行研究，并且将在WRC-19會議上做出決定。ITU-R估計5G的頻譜需求将達到20 GHz。目前的狀況是大部分頻譜已經被配置設定，這些頻譜資源很難隻供IMT使用，是以必須考慮共存。出于這個原因，在WRC-19會議之前關于頻譜研究的很重要的一個方面就是評估哪些頻段适合與現有系統共存，比如與衛星系統共存。
IMT和地球上其他系統間的幹擾，在空中或者空間裡，主要是遠距離的。是以，研究主要是針對多個IMT發射機聚合的情況。在此種情況下，對天線在特定方向的指向性和增益進行平均化處理，等效為有效全向輻射。對于基站來說，輻射角度集中在下傾角方向。
為了更準确地确定IMT系統和其他系統之間的信号幹擾，就需要合适的傳播模型。ITU-R第三研究組提供了推薦模型。早期推薦的模型（詳見P.619、P.2041、P.1409、P.452、P.2001 等）考慮了大氣傳播路徑、地球傳播路徑和WRC-19考慮的全頻段。但是在模組化中缺失了兩個重要的情況，沒有考慮以下情況帶來的額外的損耗：地物損耗（clutter loss）（植被和人造結構，比如建築物）以及建築物穿透損耗。2017年3月，ITU-R第三研究組引入了對額外損耗的考慮并且修正了模型[9-10]。城市地物損耗在低仰角時高達50 dB（中值）。高仰角的地物損耗很低，甚至低到0 dB，因為在空中沒有建築物阻擋信号。然而，在30 GHz頻段，穿透到建築物室内的損耗在40～60 dB（中值）之間。因為5G預計會在城市環境大規模集中部署，尤其是屋頂下以及室内，城市的地物損耗和建築物穿透損耗極大地改善了IMT系統與現有系統共存的前景。
除了ITU進行的研究外，各個地區也在尋找更适合5G的頻譜資源。美國、南韓、加拿大、日本、新加坡以及瑞典都在關注26.5～29.5 GHz頻段。美國也在尋找37～40 GHz範圍内可能的頻譜資源，而加拿大在考慮更高頻段，如64～71 GHz頻段。歐洲和中國都指定了24.25～27.5 GHz内的頻段。而且中國還在尋找37～42.5 GHz内的可用頻譜，歐洲正在考慮31.8～33.4 GHz和40.5～43.5 GHz。圖1-6總結了目前全球可用的5G頻譜。
5G頻譜配置設定除了考慮到大帶寬的連續頻段需求，關鍵還取決于射頻硬體性能的頻率依賴性、傳播信道和多天線技術。我們将在第3章、第4章和第7章中對這些方面進行深入探讨。
1.3.3 5G用例
與前幾代不同，5G的目的是為衆多截然不同的業務和使用者裝置提供優化支援。根據國際電聯關于2020年及以後的國際移動通信（IMT-2020）的定義[7]，5G将針對三種特性鮮明而且截然不同的用例：增強移動寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、大規模機器類型通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）和超可靠低延遲時間通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）。我們接下來在圖1-7中會對這三種用例類别的特性逐一進行描述。
eMBB
這種用例類别是基于目前移動電信标準的傳統移動寬帶連接配接場景的自然延伸。它針對以人為中心的連接配接，包括通路多媒體内容、服務和資料。這是通過提供高資料速率來完成的，用來支援未來的多媒體服務以及由此産生的不斷增長的流量。eMBB用例涵蓋了一系列場景，包括：
- 熱點連接配接，特點是高使用者密度和極高的資料速率以及低移動性。
- 廣域覆寫，使用者密度和資料速率比較低，但是移動性很高。
URLLC
這類用例的顯著特性是對時延和可靠性有嚴格的要求，主要是針對機器類型通信（MTC）。設想的應用包括：工業制造和生産過程中的無線控制、遠端醫療手術、無人駕駛和遠端駕駛車輛，以及智能電網中的配電自動化。
mMTC
物聯網（IoT）的發展正在導緻承載MTC流量的無線連接配接終端數量的劇增。實際上，此類終端的數量預計将很快超過承載人類産生流量的終端數量。mMTC的重點是提供大量終端的連接配接，并假設這些終端偶爾傳輸少量流量且對時延不敏感。預計mMTC終端的續航時間非常長，可以用來遠端部署。這個用例的一個獨特之處是MTC終端在能力、成本、能耗和發射功率方面的巨大差異。
圖1-8給出了一些5G應用的圖形化總結及其與IMT-2020應用場景的關系。
ITU定義了IMT-2020的關鍵性能要求，以便能夠令人滿意地解決eMBB、URLLC和mMTC業務的特定需求。圖1-9中總結了這些要求，并且與上一代移動系統—IMT Advanced的關鍵能力進行了對比。這些要求包括20 Gbit/s的資料峰值速率、低于1 ms的時延以及能夠支援每平方公裡106個終端的連接配接密度的能力。在表1-1～1-2的示例中，NR的設計目的是滿足（在某些情況下有很大餘量）所有這些需求。
1.3.4 5G外場試驗
下面我們會簡要介紹全球最令人激動的5G試驗，這些試驗表明5G有潛力帶來新的和令人激動的機會。圖1-10展示了從這些試驗中擷取的一些圖檔。
5G在無人機領域的應用：愛立信和中國移動于2016年在商用網絡中應用5G技術在蜂窩網絡成功完成世界上第一個5G無人機試驗。一架無人機（無人駕駛飛行器）在多個站點上空飛行切換。為了在真實環境中驗證概念的有效性，進行切換的站點都同時服務于商用行動電話使用者。無人機應用的領域越來越多，例如農業、公共安全、搜尋和救援、庫存管理，以及貨物傳遞等領域。
5G連接配接為高速汽車服務：愛立信和威瑞森（Verizon）于2017年在移動中的汽車内共同測試了5G的極限資料速率，可以達到高于6 Gbps的吞吐量和超低延遲時間。司機戴着一副虛拟現實眼鏡，僅僅通過從汽車發動機蓋上的錄影機拍攝的視訊來操控汽車。該試驗完美展示了如何通過多天線技術用波束跟蹤高速汽車。這表明5G具有支援360度4K視訊流的能力，并且時延極低，即使在高速移動的情況下也是如此。這使我們有可能通過虛拟現實觀看現場體育賽事。
愛立信、SK電信和寶馬集團也在南韓永宗島的一處賽道上進行了類似的試驗。測試網絡由愛立信提供的四個無線傳輸節點組成，工作在28 GHz頻段，測試場是在南韓的寶馬集團駕駛中心。在此設定下，測試結果實作了170 km/h的行駛速度，下行資料速率達到3.6 Gbps。這主要是依賴于先進的波束賦形和波束跟蹤，使得基站能夠跟随UE來發送信号。
5G連接配接船舶和港口：Tallink、Telia、愛立信和英特爾在愛沙尼亞塔林港區建立了5G測試和探索試驗區。愛立信在塔林港口設立了一個5G基站，英特爾将裝置放置在渡輪内以接收信号。從2017年以來，5G試驗網絡面向于商用遊輪及港口區域内乘客推出高速網際網路連接配接服務。
5G在全球範圍内提供幾十Gbps的資料速率：在2016年，愛立信和南韓電信（KT）示範了全球第一個5G，達到25.3 Gbps的吞吐量。試驗是在5G移動通信的毫米波頻段完成的。（KT的目标是為2018平昌冬季奧林匹克運動會提供5G試驗服務。）在同一年（2016），愛立信和Telstra一起開展了澳洲第一個5G現場試驗，達到超過20 Gbps的速率和相對于Telstra的4G網絡一半的時延。這個試驗是基于800 MHz的頻譜，獲得了相對于Telstra 4G現網10倍的速率！
愛立信和Mobile Telesystems（MTS）在莫斯科搭建了一個5G原型網絡，使用了具有先進天線系統的5G基站，在2017年成功達到25 Gbps的速率。
2018年1月，Mobile Telephony Network Group（MTN）和愛立信開展了非洲第一個5G試驗并且達到高于20 Gbps的吞吐量和小于5 ms的時延。這是至今為止在非洲移動通信網絡中獲得的最好性能。5G試驗是以愛立信的5G原型基站為基礎的。
5G使得遠端駕駛成為現實：Telefonica、愛立信和瑞典皇家理工學院（KTH），以及Applus Idiada聯合開發和展示了一個革命性的示範案例：他們在2017年全球移動大會上展示了世界上第一次基于5G的遠端駕駛，遙控一輛汽車在Applus Idiada賽道上疾馳。5G基站在15 GHz頻率為汽車提供連接配接。司機在遠端通過上行4K視訊流得到如同在汽車内的駕駛體驗。在下行鍊路中，5G連接配接提供了超低延遲時間和高可靠性，用來保證駕駛指令的傳達。另外一個遠端駕駛相關的應用就是遠端停車，這樣駕駛員就可以将車停在落客區并且借助遠端司機的幫助來保證安全和有效的停車。
1.3.5 5G商用部署
5G NR網絡部署應該從一個已經具有良好覆寫的4G LTE現有網絡開始 [5]。如圖1-3所示，NR可以與LTE網絡共存和互通，這樣可以減少NR的上市時間。5G NR網絡的商用部署預計分成兩個階段：
- 第一個階段是非獨立組網（NSA）模式，5G NR和LTE網絡緊密互連，如圖1-3所示。這種模式下，LTE作為NR控制平面的錨點，使用LTE或者NR承載使用者業務（使用者平面）。第一個5G規範（3GPP Release 15，NSA）于2017年年底釋出。完全滿足标準的無線系統預計到2018年年底出現。我們預計5G NR從2019年開始部署。
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第二個階段是獨立組網（SA）模式，5G NR承載控制平面和使用者平面。支援SA模式的5G規範在2018年年中釋出。SA模式的商用部署預期在2020年之後。
NR需要和LTE網絡共存和互連，這種情況需要持續數年，不隻是為了加速上市，也是為了保證良好的覆寫和移動性。5G NR部署後，新的用例将會出現，并且5G終端也将上市。我們預計随着終端的大量湧現，獨立組網的NR将開始部署，新的用例（比如超可靠和低延遲時間通信、工業IoT）開始嶄露頭角，而NR可以更好地使用新的和現有的頻譜。最終，5G NR将成為主流的蜂窩技術來應對多個工業領域的多種用例。5G NR部署的演進路線參見圖1-11。
考慮到LTE運作于6 GHz以下頻段（即低中頻段），而NR可以在高達100 GHz頻段（分為低、中、高頻段）工作，5G部署場景分為三種[5]：
- NR在中/低頻段和LTE在中/低頻段非獨立組網：在這種部署場景下，NR和LTE的每個基站有相近的覆寫，因為它們部署在相近的頻率。因為5G NR頻譜可以帶來更高容量和吞吐量，是以部署針對使用者密度高的區域，比如典型的都市和城市地區。
- NR在高頻段非獨立組網同時LTE在中/低頻段：在此種部署場景下，因為高頻的傳輸損耗更高，NR每個基站的覆寫範圍會小于LTE的覆寫範圍。這種部署主要是為了更高的容量和極高的小區吞吐量，因為在毫米波頻段可以使用更寬的信道帶寬。除了eMBB之外，固定無線接入也是此種部署類别的一個新興用例。
- NR在中/低/高頻段的獨立組網：NR獨立組網将會在所有頻段可用的頻譜上進行部署。除了eMBB之外，NR獨立組網部署也很有可能用于專有網絡或者企業網絡以支援工業應用（比如制造業）。雖然NR SA部署的運作不依賴LTE，但很多NR SA部署也可能傾向于重用現有的4G LTE的實體基礎設施和傳輸網絡，以減少部署的成本。NR NSA在中/低頻段更适合大規模IoT應用。5G NR部署在低頻段主要是為了增強覆寫。部署在高頻段主要是用于滿足高業務量區域和專有（工業）IoT網絡。
盡管部署具有成本效益且性能良好的5G NR網絡對5G的成功至關重要，然而具有支援NR能力的終端以及市場認可才是最終決定5G NR網絡連接配接增長的驅動因素。圖1-12展示了具有NR能力的終端的大緻時間表。早期支援高頻段的固定無線接入終端已經在某些地區（如美國）推出。第一個符合3GPP标準的5G智能手機和平闆電腦很可能在2019年推出。新的具有NR能力的IoT終端将于2020年或之後推出。對許多IoT用例，具有NR能力的終端成本将會大幅度下降到遠低于eMBB終端以利于大規模使用。然而，對于一些需要高可靠性和極低延遲時間連接配接的關鍵IoT應用，終端成本不會成為阻礙。
美國将是率先體驗5G商用服務的國家之一。美國的主要營運商已經宣布它們将于2018年年底到2019年中期開始提供5G服務。南韓、日本和中國也在早期5G服務供應商之列，并将有大量的5G使用者。愛立信預計到2023年年末，将會有超過10億的5G移動寬帶使用者，占全部移動使用者的12%。
1.4 本書預覽
本書是針對有興趣了解5G NR實體層原理、模型和技術元件的移動無線通信領域的研究人員以及系統設計人員編寫的。盡管重點是5G NR，本書介紹的很多概念也是通信的基礎理論且同樣适用于5G之外的内容。我們假定讀者已經基本了解了數字無線通信和信号處理的基礎理論，但不必熟悉蜂窩技術（比如4G LTE标準）。我們還将介紹與标準相關的概念以及術語。
本書的預覽如圖1-13所示，突出了各章涵蓋的關鍵内容。本書包括9章，涵蓋了5G NR的各個方面—發展的全景視圖，基于3GPP的第一個5G NR版本的實體層概述、無線電波傳播和硬體損傷所造成的實體限制、關鍵的實體層技術和開源的鍊路級仿真器。接下來我們将簡要概述每章的内容。
第1章介紹5G NR并且讨論全球在發展5G NR方面的努力及其未來對工業和社會的影響。我們提供了一個有關5G的整體視圖：用例及其要求、頻譜配置設定、标準化、外場試驗和未來的商用部署。
第2章概述基于第一個3GPP NR版本的5G NR實體層。我們将看到NR的實體層元件是靈活的、極簡的和向前相容的。此外，我們還提供對無線電波傳播和硬體損傷相關挑戰的概述，這将促進高性能NR的采用。
第3章介紹有關無線電波傳播的最新見解以及無線電波的基本概念和傳播特性。我們專注于頻率相關的信道特性，涵蓋5G NR所設想的全頻帶，并提供試驗案例。我們還會讨論5G NR的信道模組化，并且指出由3GPP和ITU-R定義的目前5G信道模型中經過驗證的和未經驗證（或不足）的方面。
第4章介紹功率放大器、本機振蕩器和資料轉換器的一些傳統的行為模型。這些模型可以準确地預測模拟和混合信号元件之間的輸入-輸出關系。此外，還提出一種新穎的模組化方法，提供非理想器件造成錯誤的二階統計。這個随機模組化架構為鍊路級評估提供了強大的手段，并有助于在無線性能與能效的折中選擇中做出合理選擇。
第5章介紹最先進的多載波波形。根據NR的設計要求，該章提供整體波形對比，使得5G NR選擇CP-OFDM。多載波波形的對比涉及一系列關鍵性能名額：相位噪聲的魯棒性、基帶複雜度、頻率局部化、時間局部化，對功率放大器非線性、信道時間選擇性以及信道頻率選擇性的魯棒性。
第6章介紹一種适用于5G NR的靈活OFDM。讨論基于OFDM的NR數據機實作過程中涉及的各種因素，例如，服務品質要求、部署類型、載波頻率、使用者移動性、硬體損傷和實作方面。該章特别關注較高載波頻率（例如，毫米波頻段），其中對硬體損傷（相位噪聲、同步誤差）的魯棒性和波形的功率效率至關重要。
第7章讨論多天線技術在5G NR中的作用以及NR規範的第一個版本中所包含的功能。為了讓大家更好地了解和推動NR所采用的各個功能，還将介紹這些功能背後的基本原理。為論證多天線技術的可行性，本書會提供多個試驗案例。
第8章介紹5G NR的不同信道編碼機制。針對不同碼塊長度評估編碼機制的性能。我們将回顧最新開發的資訊論工具來衡量這些編碼機制的性能。超前于目前的NR标準化工作，我們考慮在多天線衰落信道進行的傳輸，并強調在需要高可靠性的應用中通過使用空頻編碼來利用頻率和空間分集的重要性。
第9章介紹一個開源仿真器，其中包括硬體損傷模型（功率放大器、振蕩器相位噪聲）、基于地理幾何的随機信道模型和最先進的波形調制/解調子產品。該章針對受不同類型損傷影響的各種波形提供了仿真練習。
參考文獻