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  • 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards is an in-depth, systematic, technical reference on 3GPP's New Radio standards (Release 15 and beyond), ...
  • 5G NR Radio interface

    2018-09-18 17:22:34
    This paper presents an overview of the 5G NR radio interface as specified by 3GPP. Specifically, the paper covers 5G NR in IMT2020 context, key design criteria and requirements, fundamental technology...
  • LDPC码由于可以达到更高的译码吞吐量和更低的译码时延,可以更好适应高数据速率业务的传输,从而替代LTE的Turbo码,被采纳为5G NR数据的编码方案。 1. 基图 (BG, Base Graph) 5G NR采用QC-LDPC码,BG是整个LDPC码...

    LDPC码由于可以达到更高的译码吞吐量和更低的译码时延,可以更好适应高数据速率业务的传输,从而替代LTE的Turbo码,被采纳为5G NR数据的编码方案。

    1. 基图 (BG, Base Graph)

    • 5G NR采用QC-LDPC码,BG是整个LDPC码设计的核心。BG是LDPC码**PCM(Parity-Check Matrix, 校验矩阵)**设计的前提,也决定了LDPC码的宏观特性和整体性能。在5G NR中,为适应不同通信场景的需求,LDPC码必须能够灵活地支持不同的码长和码率。同时,为提高通信可靠度,IR-HARQ 也是LDPC码必须支持的一项特性。

    • 在采纳LDPC码作为数据编码方案的同时,3GPP 会议也同期确定通过对一个高码率PCM进行下行角的码字扩展,以支持IR-HARQ和速率匹配。后续会议上,各公司同意把5G NR LDPC码PCM做如图的划分。
      在这里插入图片描述

      [A B]对应RL-LDPC码中的Hcore,是高码率部分;[D E]对应Hext,是扩展部分。Hcore的维度较低,可以通过密度演进和计算机辅助的方法设计比较好的稀疏矩阵。基于Hcore,扩展生成Hext。Hext每增加一行,H就会多一列。

    • 子矩阵A对应系统比特;子矩阵C为全零矩阵;子矩阵E是单位矩阵;子矩阵B是方阵,对应校验比特。B中有一列列重为3,有一列列重可能为1。如果有列重为1的列,该列中元素“1”出现在最后一行,其余的列中首列列重为3.其后的列具有双对角结构。如果没有列重为1的列,则首列列重为3,其后的列具有双对角结构。双对角这种类似RA ( Repeat and Accumulate)码的结构,可以有效降低错误平层,同时保持较低的编译码复杂度。

    • 考虑到SGNR场景的多样性,各厂商建议设计多个BG,以覆盖不同的码长和码率。在评估这些方案过程中,BLER是评判矩阵好坏的主要标准。但是考虑引入过多BG带来的复杂度和译码延迟,最终确定的BG数量为2

      BG1 的大小是46x68,Hcore的大小为4x26,Hext的大小为42x26。支持的最低码率为1/3。主要用于对吞吐要求较高、码车较高、码长较长的场景。

      BG2 的大小为42x52,Hcore的大小为4x14, Hext的大小为38x14。主要用于对吞吐量要求不高,码率较低,码长较短的场景。

      • 通过进一步对比各个厂商所提矩阵的BLER,最终决定采用2个独立的BG。标准确定的BG2稍显特殊,可以通过删除Hcore中的部分列,实现BG大小随着信息块大小的变化而变化。具体来说,当信息块小于等于192时,Hore 的列数为10;当信息块大于192且小于560时, Hcore的列数为12;当信息块大于 560小于等于640 时,Hcore 的列数为13;当信息块大于640时,Hcore 的列数为14。

      • 5G NR LDPC码BG中前两列属于大列重,所谓大列重就是指这两列中1的数量明显大于其他列。这样做的好处是在译码过程中加强消息流动,增加校验方程之间的消息传递效率。右下角是对角阵,支持IR-HARQ,每次重传只需要发送更多的校验比特即可。

    2. PCM

    • 一个QC-LDPC 码由BG相应的移位因子Z构成,即PCM定义:BG中的1替换为大小为ZxZ的循环移位矩阵,BG中的0被替换为ZxZ的全零矩阵。

      循环移位矩阵的移位值Pij,表示BG中第(i,j )个非0元素对应的移位矩阵为ZxZ往右移位Pij次,它由Pij=mod(Vij, Z)计算得到,其中Vij是BG中第 (i, j)个非“0”元素位置对应的整数,mod(x,y)表示x对y取余。

    • 为了支持不同的信息块长度,同时考虑描述复杂度和性能的折中,5G NR定义了8组扩展因子Z,即Z=ax2^j,其中a∈{2,3,5,7,9,11,13,15},j=0, 1…5。Z的取值是2≤Z≤384内的正整数。这些值分为8个集合,每个集合对应一个a。对于每个a,5G NR基于每个BG定义了一个PCM,对应这个集合中最大的Z。BG1和BG2分别对应8套PCM。

    3. TBS

    • 数据信道的资源调度非常灵活,信道编码模块需要根据待编码的信息块长度和编码长度(或码率),构造编码参数。待编码长度即传输块大小(TBS,Transmission Block Size)。若存在分段,则分段后的每段长度为码块大小(CBS,Code Block Size),而编码长度则根据基站调度的可用资源(排除预留给参考信号、控制信息等的资源)进行计算。收发两端得到的TBS和编码码长需要一致,否则接收端的解码很可能失败

    • 基站通过信令告知终端TBS是最直接的一种实现方式, 然面由于TBS的可能取值较多,会导致大量的信令开销。另一种方式为,收发两端根据调度信息,采用相同的步骤计算TBS,这种方式以少量的运算代价,节省不必要的信令开销。

    • 与LTE采用查表的方式不同,5G NR中采用查表和公式两种方式计算TBS。5G NR中TBS的设计有以下考虑。

      ① 与TBS对应的实际码率不能严重偏离名义码率(MCS中预定义的码率)。

      ② 实现每个TBS的**调制编码方案(MCS, Modultion Coding Scheme)**尽可能多,以支持更灵活的调度。

      非均匀的TBS颗粒度(对较小的TBS,颗粒度较细;对较大的TBS,颗粒度较粗)。

      ④ 考虑两个BG的切换条件和两个BG的不同分段条件

      ⑤ 支持等长分段(TBS为分段数的倍数)。

      ⑥ CBS按字节对齐(CBS为8的倍数)。

      ⑦ 较低的描述复杂度。

      TBS的设计思路是将上述需求解耦,并将计算过程分为多个步骤,每个步骤满足对应的需求。例如:

      通过引入临时信息比特数Ninto的计算来满足需求(1);

      对临时信息比特数进行量化,使多种调度配置和MCS组合映射为同一个TBS,满足需求(2);

      通过对临时信息比特数进行数值大小相关的量化,满足需求(3) ;

      对较小的数值采用查表的方式进行精细的量化,而对较大的数值采用公式上的量化,满足需求(7);

      对量化后的结果分情况进行取整处理,满足需求(4)一(6) 。

    • 5G NR规定TBS计算的主要过程如下:

      根据分配的资源数(包括时频资源PRB和数据流数)、MCS确定的调制阶数码率计算一个临时的信息比特数Ninfo,并据此判断是基于查表还是公式计算TBS。

      具体来说, 当 Ninfo ≤ 3824 时,先对Ninfo进行量化得到Ninfo‘,然后查表找出最接近且不大于Ninfo’的值作为TBS。 当Ninfo ≤ 3824时,先对Ninfo进行量化得到Ninfo‘,再采用公式计算TBS。

    4. HARQ和速率匹配

    • HARQ是提升系统吞吐量的一项关键技术,而5G NR系统中LDPC码的RL结构,可以增量生成校验比特,很好地支持IR-HARQ和不同的传输码率。另一方面,QC-LDPC码离散的移位因子大小等也对信息块大小和码长的支持提出一些限制, 需要通过额外的填充和打孔等实现速率匹配。

    • 对速率匹配得到的编码比特进行交织后再调制,即比特交织编码调制是保证LDPC 码在高阶调制和衰落信道下性能稳定的另一个基本保障。

    • 与LTE Turbo码类似,5GNR通过循环缓存实现HARQ和速率匹配:将编码比特存储在循环缓存中,每次传输时根据冗余版本从循环缓存中顺序读取,实现速率匹配。

      另外,LDPC码支持有限缓存速率匹配(LBRM,Limited Buffer Rate Matching)。对于初传需要打掉的大列重对应的2Z个系统比特,标准规定不进入循环缓存,即永远不会传输。对于每次传输,速率匹配的读取位置由冗余版本rv决定,且是移位因子Z的整数倍。
      在这里插入图片描述
      由图可知,各个冗余版本并不是均匀分布的,标准中把rv=3进行了一定的移动使其更加靠近循环缓存的末尾,以使得rv0和rv3都可以独立译码。速率匹配后的编码比特经过交织后进入调制模块,标准规定的交织方式实现了rv0系统比特优先的排序。

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  • 什么是5G NR技术?一文带你深入了解5G NR技术 工信部IMT-2020(5G)推进组正式发布了5G第三阶段研发试验规范,5G第三阶段研发试验已启动。该研发试验基于3GPP 5G标准,构建统一环境,开展系统验证,指导5G面向商用...

    什么是5G NR技术?一文带你深入了解5G NR技术

     

    工信部IMT-2020(5G)推进组正式发布了5G第三阶段研发试验规范,5G第三阶段研发试验已启动。该研发试验基于3GPP 5G标准,构建统一环境,开展系统验证,指导5G面向商用的产品研发,推动产品成熟和产业链协同。该试验将对核心网、基站、终端和互操作性等支撑5G商用的关键特性进行测试验证,预计完成时间为2018年第4季度。

    本阶段研发试验将基于3GPP最新发布的5G NSA标准开展测试验证工作。简单来说NSA使用4G核心网(EPC),以4G作为控制面的锚点,采用LTE 与 5G NR(New Radio,新空口)双连接的方式,利用现有的LTE网络部署5G,以满足领先运营商快速实现5G部署的需求。

    下面就让小编给大家具体讲讲有哪些创新性的新技术...

    全新频谱

    宽频支持大带宽

    兵马未动,粮草先行。频谱是无线通信技术的基础资源。未来全球5G先发频段是C-band(频谱范围为3.3GHz-4.2GHz, 4.4GHz-5.0GHz)和毫米波频段26GHz/28GHz/39GHz。相应地,3GPP量身打造了n77,n78,n79,n257,n258和n260。

    5G采用了宽频方式定义频段,形成了少数几个全球统一频段,大大降低了终端(手机)支持全球漫游的复杂度。5G的最大带宽由20MHz,增加到在C-band上最大支持100MHz,在毫米波上最大支持400MHz。相当于路宽了,下载或上传的速度将大幅提升。另外,5G采用更为先进的符号成型技术,如Filter-OFDM,降低了频谱边缘保护带的开销,相比4G,在同样的标称带宽下,传输带宽有了明显的提升。

    什么是5G NR技术?一文带你深入了解5G NR技术

    全新终端形态

    多天线提升下行速率

    多天线的使用带来了空间复用增益,可以大幅度提升容量。但对于特定终端,能支持的复用层数,受限于接收天线的数目。现在大家所使用的终端(手机)标配的接收天线数目为两个,因此能支持最大复用层数为两层。未来使用4收天线的终端将成为主流。5G NR将标配的接收天线数目提升了一倍。相比2收、4收终端可以大幅提升下行速率。

    ●上下行解耦技术,补齐上行覆盖短板

    通过C-band大带宽和多天线接收技术,用户享受了更快的下载速率,但由于C-Band的传输特性,以及终端上行发射功率等限制,5G小区的上行覆盖受限严重。如果和现有1.8GHz的LTE共站部署,覆盖有明显短板,只有小区中心的部分用户才能享受5G带来的更高速率体验。

    上下行解耦就是针对这一问题提出的创新频谱使用技术,3GPP中的正式名称是 LTE-NR UL coexistence,用LTE低频空闲频谱共享给NR上行使用,既弥补了C-Band以及高频在上行覆盖上的不足,又充分利用了LTE空闲频谱的无线资源,一举两得,以通用的方案应用于NSA和SA的模式,使得提供5G基础覆盖的同时,又能节省运营商部署成本,是加速5G部署的必备特性。

    华为与英国领先运营商EE在伦敦商用网络上进行了上下行解耦的外场试验,试验结果表明,采用了上下行解耦后,3.5GHz的覆盖半径提升了73%,在用户体验提升10倍的前提下达到了与1.8GHz的同覆盖。

    全新物理层技术框架

    保障系统灵活性有效性

    ●新波形

    LTE下行支持CP-OFDM(没有DFT预变换)波形,上行仅支持DFT-s-OFDM的波形。NR在此基础上在上行也引入了CP-OFDM的波形,可以支持更加灵活的数据调度。同时NR的系统带宽利用率最高可达97%(LTE为90%),增加了运营商的频谱利用价值。

    ●灵活的空口设置

    和前代通信技术使用固定的15KHz子载波间隔和1ms的子帧长度相比,5G NR引入了更加灵活的空口设置,比如灵活的子载波间隔(数据在不同band上支持15KHz到120KHz的子载波间隔)和灵活的帧结构(全下行,全上行,下行为主和上行为主的帧结构),以适应不同的信道类型和业务类型。并且不同的业务类型(如eMBB和uRLLC)可以通过FDM的方式同时发送,提高了系统传输的灵活性。

    ●增强的多天线技术

    5G NR引入了多项多天线增强技术,大幅提高了频谱效率、小区覆盖和系统灵活性。

    提高频谱效率:

    对于单用户而言,基于非码本的上行传输机制,减少了前代通信技术使用码本进行预编码,所产生的量化误差,可提供更精确的信道信息,有效的增强上行频谱效率;

    对于多用户而言,相对于LTE所支持的4流,5G NR上下行支持正交12流的多用户配对,并且通过增强的干扰测量和反馈技术,可显著提高上下行频谱效率。

    对于TDD来说,探测参考信号 (SRS) 可以在不同的载波之间,或者同一载波的不同天线之间切换发送,利用信道互易性,进一步提升TDD系统的信道反馈精度和频谱效率;

    增强小区覆盖: 

    5G NR采用波束赋型的测量和反馈机制,可同时应用于初始接入、控制和数据信道。波束赋型(Beamforming)是多天线技术的一种,是指gNodeB/UE对PDSCH/PUSCH(Physical Downlink /Uplink Shared CHannel)上/下行信号进行加权,形成对准UE/gNodeB的窄波束,将发射能量对准目标用户,从而提高目标UE/gNodeB的解调信噪比。

    对于初始接入来说,改进了LTE时期基于广播的机制,升级为基于波束赋型的机制,从而提高了系统覆盖率;采用波束赋形,可增强控制信道的覆盖范围,从而扩大了小区半径,也可以提高传输成功率,尤其适应于高频传输。

    此外,还有增强的导频设计,如解调导频、相位跟踪导频和时频跟踪导频,相对于LTE来说,可以有效地减小开销,提供更精确信道的信息。

    ●全新的信道编码

    和前代通信技术数据信道用turbo码、控制信道用TBCC等编码方式相比,5G NR采用了全新的信道编码方式,即数据信道用LDPC编码,控制信道和广播信道用Polar编码。这一改进可以提高NR信道编码效率,适应5G大数据量,高可靠性和低时延的传输需求。    

    ●CU-DU 分离技术

    通过引入中央控制单元(Central Unit),一方面,在业务层面可以实现无线资源的统一管理、移动性的集中控制,从而进一步提高网络性能;另一方面,在架构层面,CU既可以灵活集成到运营商云平台,也可以专有硬件环境上用云化思想设计,实现资源池化、部署自动化,降低OPEX/CPAX的同时提升客户体验。

    全新网络架构

    使能一网多营

    基于服务架构的核心网定义、端到端的5G网路切片技术将催生新的商业模式,助力行业与社会的数字化转型。

    ●服务化架构

    和4G基于网元和网元间点对点接口的网络系统架构相比,5G核心网控制面为基于服务的网络架构(Service Based Architecture, SBA)。服务化架构支持网络功能和服务的按需部署,使能灵活的网络切片;减少新网络业务的TTM,实现业务的快速创新。服务化架构采用组件化、可重用、自包含等原则定义网络功能,网络功能通过其通用的服务化接口向其它允许使用其服务的网络功能提供服务。

    什么是5G NR技术?一文带你深入了解5G NR技术

    图1. 服务化架构的本地路由的漫游场景

    ●网络切片

    5G系统架构和前几代移动通信系统相比最显著的关键区别就是网络切片。4G网络某种程度通过“专有核心网”的特性支持网络切片。对比而言,5G网络切片是一个更强大的概念,它包括整个PLMN。在3GPP 5G系统架构的范围内,网络切片是指一组3GPP定义的特征和功能,它们一起组成向UE提供服务的一个完整PLMN网络。

    网络切片允许根据控制按需的把网络功能组成PLMN,这些网络功能根据特定应用场景提供其功能及所定义的服务。比如可以有手机切片、车联网切片、远程医疗切片、物联网切片等。网络切片技术的应用将带领通信行业与其他行业深度融合,也必将催生新的商业模式,加速行业数字化转型步伐。

    什么是5G NR技术?一文带你深入了解5G NR技术

    图2. 3GPP 5G网络切片部署场景

    ●边缘计算

    边缘计算通过将应用服务向网络边缘迁移,实现服务内容本地化,减少传输时延和对网络回传高带宽的需求。同时实现网络和应用的双向交互,有效提升了移动网络的智能化水平,促进网络和业务的融合来提升服务水平。

    边缘计算技术成为5G网络原生支持的特性,边缘计算的思路融入到整个5G系统的设计的各方面:网络和应用双向交互的通信架构;用户面的灵活部署和灵活选择,包括应用对用户面选择的影响;多锚点的会话(同时接入本地和云端)服务连续性支持(SSC mode);本地接入网络的支持(LADN);适应多种业务的灵活的QoS机制。

    ●统一鉴权框架

    统一鉴权框架通过支持新的鉴权协议(如EAP)和融合的鉴权接口、网元,使5G网络可以支持多种信任状,融合不同类型的接入技术和终端类型,提高运营商网络面向新业务场景和垂直行业的可扩展性。

    5G标准的制定,遵循一定的规划与节奏进行的。3GPP将5G标准分成2个大的阶段来完成,第一个是Release15,主要面向eMBB场景,包括:NSA(Non-Standalone, 非独立组网)和SA(Standalone,独立组网)两个阶段。独立组网标准就是使用5G NR以及5G核心网,将在2018年6月完成;第二个是Release16,将在2019年12月完成,主要面向uRLLC和mMTC两大场景。

    展望2018,全球产业链将进一步围绕3GPP 5G NR标准,继续投入产品研发,加速5G商用部署的进程,实现5G时代的万物感知、万物互联、万物智能的宏伟蓝图。

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  • 5G NR

    千次阅读 2018-07-31 17:11:12
    大家好,我叫5G NR5G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。 5G部署选项   一说到“部署选项”这事,说...

    文章出处:http://www.elecfans.com/d/686183.html

    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。

    5G部署选项

     

    一说到“部署选项”这事,说实话,我觉得自己有点“奇葩”。

    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)。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    ▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技术定义

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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。

    选项3指的是LTE与5G NR的双连接(LTE-NR DC),4G基站(eNB)为主站,5G基站(gNB)为从站。

    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。

    嗯!总有一款套餐适合你!

    选项3a

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    你不是嫌升级4G基站麻烦吗,这下我跳过4G基站得了。

    选项3x

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    选项2

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    选项4系列

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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。

    选项5

    选项5将4G基站连接到5G核心网,与选项7类似,但没有与NR的双连接。

    也就是说,选择选项5的运营商只考虑核心网演进到5G,但并不将无线接入网演进到5G 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!

    选项6

    已被3GPP残忍抛弃,不再赘述。

    总结一下,运营商的5G部署路径主要有三种方式:

    ①非独立部署(NSA):LTE + 5G NR毫米波

    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。

    ②非独立部署(NSA):LTE + 小于6GHz NR频段

    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。

    对于非独立部署,演进路径分为两条:

    路径一:选项3系列—>选项2:先部署5G无线接入网,再部署5G核心网,最后将5G无线接入网迁移到5G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无线接入网,再部署5G核心网,最后将4G和5G无线接入网一起接入5G核心网。

    ③独立部署

    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。

    5G NR频谱

    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。

    5G NR如何定义和分配频谱?

    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。

    在R15版本中,定义了两大FR(频率范围):

    FR1:

    • 450MHz 到 6000MHz

    • 频段号从1到255

    • 通常指的是Sub-6Ghz

    FR2:

    • 从24250MHz到52600MHz

    • 频段号从257到511

    • 通常指的是毫米波mmWave(尽管严格的讲毫米波频段大于30GHz)

    与LTE不同,5G NR频段号标识以“n”开头,比如LTE的B20(Band 20),5G NR称为n20。

    目前3GPP已指定的5G NR频段具体如下:

    FR1

    FR2

    我们再比较一下LTE的频段分配:

    很明显,一些LTE频段也指定给了5G NR,但细心一点你还会发现,在有些频段号上,5G NR频段在LTE 频段上进行了合并或扩展,比如,LTE的B42 (3.4-3.6 GHz) 和B43 (3.6-3.8 GHz) 合并为5G NR的n78(3.4-3.8 GHz),且n77还进一步将其扩展到3.3-4.2GHz。

    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。

    第①点不用解释,大家都懂的,主要说说第②点原因。

    嗯!其实一张图就看明白了:

    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!

    值得一提的是,在FR1中引入了SUL和SDL,即辅助频段(Supplementary Bands),这是什么鬼?

    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。

    问题来了,上面列了这么多5G NR频段,先锋频段是哪些?

    主要有:n77、n78、n79、n28、n71。

    n77和n78,即C-BAND,是目前全球最统一的5G NR频段。

    n79也可能用于5G NR,主要推动国家是中国、俄罗斯和日本。

    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。

    n71就是600MHz,目前美国运营商T-Mobile已宣布用600MHz建5G。

    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。

    5G NR物理层

    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:

    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。

    每TTI的符号数量:

    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。

    帧结构

    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——一个无线帧的长度固定为10ms,1个子帧的长度固定为1ms,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)。

    这就好比建房子,框架结构定好了,里面的空间可根据自己需要灵活布置。

    物理信道带宽

    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%)。

    如何理解5G NR带宽利用率提升?

    做一道计算题:

    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%。

    以此类推,20MHz的4G信道有100个RB,它仅使用了20MHz带宽中的18MHz;50MHz的4G信道有250个RB...

    猜猜看,50MHz的5G信道有多少个RB呢?275个。

    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:

    调制方式

    5G NR用户面

    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。

    5G NR用户面协议栈基于LTE设计,但时代不同,当然有差异。

    首先它引入了新的SDAP层,SDAP全称Service Data Adaptation Protocol,这个SDAP层很有意思,我们赶紧来介绍一下。

    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)。

    新引入的SDAP层首次实现了真正的端到端的QoS机制。

    另外值得一提的是——PDCP层分集传输。

    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。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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

    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:

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    首先在RRC状态上,与LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED两种RRC状态不同,5G NR引入了一个新状态——RRC INACTIVE。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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)。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    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)。

    5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西?

    最后好像应该展望一下未来吧,自我介绍应该是这样的。

    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。

    比如,需讨论SCMA、PDMA、MUSA、NCMA、NOCA、GOCA、IDMA、IGMA、RDMA...等等…各大厂家提出的各种多址方案,名字都快数不过来了。

    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。

    未来很长,梦想很大,5G才刚上路。

     

     

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  • 5G NR基础学习-0206.pdf

    2020-09-23 16:52:35
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  • 5G NR pusch pucch

    2019-04-27 15:26:39
    5G NR pusch pucch介绍,给5G通信入门者的好资料。十分经典。
  • 5G NR SSB(SS/PBCH Block)详解

    万次阅读 多人点赞 2019-07-20 17:12:17
    我们都知道LTE中终端设备也就是手机是通过基站广播发送的主同步序列和辅同步序列实现同步的,但在NR中,出现了SSB的概念,简单的说就是由原来的主同步序列、辅同步序列、物理广播信道和解调参考信号组合在一起构成的...

    我们都知道LTE中终端设备也就是手机是通过基站广播发送的主同步序列和辅同步序列实现同步的,但在NR中,出现了SSB的概念,简单的说就是由原来的主同步序列、辅同步序列、物理广播信道和解调参考信号组合在一起构成的,也就是PSS、SSS、PBCH和DMRS在四个连续的OFDM符号内接收然后构成SSB,主要是用于下行同步。本次对于SSB的分析就以协议为基础进行。

    一、同步序列

    在协议38211中有对于同步信号的详细描述。
    在NR中有1008个物理层小区,是LTE的2倍,因为NR中的小区种类和数量更多,小区ID计算如下:
    There are 1008 unique physical-layer cell identities given by
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    Cell ID 2由PSS承载,Cell ID 1由SSS承载。下面是PSS和SSS的具体序列生成公式。NR中PSS和SSS不在是LTE中的ZC序列,而是采用了m序列,因为ZC序列在有频偏的时候,同步性能会收到影响。
    对于PSS来说,长度为127的m序列通过循环移位(0,43,86),得到三个不同的PSS。
    在这里插入图片描述
    对于SSS来说,一条长度为127的序列通过循环移位无法产生足够的序列来承载1008个小区ID,所以通过两条m序列,其中一条进行9个循环移位,对应公式中m0,另一条进行112个循环移位,对应公式中m1,共同产生1008个不同ID。在这里插入图片描述

    二、SSB的结构

    下面介绍一下SSB的时频结构。先看协议中的原话:
    In the time domain, an SS/PBCH block consists of 4 OFDM symbols, numbered in increasing order from 0 to 3 within the SS/PBCH block, where PSS, SSS, and PBCH with associated DM-RS are mapped to symbols as given by Table 7.4.3.1-1.
    也就是说在时域,SSB由4个连续OFDM符号组成,按照从0-3升序编号。其中所说的表格就是下面这个表格
    在这里插入图片描述
    表中l表示时域符号的标号,k表示SSB中各个部分的频域子载波标号,注意这个标号是SSB内的标号,不论是时域还是频域都是从0开始,并不是整个频带上的标号,也不是BWP中的标号,这个只是给出了SSB的时频结构而不是SSB的时频位置。看这个表格可能还不够形象生动,那么把它画出来就形象多了:
    在这里插入图片描述
    将这两个图一起看,是不是SSB的时频结构就很清晰明了了?值得注意的是SSB中置0的一些位置是并不能放其他东西的。图中蓝色的部分是DM-RS,它是穿插在PBCH中的,PBCH的每个RB上有3个DM-RS,DM-RS有4种频域偏移,这个与小区ID有关:
    在这里插入图片描述
    同频邻区设置不同的偏移有利于降低导频干扰。结合图表可以看出SSB的大小是时域上4个OFDM符号频域上240个子载波,也就是20个RB。

    三、SSB的时域位置

    在LTE中,FDD中PSS在每帧的0和5号子帧的第一个时隙的最后一个符号,SSS在倒数第二个符号,也就是PSS的前面那个符号;TDD中PSS在每帧的1和6号子帧的第三个符号,SSS在0和5号子帧的最后一个符号。与LTE不同,NR中SSB周期会在SIB1中配置,可能是5 10 20 40 80 160ms,在初始接入的时候,UE还没有收到SIB1,则会按照默认的20ms周期来搜素SSB。在每个周期内,会有一系列SSB,每个SSB对应一个波束方向。先介绍一下波束扫描。
    在这里插入图片描述
    什么叫波束扫描,简单的说就是因为NR中频率更高了,那么小区基站的覆盖范围就减小了,那么发送一些广播信息的时候就不再采用覆盖的形式而是采用波束扫描的形式,某一个时刻将能量集中在某一个方向,那么这个方向就可以把信号发送的更远,但是其他方向接收不到信号,下一个时刻朝着另一个方向发送,最终通过波束不断的改变方向,实现整个小区的覆盖。
    前面我们所说的SSB并不是隔一段时间出现一次,而是隔一段时间在某一个半帧内出现若干次,这个就是为了波束扫描而设计的,这若干个SSB中每个都对应一个波束扫描的方向,最终每个方向都会有一个SSB,这若干个SSB就叫一个SSB set,一个SSB set中的所有SSB都要在同一个半帧内。SSB set的周期可以是5 10 20 40 80 160ms,这个周期会在SIB1中指示,但在初始小区搜索的时候,UE还没有收到SIB1,所以会按照默认20ms的周期搜索SSB。

    根据协议中的描述,按照不同的SSB子载波间隔,一个半帧内的SSB位置会有5种不同的情况:
    在这里插入图片描述
    NR根据子载波间隔的不同,将SSB的时域位置分为了5中不同的情况。以case A为例
    在这里插入图片描述
    此时SSB的子载波间隔为15kHz,SSB的第一个符号所处的位置是,其中当载频小于3GHz时,n=0,1,当载频在3G到6GHz时,n=0,1,2,3。从下面这个图中可以比较直观的看到SSB在一个半帧的一个时隙内的位置。其他几种情况类似不做过多介绍。那么对于不同的子载波间隔,一个SSB set里的SSB数量也不一样,可能有4个也可能有8个也可能有64个。
    在这里插入图片描述
    SSB时域位置设计其实主要是考虑到不同子载波之间的共存。我们将case A B和C以及60kHz子载波间隔的情况下的子帧画在同一个图里:
    在这里插入图片描述
    一个15kHz slot会对应2个30kHz子载波下的slot。对于case A来说,将SSB放在这些位置,是考虑到其时隙开头的2个符号0和1可以用于下行控制的传输,这两个符号对应30kHz子载波情况下的符号0 1 2 3,同样也可以用于30kHz子载波情况下的下行控制传输。15kHz下两个SSB之间的预留的符号6和7可用于GP和上行控制的传输,对应30kHz下第一个子帧的符号12和13以及第二个子帧中的符号0和1,这样也可以保证30kHz下第一个子帧中有用于传输GP和上行控制的资源,以及第二个子帧中有用于传输上行控制的资源。但大家此时就会发现,同样的道理,那Case B此时无法与60kHz的子载波间隔共存,因为case B中SSB0和SSB1占据的资源对应60kHz子载波间隔下第一个子帧的符号8-13以及第二个子帧的符号0-9,并没有为60kHz下预留用于GP或者上下行控制传输的资源。所以这也就是为什么30kHz子载波间隔情况下会有两种不同case。Case C也是30kHz子载波间隔,但case C就可以很好的与60kHz子载波间隔共存,但case C前后预留的资源对应于15kHz子载波间隔下的符号0和符号13,不足以用于传输控制资源,所以case C很难与15kHz子载波间隔共存。所以case B和case C在真正使用的时候要取决于具体的情况。Case D和E也是同样的道理,不再进行分析。

    四、SSB频域位置

    与LTE中PSS和SSS固定在带宽的中间73个子载波不同,NR中SSB可能的频域位置有很多。NR中有一系列全局同步信道号GSCN,每个GSCN都会对应一个确定的、绝对的频率位置,系统会把SSB放在这些GSCN上,对齐方式为SSB的10号RB的0号子载波与GSCN对齐,UE就会在这些GSCN上挨个盲检SSB。
    不同的operating band是分配给不同运营商的,所以UE是知道自己处在哪个operating band上的,比如n28分配给广电的,那么接入广电网络的UE在搜索SSB的时候,就盲检1901 – <1> – 2002这个范围内的GSCN,并且只搜索15kHz子载波间隔、case A下的SSB。
    在这里插入图片描述
    下面介绍kssb。先看下图:
    在这里插入图片描述
    想要看懂这个图,我们先要知道在NR中,同步栅格(也就是上面所说的GSCN)和频率栅格不再对齐。在LTE中,因为只有15kHz一种子载波间隔,并且带宽也不是很大,所以LTE中同步栅格和频率栅格是对齐的,但在NR中,由于频带很广,而且有5种不同的子载波间隔,所以协议重新定义了同步栅格,其不再与频率栅格对齐。
    再来看上图,由于同步栅格和频率栅格的不对齐,SSB的第0号RB的第0号子载波与和SSB有重叠的BWP中的RB中的最低RB的第0号子载波之间的频率偏差叫做kssb。这句话听起来可能有些拗口,图中蓝色的部分表示BWP中与SSB有重叠的RB,那么这些RB中的最低的一个,也就是图中箭头指向的那一个RB,它的0号子载波与SSB的频率最低点,也就是SSB的0号RB的0号子载波,之间的频率偏差叫做kssb。有了这个kssb以后,再看下图:
    在这里插入图片描述
    图中的offset2就是上面所说的kssb,offset1是point A和箭头所指蓝色位置RB的子载波0之间的频率偏差。而Point A是什么,point A是公共资源,也就是CRB的0号子载波。有了offset1和offset2,我们就可以知道SSB在频域中的位置了,即:距离CRB的子载波0有offset1+offset2的频率偏移但在实际中,并不是先知道point A的位置再知道SSB,因为UE最先接收的是SSB,然后再进行时频同步,所以UE是先知道SSB的位置,再根据offset1和offset2来找point A的位置。那到底怎么知道SSB在什么频域位置呢?UE也不知道,所以UE只能在同步栅格上一个一个的找。

    五、PBCH payload

    收到SSB后,最主要的系统信息就会在PBCH中承载,也就是通常所说的MIB。
    在这里插入图片描述
    这个就是PBCH中所承载的信息,具体可以参考协议38212中7.1.1小节和38331中对MIB的解释。
    在这里插入图片描述
    其中承载的24bit信息也就是表格中列出来的是来自于高层的,会指示系统帧号、SSB的子载波间隔、kssb的具体值、DMRS的具体位置(前面说过PBCH中DMRS有4种不同的频域位置这个指示具体是哪种)等。还有另外的来自于物理层的8bit信息,这8bit在不同的情况下有不同的作用:
    在这里插入图片描述
    从协议中的描述可知:
    低4bit为系统帧号的高4bit;然后1bit为半帧指示;然后剩下的3bit,如果SSB set中有最多64个SSB,则这3bit用于指示SSB索引,即该SSB是SSB set中的第几个SSB,否则这3bit其中的1bit用于和指示Kssb的4bit相结合,共同指示Kssb(因为如果在L=64的情况下,Kssb会在一个RB范围内偏移,即12个子载波,所以有4bit就够指示了,但在L=4或者8的情况下,Kssb会在两个RB范围内偏移,即24个子载波,所以此时就需要5bit),剩余2bit预留。L=4或8的情况下无需指示SSB索引,不同的8种DMRS序列就可以用于指示SSB索引。

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