现代通信网络技术系列

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5G NR标准:下一代无线通信技术

5G NR:下一代无线接入技术

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埃里克·达尔曼

[瑞典] 作者:Stefan Parkvall

约翰·斯科尔德

第一章 朱怀松、王健、刘洋译

5G概述

40年来,世界经历了四代移动通信系统的发展。

第一代移动通信始于 1980 年左右,采用模拟传输。 主要技术包括北美制定的AMPS(Advanced Mobile Phone System,高级移动电话系统)和北欧国家的公共电话网络运营商(当时由政府控制)共同制定的NMT(Nordic Mobile Telephony,北欧移动电话) ,以及英国等地使用的TACS(Total Access Communication System,全接入通信系统)。 基于第一代技术的移动通信系统仅限于提供语音服务,但这是历史上第一次向公众提供移动电话。

第二代移动通信出现于 20 世纪 90 年代初,其特点是引入了无线链路数字传输。 尽管其目标服务仍然是语音,但数字传输使得第二代移动通信系统也可以提供有限的数据服务。 最初存在几种不同的第二代技术,包括欧盟多个国家共同开发的GSM(Global System for Mobile communications,全球移动通信系统)、日本和日本提出的D-AMPS(Digital AMPS,数字高级移动电话系统) PDC(Personal Digital Cellular,个人数字蜂窝)仅在日本使用,后来发展出基于CDMA的IS-95技术。 随着时间的推移,GSM从欧洲扩展到全球,并逐渐成为第二代技术的绝对领导者。 正是由于GSM的成功,第二代系统将手机从一个小众产品转变为世界上大多数人使用的通讯工具,并成为日常生活必需品的一部分。 即使在今天,尽管出现了第三代和第四代技术,GSM 在世界许多地方仍然发挥着重要作用,并且在某些情况下是唯一可用的移动通信技术。

第三代移动通信,通常称为 3G,出现于 2000 年代初。 3G是迈向高质量移动宽带的真正一步,特别是借助被称为3G演进的HSPA(High Speed Packet Access,高速分组接入)[21]技术,使得快速接入无线互联网成为可能。 另外,与早期基于频分双工(FDD)对称频谱(即网络到终端和终端到网络链路各自使用不同频谱,见第7章)的移动通信技术相比,3G对于首次引入非对称频谱移动通信技术,该技术基于我国推广的时分双工(TDD)的TD-SCDMA技术。

从过去几年到现在,以LTE技术[28]为代表的第四代移动通信一直占据主导地位。 LTE 以 HSPA 为基础,提供更高的效率和增强的移动宽带体验,即为最终用户提供更高的数据速率。 这依赖于基于OFDM的传输技术,可以提供更大的传输带宽和更先进的多天线技术。 另外,与3G支持特殊的非对称频谱无线接入技术(TD-SCDMA)相比,LTE支持常见无线接入技术中的FDD和TDD操作,即对称和非对称频谱。 工作。 这样,LTE实现了适用于对称和非对称频谱以及所有移动网络运营商的全球统一移动通信技术。 在第4章中,我们还将详细讨论LTE的演进如何将移动通信网络的范围扩展到非授权频谱。

移动通信系统的发展历程如图1-1所示。

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1.13GPP与移动通信标准化

移动通信成功的关键是存在许多国家认可的技术规范和标准。 这些规范和标准保证了不同制造商生产的终端和设备的可部署性和互操作性,以及终端的全球可用性。

如前所述,第一代NMT技术是由多个国家共同开发的,允许终端及其合同使用在这些北欧国家内有效运行。 随后的GSM移动通信技术规范和标准的制定也由欧洲多个国家完成。 相关工作在CEPT进行,后来更名为ETSI(欧洲电信标准协会)。 因此,从一开始,GSM终端和合同业务就能在很多国家正常工作,覆盖了大量的潜在用户。 这个巨大的共同市场对终端有着巨大的需求,催生了多种手机品牌,也大大降低了终端的价格。

但随着3G技术规范特别是WCDMA的制定,真正的全球移动通信标准的制定已经迈出了步伐。 一开始,3G技术标准的制定也是以区域为单位进行的,欧洲(ETSI)、北美(TIA、T1P1)、日本(ARIB)等地。 然而,GSM 的成功证明了技术覆盖广度的重要性,特别是在终端多功能性和成本方面。 越来越明显的是,尽管不同的区域标准组织各自开展各自的工作,但正在研究的技术有许多相似之处。 特别是欧洲和日本正在研究不同但非常相似的WCDMA(Wideband CDMA,宽带CDMA)技术。

最终,1998年,各个区域标准化组织联合成立了3GPP(第三代合作伙伴计划),其目标是完成基于WCDMA的3G技术规范的制定。 后来,一个并行组织(3GPP2)也成立了,其任务是制定3G技术的替代技术——cdma2000,作为第二代IS-95的演进。 拥有自己的3G技术(WCDMA和cdma2000)的两个组织(3GPP和3GPP2)随后共存多年。 然而,随着时间的推移,3GPP 完全接管并进一步扩展到 4G 和 5G 技术的制定中,尽管名称仍然是 3GPP。 如今,3GPP是全球唯一制定移动通信技术规范的重要组织。

1.2 下一代无线接入技术——5G/NR

关于5G移动通信的讨论始于2012年左右。在许多讨论中,5G一词指的是一种特定的、新型的5G无线接入技术。 不过,5G也常常被用在更广泛的语境中,指的是未来移动通信可以支持的可预见的大量新应用服务。

1.2.15G应用场景

谈论5G时,经常会提到三个应用场景:增强移动宽带通信(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超可靠低时延通信(URLLC)(见图1-2)。

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需要指出的是,将5G应用场景划分为这三类不同的类别在一定程度上是人为的,主要目的是为了简化技术规范的要求定义。 实践中,有很多应用场景无法准确划分为这三类。 例如,可能有一个服务需要非常高的可靠性,但没有很高的延迟要求。 其他应用场景可能要求终端的成本非常低,但不要求电池具有非常长的使用寿命。

1.2.2 LTE向5G演进

LTE 技术规范的第一版于 2009 年提出。此后,LTE 不断发展以提供增强的性能和扩展的功能。 这包括增强移动宽带、支持更高的实际可实现的最终用户数据速率和更高的频谱效率。 它还包括扩大LTE应用场景,特别是支持具有超长电池寿命的低成本终端,类似于大规模MTC应用。近期,LTE在降低空口时延方面也发挥了重要作用。

进步。

通过这些已完成的、正在进行的和未来的演进,LTE将支持许多5G应用场景。 从更广泛的角度来看,5G并不是一种特定的无线接入技术,而是由它所支持的应用场景来定义的。 因此,LTE应该被视为整个5G无线接入解决方案的重要组成部分。 参见图 1-3。 虽然解释LTE演进不是本书的主要目的,但第4章将概述LTE演进的现状。

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1.2.3NR——新型5G无线接入技术

尽管LTE是一项强大的技术,但5G仍存在一些LTE及其演进无法满足的要求。 事实上,LTE始于十多年前,并且在过去十年中出现了许多更先进的技术。 为了满足这些需求并释放新技术的潜力,3GPP开始开发一种新的无线接入技术,称为NR(New Radio)。 2015年秋季召开了研讨会,定义了NR的范围,并于2016年春季开始了详细的技术工作。2017年底完成了第一版NR标准,以满足5G早期部署的商用需求。 2018.

NR 借鉴了 LTE 的许多结构和功能。 不过,NR作为一种新的无线接入技术,不需要像LTE演进那样考虑向后兼容问题。 NR的要求也比LTE更多、更广,所以技术方案也会有所不同。

第 2 章讨论与 NR 相关的标准化活动,第 3 章提供频谱概述,第 4 章简要描述 LTE 及其演进。 本书的主体部分(第5章至第19章)详细描述了NR技术标准的现状,第20章是对NR未来发展的展望。

1.2.45GCN——新型5G核心网

除了定义NR这种新的5G无线接入技术之外,3GPP还定义了一种新的5G核心网,称为5GCN。 新的 5G 无线电接入将连接到 5GCN。 然而,5GCN也可以为LTE的演进提供连接。 同时,当NR和LTE以所谓的非独立模式运行时,NR也可以连接到传统的EPC核心网,这将在第6章中进一步描述。

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