5G NR-Key Operation Features

5G NR
- 5G NR的优点
- - 高带宽 Higher Frequency
  - 压缩设计 Ultra-Lean Design
  - 向前兼容
- 传输模式
- - 帧结构
  - duplex

从本章开始，所有的基础无线通信知识和4G基础知识已经铺垫完毕，正式开始5G 相关内容，由于内容不分先后，因此不再分章节。
无线网络可以分为两部分，分别是终端到基站、基站到网络运营商的网络，这两部分无线网络在5G中我们分别称之为5G NR, 5GC。本章将对5G NR的关键操作特征进行一定的讲解和描述。

有了前几篇博文的知识铺垫，这张图应该不用多说明什么了。
R15开始，5G标准化第一阶段已经完成，从R16开始是对5G基准内容的不断优化和改善。

eMMB:超高带宽，超高传输速率
mMTC:为支持物联网运作，可以支持大量连接同时存在于网络中
URLLC:超低延迟，可靠传输
由于mMTC更多涉及到物联网知识，本专栏是通讯技术专栏，所以重点放置在URLLC和eMMB上。

5G NR

5G NR的优点

首先和OSI参考模型不一样的是，12阶层上的第三阶层不再是网络层，或者说我们在原有的第一第二层上又新加了一层称为第三层，所以以后提及三阶层，请注意并不是指的网络层。

5G数据分为两类，分别是用户数据和控制数据。
Control plane: 用于传输控制数据包，三阶层不是IP，是新制造的用于无线通讯的阶层。
User plane: 用于传输用户数据，三阶层IP层
二者都需要一二阶层传输数据。

设计原理：
利用更高的频带作为获取额外频谱的手段，以支持非常宽的传输带宽和相关的高数据速率。一般而言5G主要使用和4G使用的2GHz差距不大的3.5GHz，但是这里说的超高带宽不是指这个，而是28GHz级以上的毫米波带宽。当前市场还是以3.5GHz的毫米波为主
超精简设计，想要消除CRS这种持续发送的信号，并提升网络能量性能，减少干扰。
向前兼容，为未来未知的用例和技术做准备。这是5G的一个大特点。
ex) 以subframe单位传输数据时，此时控制信息有PDCCH控制，这样的控制信心的位置是固定的，因此需要对这些控制单元进行监控管理。

关键技术：
低延迟，主要用于远程控制。以提高性能和启用新的用例
波束中心设计，可广泛使用波束形成和大量的天线元件，不仅用于数据传输(在LTE中这在某种程度上是可能的)，也用于控制平面程序，如初始访问。在28GHz的环境下没有波束赋形无发提供任何服务，3.5GHz的情况下波束赋形也在天线组件的改进下大大增加了波束赋形能力。

高带宽 Higher Frequency

传输mmWave
非常高的流量和极端的数据速率
更高的无线电信道衰减，限制了网络覆盖【毫米波在热点范围内性能最好，在中继使用也是很好的选择，但是大范围覆盖都是使用低频带的频率】
先进的多天线传输/接收
NR中波束中心设计的激励因素之一
在视线受阻及从室外到室内的传播情况下，覆盖范围有很大问题

压缩设计 Ultra-Lean Design

Always-on: 用户不传输数据也要持续在信道内从传输的数据，如CRS。CRS对可实现的网络能源性能施加上限，对其他小区造成干扰从而降低可实现的数据率这部分信号。在5G内被要求尽可能消除，从而节省电力和减少信道间干涉。
DM-RS：[代替CRS]
单元搜索程序在NR中重新设计，解调参考信号(DM-RS)结构，其中NR严重依赖RSs，只有在数据传输时才存在（CRS是一直在传输信号），其他情况下不存在。

向前兼容

为无线电接口的未来发展提供高度的前向兼容性
在引入新技术和支持未知需求和特性的新服务的同时，仍然支持同一运营商上的旧设备
NR的正向兼容性
最大化可灵活利用的时间和频率资源数量，或可留空而不会在未来造成向后兼容性问题
最大限度地减少始终在线信号的传输
在可配置/可分配的时间/频率资源中限制物理层功能的信号和通道

传输模式

5G 中上下行链路都是使用OFDM。LTE中上行链路使用SC-FDMA，该技术存在的很大问题就是发信简单，收信机制复杂，而D2D网络中，终端设计只能满足OFDM需求，而D2D的发信方式是SC-FDMA，因此想要建立二者的sidelink需要基站辅助或终端做更复杂的设计和机制处理，因此5G在这一点上也更有优势。

多种部署场景
从1 GHz以下的载波频率到毫米波部署的大型单元
最大载波带宽为50/100/200/400 MHz，子载波间距（这些是最大值，可以比定值小）为15/30/60/120 kHz,二者有一一对应关系。对于更大的带宽，则采用载波聚合

在LTE中OFDM的RE横纵坐标是固定值，但是5G中是变化值，二者有反比例关系。如上图所示，subscarrier 两倍则 symbol变为原来的二分之一。对应的ER值，包括CP也在上图的表格中，当symbol大（两通信距离远）的时候，CP也应该设置大一些，因为高反射环境下可能会出现传输的信号部分被反射回来的情况，在第二信号可能会接收已经发出的1信号的部分数据，这些数据应该被丢弃，所以设置了CP。

帧结构

通信之前，终端会查找范围内的基站并试图连接，但是并不是持续查询，而是一定的时间周期查询一次。整体而言结构与LTE-OFDM并无差异，但是反映了symbol与subcarrier的反比例关系，辅助载波频率越高对应的时间槽越小。
其次帧结构中由于没有CRS，因此在头部有下行信道的控制信息分配帧内每段数据属于哪个使用者，用户只通过识别头部从而筛选属于自己的信号，同时尾部拥有上行数据，之间的属于保护带，这里叫做flexible。上行链路控制信息也包含在头部中，头部叫做PDCCH，内含调度信息和对上行信道的数据要求。需要时用户需要获得许可，才能够想基站发起上行数据连接。此外下行链路的参考信号紧随头部，确定信道信息。以此帧结构实现5G-OFDM的控制。

当一个完整的时间槽的头部已经被发送，此时新的数据应该等待下个时间槽并装载到下个时间槽再发送数据。为了更低的延迟，5G NR中修订了这一部分，即便数据在时间槽的中间位置到达，也可以立刻发送。这种方式叫做Mini-slot transmission。
除了低延迟之外，还追加了一个新的特性。像28GHz这种超高带宽，一个slot可以传输海量数据，我们可以通过波束赋形将多个信号复合装载到一个slot里传输。
在非许可区频段内，为了LBT机制（CSMA机制）的实现，判断如果当前slot有空位，则将当前数据插入到当前slot，否则等待下个slot。因为这种机制，原有的OFDM的时间轴就没有太大的意义了，从而可以优化成下图所示

OFDM中不再看时间轴，只看频率轴即可。还有一点不同之处，LTE的载波中有多个数据源信号时，它们总是从频带中心位置向左右辐射，如20M的频带，2M的带宽会使用9-11M的带宽，10M的会使用6-15的带宽等。然后多个不同频率的信号再进行调制，而在NR中，设备不再由频带中心点固定发散而是任意位置。
设备的接收带宽
NR带宽:50/100/200/400 MHz（当800MHz的带宽需求时，可以使用CA[载波聚合]达到目的）
NR设备只能看到运营商的一部分
设备接收的部分载波不能以载波频率为中心

在帧结构的头部有控制数据，包括了信道带宽的控制数据。基站自然能够提供巨大的带宽，但是终端如果要支持大带宽接收数据的话，特别是物联网设备，造价过高，因此其接收带宽有限，要求基站传输数据时带宽也应该动态调节。根据数据的需求情况实时调制带宽，也可以由设备使用更窄的带宽来监控控制通道并接收小型到中型的数据传输。然后在计划大量数据时打开全带宽。

完全依赖用户专用的DM-RS(解调参考信号)进行信道估计
除非有数据要传输，否则不传输，从而提高网络的能量性能，减少干扰

duplex

现代产业的扩张下，网络需求多种多样，已经不再是家庭用户必然下行链路需要高于上行链路了，像直播从业人员，他们对上行链路的需求远高于下行链路。

Duplex：怎么分配上行和下行链路。
TDD：使用相同频率根据时间分开，上传数据时无法下载，下载时无法上传
FDD: 使用不同频率区分两种频率，可以同时收发
Half-duplex FDD: 使用两种频率，不可以同时收发。
In-band full duplex: 全双工，一个频率同时收发，要求有收信和送信的两种模型。如果只有一种模型，则会变成半双工，不能同时收发，当然这种造价要高于半双工。该模式下，上行链路的信号强度高于下行信道，也就说上行信道会对下行信道的信号进行干涉，但是由于终端知道自己的输出信号，因此即便上行信道的信号与下行信号的数据混合了，再次过滤掉已知信号是要从模拟信号技术层面入手的，这种技术现在仍然并不是特别成熟但是已经能够做到了。
NR在小区中主要使用TTD，大范围区域使用FDD[造价原因],LTE使用FDD。一般情况下低频带区域使用TDD和高频带区域使用FDD

动态TDD：一般大范围覆盖下，用户多，整体流量满足一定规律，目前来看城市规律一般满足下行比上行约等于四比一。这个比例是几乎固定的，运营商可以随时调节，但是调节后需要保证整体服务性能最好。四比一不等于每个用户都是四比一，是整体的比例，某主播主要使用上行链路但是一般家庭用户还是下行链路使用的多，是整个城市用户的整体流量使用情况。而在小区域内，由于用户少，所以可能整体流量统计并不准确，此时实时根据区域内流量变化进行动态调节。
调度程序(Scheduler, BS)动态地决定传输方向

LTE和5G在URLLC方面的差别就在于5G提供了mini-slot transmission。除此之外，LTE中的Hybird-ARD ACK的往返时间大约是4ms，但是NR中是0.5ms，速度达到八倍。
MAC和LRC属于通信协议方面的问题，不在此章节叙述。

类似于LTE
通道质量报告
不同流量优先级[LTE没有]：花钱多的用户体验速率更佳
QoS

使用增量冗余的混合ARQ(自动重复请求)重传。当Tx发送数据之前，他会准备的数据率假定为100%，假设令该数据量的80%的可以自解码，剩余的20%就是增量冗余。
每次传输时，只传输80%的数据，只要这部分数据可以被接收，接收端就可以解码并提交上层。如果传输失败，接收方请求重传，此时Tx并不重传80%的数据，而是从增量冗余中选取一部分数据重传，重传的数据与原80%的数据相结合后解码出完整的数据。这是Hybrid ARQ的原理。
LTE与NR 都有这种技术，5G则对其进行了更标准化的设计。

上行链路控制中可通过周期性提供稳定资源分配的方式来避免基站对通信的持续调整从而减少控制信息增加通信效率。有两种方式实现这。
首先是通过两者协商后，协商完成后立刻就可以周期性的分配资源个上行数据传输；一种是通过协商后也需要PDCCH发起上行链路的控制信息后才会开始周期性传输。

PDCCH(物理下行控制信道):调度DL分配和UL授权
比LTE(全带宽)更灵活的时频结构
带宽能力不同的设备占用不同的带宽
支持控制通道的设备特定波束形成

PUCCH (物理上行控制信道): 来自于设备反馈信息
如Hybrid-ARQ ACK, 用于多天线操作的信道状态反馈或者上行数据等待传输调度请求
SOUCCH：独立槽slot：按照OFDM符号的顺序从数据传输到ACK接收的延迟

FR1: 高频带。数据率高，覆盖率低，使用单向波束赋形增加覆盖范围
FR2: 低频带。数据率低，覆盖率高，使用全方位MIMO尽可能提高范围内数据率，更高频率的模拟信号做波束赋形(传统MIMO:数字波束形成)

初始波束建立：通信二者间往往有最佳的波束，为此进行方向调整的第一个波束
波束调整：波束赋形过程中也会受各种介质影响而失真，将其调整回原有的模样
波束恢复：波束赋形失败，恢复的过程

下面是维持通信设备间连接的过程：

基站和设备建立连接的过程：
手机搜索PSS或者SSS
通过PBCH接收必要的系统信息
通过随机生成比特流访问传输给基站来请求连接
以上过程就是初始波束建立的过程，这个过程里需要寻找合适的方向，完成后就可以维持连接了。

<PSS/SSS/PBCH>均属于同步信号块，视为同步必要的固有步骤即可。

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