【5G】5G技术组件 5G Technology Components

        5G的目标设置非常高，不仅在数据速率上要求达到20Gbps，在容量提升上要达到1000倍，还要为诸如大规模物联网（IoT， Internet of Things）和关键通信等新服务提供灵活的平台。这些高目标要求5G网络采用多种新技术组件。本章概述了与长期演进（LTE，Long Term Evolution）相比，5G的主要新技术。以下是该章的总结：

1. 频谱利用（Spectrum utilization）：5G网络需要利用更高频段的频谱，以提供更高的数据速率和更大的容量。
2. 波束成形（ Beamforming）：波束成形技术可以通过定向信号来提高数据传输效率，减少干扰。
3. 物理层和协议 （Physical layer and protocols）：5G的物理层和协议与LTE相比有所不同，旨在支持更高的带宽、更低的延迟和更高的可靠性。
4. 网络切片（ Network slicing）：网络切片技术允许网络在逻辑上被划分为多个虚拟网络，以满足不同类型的服务需求（例如IoT、关键通信等）。
5. 双重连接（ Dual connectivity ）：通过支持终端同时连接到两个基站，提高网络的可靠性和数据吞吐量。
6. 新架构-无线云和边缘计算（New architecture with radio cloud and edge computing）：5G引入了新的架构，包括无线云和边缘计算，这使得网络可以更加灵活和高效地进行资源分配和处理。

一、频谱利用Spectrum Utilization

1. 频段 Frequency Bands

        5G无线电的设计目标是灵活利用频谱资源，充分利用从400 MHz到90 GHz的所有可用频谱，包括授权频谱（ licensed spectrum ）、共享接入频谱（shared access spectrum） 和未授权频谱（unlicensed spectrum），以及频分双工（FDD，Frequency Division Duplex）和时分双工（TDD，Time Division Duplex）频段，以及窄带（ narrowband） 和宽带 （wideband ）分配。

• 20 GHz以上的毫米波频谱可以提供超过1 GHz的带宽，这使得数据速率可以高达20 Gbps，同时支持极高的移动宽带容量。毫米波主要适合局部使用场景，例如大型活动、户外和室内热点以及固定无线接入的应用场景。
• 2.5–5.0 GHz频谱将在城市地区用于5G的覆盖和容量，通过重用现有的基站站点。
• 3.5 GHz周围的频谱对5G来说非常有吸引力，因为它在全球范围内可用，并且频谱资源丰富。在该频段，每个运营商通常可以获得高达100 MHz的带宽。如果使用大规模多输入多输出（MIMO）波束成形技术，5G在3.5 GHz频段的覆盖范围可以与LTE1800的覆盖范围相媲美
• 低频FDD频段对于广域农村覆盖、超高可靠性以及深度室内穿透是必需的，广泛的覆盖对于物联网（IoT）和关键通信等新应用场景非常重要。

2. 带宽选项 Bandwidth Option

        5G无线电设计支持多种带宽选项。在低频段需要窄带载波，而在高频段使用宽带载波更加有利。LTE的最大带宽为20 MHz，而5G在子6 GHz频段支持最多100 MHz带宽，在毫米波频段支持最多400 MHz带宽。通过载波聚合，可以支持更大的带宽，但在宽带频谱分配中，宽带载波更加高效。如果有100 MHz频谱可用，LTE可以通过载波聚合使用五个20 MHz的载波。载波聚合方案需要每个载波上都有公共信道，需要在载波之间进行负载均衡，还需要避免不必要的保护带。相比五个20 MHz的载波，使用一个100 MHz的单载波更加高效。LTE中20 MHz的最大带宽选择是一个不错的选择，因为在LTE部署的频段中，每个运营商的频谱分配通常为20 MHz或更少。然而，在5G部署的新频段（如3.5 GHz频段和毫米波频段）中，有更多的频谱资源，这也为5G支持更大的带宽提供了依据。

3. 频谱占用 Spectrum Occupancy

        LTE设计时包含了10%的保护带，以避免相邻载波之间的干扰。20 MHz的LTE频段中，实际传输带宽为18 MHz，2 MHz被保留为保护带。实际部署显示，10%的保护带过于宽泛。此外，相比LTE，5G在射频要求方面可以更加严格。因此，5G的频谱利用率可以从LTE的90%提高到最高98%。下图展示了与不同载波带宽和子载波间距的信道间隔相比，5G的频谱利用率。100 MHz和30 kHz的部署案例中，频谱利用率为98%；10 MHz和15 kHz的案例中，频谱利用率为94%。

4. 控制信道的灵活性 Control Channel Flexibility

        5G被设计为支持灵活的带宽分配。这是因为在某些情况下，频段的一部分可能无法使用，或者某部分频段受到干扰，或者可用的频谱与预定义的3GPP带宽不匹配。因此，系统需要具备灵活性，以根据特定需求高效利用频段。

        LTE控制信道存在一些局限性：LTE下行物理下行控制信道（PDCCH）分配在整个频段范围内，而LTE上行物理上行控制信道（PUCCH）分配在频段边缘。如果需要从一侧压缩载波带宽，LTE的控制信道分配缺乏灵活性。5G的控制信道具有更高的灵活性，允许在频域中将控制信道分配到合适的位置。控制信道分配的示意图如图所示。

5. 动态频谱共享 Dynamic Spectrum Sharing

        从2G到3G，再到LTE的频谱重分配是一个缓慢且相对复杂的过程。必须从一部分频谱中淘汰旧技术，然后将其分配给新技术。在这些过程中，不可能在不同技术之间共享频谱。

        从LTE到5G的频谱重分配将变得更加简单，这得益于动态频谱共享（DSS）。5G和LTE可以在相同的频谱带宽上共存，从控制信道的角度来看，两者可以共享同一频段，资源将在两种技术之间动态分配，具体取决于设备的即时分布和容量需求。

二、波束成形Beamforming

        波束成形（beamforming）是提升移动网络性能的一个有吸引力的解决方案。波束成形可以提供更高的频谱效率，从而为现有基站站点增加更多的容量，还可以改善链路性能，并提供更广泛的覆盖范围。       

        大规模MIMO主动天线将天线和大量小型射频单元组合成一个单独的封装。传统的解决方案是将被动天线和射频单元分开。主动天线在小功率放大器的相位控制可以通过数字处理来实现时，能够有效地实现波束成形。典型的射频单元数量可以是16、32、64或128个，这些射频单元集成在主动天线中。主动天线还使得安装更简便，因为天线和射频之间没有电缆连接。由于没有射频电缆和连接器的损耗，功率效率也可以得到提升。

        波束成形的好处主要通过大规模MIMO天线得以实现。目标是使5G无线电设计能够充分优化，以支持大规模MIMO波束成形。波束成形的基本原理如下图所示，传统解决方案是通过整个小区范围传输数据，而波束成形则是通过窄波束将数据发送给用户。相同的资源可以在一个扇区内被多个用户复用，干扰可以最小化，小区容量可以增加。

        大规模MIMO是传统MIMO技术的扩展，采用具有大量可控发射器的天线阵列。3GPP将大规模MIMO定义为超过八个发射器。波束可以通过多种方式形成，以提供固定的波束网格或特定于用户设备（UE）的波束成形。如果天线有两个收发器（TRX）分支，它可以向一个用户设备发送两个并行流。如果天线有四个TRX，它可以向具有四个天线的一个用户设备发送四个流，或者同时使用多用户多输入多输出（MU-MIMO）向两个用户设备发送双流。如果天线有64个TRX，它可以并行地向多个用户设备发送数据。TRX的数量是大规模MIMO天线设计中的一个重要因素。使用的TRX数量越多，能够生成的波束数量越多，从而带来更大的容量。但增加更多TRX也使天线更大，并增加了成本。

        另一个重要的天线设计因素是天线元素的数量，这个数量可以大于TRX的数量。下图展示了一个具有192个元素的天线实例：12个垂直、8个水平和2种不同的极化方式。天线元素的数量决定了天线增益和覆盖范围。使用更多的天线元素使天线变大，并提高天线增益。天线元素的间距取决于频率：在低频段，天线的物理尺寸更大。

• 天线元素的数量决定了天线的增益和天线的尺寸。天线尺寸还与频率密切相关，频段越高，天线越小。
• TRX的数量可以等于或小于天线元素的数量，决定了容量增益。
• MIMO流的数量可以等于或小于TRX的数量，决定了峰值数据传输能力，主要取决于基带处理能力。

        当天线元素的数量大于TRX的数量时，额外的元素通常以更多的行形式添加。一个典型的MIMO天线可能具有192个天线元素、64个发射器，并支持最多16个MIMO流。在这种天线中，每个TRX有三行天线。

        波束成形在5G中比在LTE中能够带来更多的增益，原因有多个：

• 5G支持公共信道的波束成形和波束扫描（beam sweeping）。波束扫描指的是同步信号（synchronization signa）和广播信道（broadcast channel）在时间域中通过不同波束传输的操作。LTE中不支持公共信道的波束成形。
• 5G支持用户特定的参考信号（reference signals），能够实现用户特定的波束成形。LTE必须使用小区特定的参考信号（CRS，cell‐specific reference signals），这些信号不能用于波束成形。
• 5G中没有遗留设备的限制，因为波束成形从5G的第一版规范开始就已被包括在内。而在LTE中，波束成形必须基于上行链路测量参考信号（SRS，Sounding Reference Signal ），因为遗留设备不支持波束成形反馈。
• 5G支持更多的发射分支。5G初步支持64个发射分支的反馈，而LTE在Release 8中支持4TX，Release 10支持8TX，Release 13支持16TX，Release 14支持32TX。

        大规模MIMO主动天线（Massive MIMO active antennas）将天线和大量小型射频单元（RF units ）组合成一个单独的封装。传统的解决方案是将被动天线（passive antenna）和射频单元分开。主动天线（active antenna）在小功率放大器的相位控制可以通过数字处理来实现时，能够有效地实现波束成形。典型的射频单元数量可以是16、32、64或128个，这些射频单元集成在主动天线中。主动天线还使得安装更简便，因为天线和射频之间没有电缆连接。由于没有射频电缆和连接器的损耗，功率效率也可以得到提升。下图展示了一个具有64个TRX的诺基亚主动天线。

三、 Flexible Physical Layer and Protocols

        5G无线设计需要在物理层和协议层中提供更强的灵活性。本节介绍了主要新解决方案领域。

1. 灵活的数字化技术 Flexible Numerology

        5G无线需要具备支持所有不同频谱选项的灵活性。解决方案是灵活的数字化技术，5G被设计为根据带宽和延迟要求，支持多种子载波间隔和调度间隔。在15版中，定义了15-240 kHz的子载波间隔。在后续版本中，可以支持更高的子载波间隔。使用更高的子载波间隔，可以在一个子帧中容纳更多的符号，从而降低获取时间。较窄的间隔用于较窄的5G带宽，并且更适合极端的覆盖范围。

        如果考虑在3.5 GHz频段的典型5G部署，带宽可能为40-100 MHz，子载波间隔为30 kHz，时隙长度为0.5毫秒。而LTE中的对应参数是20 MHz带宽、15 kHz子载波间隔和1毫秒的时隙长度。5G子载波间隔设计为15 kHz的2N倍数。如果需要非常低的延迟，可以使用所谓的迷你时隙，其中传输时间短于一个时隙。同时，也可以将多个时隙组合在一起。

        全球大多数2.5 GHz以下的频谱分配通常限制在每个运营商每个频段20–40 MHz之间。因此，LTE的最大带宽定义为20 MHz。较宽的频谱分配通常可在2.5 GHz和3.5 GHz或更高频率的范围内获得。5G无线电设计支持更宽的带宽，如在更高频率下可达到100 MHz甚至400 MHz。

2. 短传输时间和迷你时隙 Short Transmission Time and Mini‐slot

        LTE第8版具有1毫秒的最小传输时间，这在实际中导致最小的往返时间为10-15毫秒。传输时间在两个方向上均为1毫秒，缓冲时间为0.5毫秒，解码时间是1毫秒的倍数。如果我们想缩短往返时间，就需要定义更短的传输时间。在高速分组接入（HSPA， High Speed Packet Access）中，最小传输时间为2毫秒，在LTE中为1毫秒，在5G中为0.125毫秒，这使得5G中的往返时间能够达到1-2毫秒。更短的帧大小还要求控制信道采用不同的结构，并且用户设备（UEs）和基站（base stations）的处理时间更快。下图展示了传输时间和相应的往返时间。

        5G子帧（subframe）长度为1毫秒，具有1、2、4个或更多时隙，具体取决于子载波间隔（subcarrier spacing）。每个时隙长度为14个符号。典型的调度间隔为一个时隙。此外，还可以使用迷你时隙调度数据，迷你时隙的长度通常为2、4或7个符号。迷你时隙的目的是为所有子载波间隔提供低延迟通信（low latency communication）。迷你时隙带来了灵活性，允许低延迟服务使用非常短的传输时间，而其他服务则可以使用更长的传输时间。下图中展示了一个1毫秒的时隙和一个0.14毫秒的由两个符号组成的迷你时隙。

3. 自包含子帧 Self‐Contained Subframe

      5G中的自包含子帧（ self‐contained subframe）包括下行链路（downlink）和上行链路（uplink）的控制部分。这种设计支持在同一TDD子帧内进行确认/否认（ACK/NACK）反馈，从而实现低时延操作。单个子帧包含与数据传输相关的所有内容：下行许可（downlink grant）、下行数据（downlink data）以及上行ACK（uplink ACK）。自包含子帧的模块化特性，使其在5G网络中引入新服务时非常方便。由于支持空白子帧，自包含子帧使得在同一载波上与未来服务的前向兼容成为可能。

        自包含子帧被分为下行控制（downlink control）部分、数据传输（data transmission）部分和上行控制（uplink control）部分。在动态TDD操作的情况下，数据部分可以用于下行或上行传输。由于控制信道位于子帧的边缘，下行链路和上行链路的控制信道之间不存在干扰。

        自包含子帧还带来了其他优势，包括支持非授权频段操作（unlicensed band operation）和波束成形优化（beamforming optimization）。下行链路和上行链路之间的快速切换，有助于在互易信道（reciprocal channel）情况下，通过大规模MIMO天线优化性能，如下图所示。

4. 异步混合自动重传请求Asynchronous HARQ

        5G支持异步混合自动重传请求（HARQ，asynchronous Hybrid Automatic Repeat Request）。异步HARQ允许在第一次传输后以灵活的延迟进行重传，这为包调度器优化提供了更多自由度。而LTE在上行链路中使用同步HARQ，其中重传必须在第一次传输后8毫秒内发生。在LTE中，重传的需求通过下行链路中的NACK消息进行信令。5G则不使用显式的ACK/NACK信令，而是通过使用相同过程号的新上行资源分配来指示重传的需求。

5. 精简载波 Lean Carrier

        LTE基站每毫秒传输4次参考信号（CRS）。用户设备（UEs）需要参考信号来进行小区搜索、移动性测量、以及信道估计和解码。即使在小区内没有已连接的UE，LTE的参考信号也必须持续传输。5G系统设计则有所不同：5G没有CRS，而是使用用户特定的参考信号，参考信号与数据一起传输。如果没有用户数据传输，则不会传输参考信号。灵活的参考信号传输有许多好处：

• 降低基站功耗 Lower base station power consumption：由于不需要频繁传输参考信号，5G基站可以在低负载情况下利用省电模式。最终目标是“零用户—零功耗”。
• 减少参考信号干扰 Less interference from reference signals：这有助于最小化小区间干扰，提升网络容量。在最大负载时，LTE小区参考信号占基站总功耗的10%，而在低负载情况下，参考信号所占比例显著更高，甚至达到干扰的50%。
• 更高效的波束成形 More efficient beamforming：CRS对于用户特定波束成形没有用处，波束成形需要用户特定的参考信号。由于波束成形是5G系统的重要组成部分，参考信号结构需要相应设计。

        下图展示了LTE参考信号的传输：在5毫秒的时间段内传输20次，即每毫秒传输4次。5G则没有任何CRS，只有同步信号和广播信道，通常每20毫秒传输一次。当子载波间隔增大时，5G公共信道的相对占比会更低。图中展示了15 kHz和30 kHz两种情况。同步信道和广播信道使用4个符号，即在15 kHz时，占20毫秒内所有符号的1.4%，在30 kHz时，占0.7%。

6. 自适应参考信号 Adaptive Reference Signals 

        参考信号用于用户数据的信道估计和解调。在5G中，参考信号的传输频率是自适应的。这带来的好处是可以根据环境和预期的移动速度优化传输。多普勒频率Δf可以通过移动速度v、载波频率f和光速c来计算：

        如果我们想支持500 km/h的速度和3.5 GHz的频率，那么多普勒频率为1600 Hz。接收到的信号相位每秒会发生1600次显著变化，这意味着所需的参考信号频率需要显著更高。因此，参考信号必须在每毫秒内多次传输。另一方面，如果移动速度较低，如3 km/h，则多普勒频率仅为10 Hz，信道在10毫秒以上的时间内保持相似。LTE无线电设计支持最大为750 Hz的多普勒频率，并且参考符号的频率是固定的。自适应参考信号频率如图3.14所示。参考信号的频率还取决于多普勒扩展。当存在主导传播路径时，如3GPP高速列车（HST）模型，在频率偏移校正后残余的多普勒扩展较小。对于具有U形多普勒扩展和零平均频率偏移的信道，需要大量的参考信号。我们还注意到，用户设备（UE）会同步到下行链路信号，包括多普勒扩展。因此，基站接收机中经历的多普勒偏移可能是此处所示的两倍。

7.  自适应用户设备专用带宽 Adaptive UE Specific Bandwidth

        5G允许为每个用户设备（UE）配置不同的带宽，这也被称为带宽部分（Bandwidth Part）。在100 MHz载波下，UE1使用100 MHz的完整带宽，UE2使用20 MHz，UE3使用10 MHz。UE1的100 MHz带宽可以支持高数据速率的移动宽带，而较小的带宽则可以用于要求较低的应用。带宽可以根据数据速率需求动态适应每个UE。在下一个时刻，UE1的带宽被调整为20 MHz，而UE2的带宽调整为100 MHz。这种适应性带来了设备功耗的好处，既有来自射频（RF）的节能，也有来自基带的节能。UE只需在其自己的带宽部分内进行接收和传输。需要注意的是，Release 15中UE类别没有变化：即使UE被允许瞬时使用较少的带宽，所有UE仍然必须支持完整的100 MHz带宽。

8. 分布式MIMO Distributed MIMO

        分布式MIMO指的是从两个或多个小区向用户设备（UE）进行下行传输，或从UE向两个或多个小区进行上行接收。分布式多输入多输出（dMIMO，Distributed Multiple Input Multiple Output ​​​​​​​）也被称为协调多点传输（CoMP，Coordinated Multipoint Transmission）和多传输接收点（TRP，Multi‐Transmission Reception Point）。分布式MIMO的目标是通过增加向UE的信号功率、最小化小区间干扰以及提高连接可靠性来改善小区边缘的性能。分布式MIMO可以被视为大规模MIMO的扩展，其中发射机不在单一天线内，而是分布在不同的位置。下图中，三个无线单元同时向单一UE传输数据。传输由一个集中式单元（centralized unit​​​​​​​）控制，该单元与每个无线单元之间通过低延迟连接进行通信。分布式MIMO具有显著的潜力，尤其是在小区边缘条件下，能够提升用户的数据速率。

        CoMP技术已经在LTE的上行链路中成功应用，尤其是在上行容量成为瓶颈的繁忙大型活动中。现场结果表明，CoMP可以使上行链路容量提高三倍。由于缺乏UE的支持以及FDD模式下需要快速反馈信令，CoMP在LTE的下行链路中获得的增益较为困难。相比之下，5G在下行链路中利用CoMP的潜力更强。

9. 波形 Waveforms

        从2G全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile Communications​​​​​​​）中的时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access ​​​​​​​）和频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access​​​​​​​），到3G宽带码分多址（WCDMA，Wideband Code‐Division Multiple Access​​​​​​​）中的码分多址（CDMA），再到4G LTE下行链路中的正交频分多址（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access​​​​​​​），移动技术中已经使用了多种不同的波形。在LTE中，上行链路采用的是单载波频分多址（SC-FDMA，Single Carrier Frequency Division Multiple Access），这一方案是为尽量减少用户设备（UE）的射频要求而选择的。在5G中，SC-FDMA选项仍然被保留以实现最大覆盖范围。然而，5G上行链路的主要波形是OFDMA，这与LTE的上行链路不同。选择OFDMA的原因在于其性能显著优于SC-FDMA，尤其是在多天线传输和高阶调制下。LTE中并未实现多天线上行链路传输，而5G部署中预计会包含这一功能。5G对更高数据速率的追求解释了为什么在上行链路中更倾向于使用OFDMA。

10. 信道编解码 Channel Coding 

        在移动通信系统中，需要使用信道编码来提供更可靠的数据和控制连接，以应对衰落和干扰。在3G和LTE中，数据通道使用的是Turbo编码，而5G则采用了不同的方案：数据通道使用低密度奇偶校验（LDPC）编码，控制通道使用极化编码（Polar）。LDPC、Turbo和Polar在数据密集型应用中的链路性能相似，但LDPC在实现复杂度方面明显优于Turbo和Polar。当5G的峰值数据速率甚至超过10 Gbps时，实施复杂度变得尤为重要。

        LDPC在每单位硅面积的Gbps效率方面表现最佳，且在每纳焦耳比特的能量效率上也最为优秀。LDPC具有最有效的实现方式，得益于其并行化架构和灵活的编码设计，可以满足新的无线接入要求。极化编码在3GPP中提出用于5G，但在高数据速率下，极化编码的效率不如LDPC。作为折衷，极化编码被选用于控制通道。

11. 管道处理和前加载参考信号 Pipeline Processing and Front‐Loaded Reference Signals

        5G物理层包括一个名为“流水线处理”（pipeline processing）的概念，旨在最小化解码延迟和UE（用户设备）功耗。LTE子帧的结构是控制部分、参考信号和数据按顺序排列，LTE UE必须接收完整的子帧才能开始解码。而在5G中，子帧的开头是解调参考信号（DMRS，Demodulation Reference Signal ），然后是可以逐个解码的数据符号。这种方法被称为前加载DMRS（front-loaded DMRS），其目标是最小化解码延迟。流水线处理使得解码更加快速和连续。当没有数据传输到UE时，流水线处理还可以使UE更快速地进入睡眠模式。

 12. 连接的非活动状态 Connected Inactive State

        5G要求对无线资源控制（RRC， Radio Resource Control ）协议进行新的结构设计，以最小化设置时间和信令。LTE的RRC设计有两个RRC状态：空闲状态和连接状态。LTE UE通常处于空闲状态，以最小化UE的功耗。当需要传输数据时，UE首先切换到RRC连接状态，完成数据传输后，在不活跃定时器到期后，UE返回到空闲状态。LTE的这种方式对于频繁传输低数据量的场景（如智能手机或物联网设备）并不理想。5G规格包括RRC连接不活跃状态，目标是维持RRC连接较长时间，并最小化RRC设置信令。UE即使在长时间不活跃后也能发送数据，而无需任何RRC设置信令，这样也可以减少延迟。最小化的信令对UE、无线网络和核心网络都有好处。需要注意的是，连接不活跃状态与3G的Cell_PCH（寻呼信道，Paging Channel）状态相似，在这种状态下，RRC连接维持较长时间，同时最小化UE的功耗。

13. 无授权接入 Grant‐Free Access

        在LTE中，任何上行数据传输都需要UE向基站请求容量，随后基站做出数据包调度决策并进行资源分配。即使RRC连接已建立，这一分配周期仍会引入额外的延迟和信令。5G设计引入了无授权接入（grant-free access），允许UE在没有任何调度的情况下发送一些数据。无授权接入也被称为基于争用的接入。无授权接入最小化了延迟和相关信令。无授权接入类似于3G随机接入信道（RACH）上的数据传输。

14. Cell Radius of 300 km

        5G无线设计支持多种不同的部署场景。典型的基站覆盖范围较小，从几百米到几公里不等。也可能出现需要非常大覆盖范围的情况，例如在海洋等开阔区域提供覆盖，或者为飞机提供覆盖，或使用气球或无人机为极端地点提供覆盖。非常大的小区范围必须在物理层设计中考虑，因为传播延迟的影响。5G支持最高300公里的小区范围，相应的单程传播延迟为1毫秒，如图3.21所示。LTE的设计范围为100公里。长传播延迟在接收RACH前导码和定时提前量范围时需要考虑。图3.22展示了随机接入的情况，其中来自远距离UE的上行信号晚2毫秒到达。UE在前导码传输期间无法感知传播延迟。因此，必须在上行接收窗口中考虑传播延迟。

         5G的上行接收是同步的，这要求来自远距离UE的传输必须比近距离UE的传输提前开始，以便在基站中实现上行的同时接收。上行传输的时序通过定时提前量进行调整，信令的范围足够大，可以容纳300公里的小区范围。

四、网络切片 Network Slicing

        5G网络旨在支持针对延迟、吞吐量、容量和可用性的多样化和极端需求。网络切片（Network Slicing）为在统一网络基础设施中满足所有用例的需求提供了解决方案。下图展示了网络切片的概念。例如，同一网络基础设施可以同时支持智能手机、平板电脑、虚拟现实连接、个人健康设备、关键远程控制或汽车连接。LTE支持服务质量（QoS）区分，但在5G中需要更进一步的解决方案。

五、双连接与LTE Dual Connectivity with LTE

        5G是首个与传统无线网络紧密集成的无线解决方案，旨在实现平滑的部署和无缝体验。这个解决方案被称为双连接（dual connectivity），即5G用户设备（UE）可以同时连接到5G无线网络和LTE无线网络。3GPP支持的5G首个版本采用了非独立组网（NSA）架构，并实现了双连接。在这种架构下，5G基站（gNodeB）和LTE基站（eNodeB）都连接到演进分组核心网（EPC）。控制面通过LTE进行传输。该架构被称为Option 3x。通过使用现有的EPC和LTE移动程序，Option 3x使得5G的引入更加迅速。

        5G也可以作为独立组网（SA）解决方案进行部署，不需要LTE，使用架构Option 2和5G核心网（5G-CN）。与NSA方案相比，SA方案更为简洁，因为无需在5G和LTE之间进行互通。SA的优势在于，它可以提供比NSA更低的延迟，因为没有包含LTE协议，这些协议可能会导致额外的延迟。5G核心网支持新的端到端服务。

        以后，也可以使用NSA架构，其中5G和LTE节点都连接到新的5G核心网。控制面可以通过LTE或通过5G进行传输，分别对应Option 7和Option 4。

六、无线电云和边缘计算 Radio Cloud and Edge Computing

        无线网络架构通常是分布式的，其中所有的无线处理都在基站的天线附近进行。核心网络架构则高度集中，只有少数几个核心站点。未来的架构将有所不同：无线处理将变得更加集中，以便更好地扩展，而核心处理将变得更加分布式，以降低延迟。这一演变将把边缘云服务器引入移动网络。这些服务器的位置可以承载无线和核心网络功能。

        5G规范旨在支持无线云，通过在无线网络中定义新的接口，将功能分割到分布式射频（RF）站点和集中式边缘云站点之间。无线云的实现能够实现网络扩展性，例如在增加大量物联网（IoT）连接设备时。图3.26展示了主要的功能拆分选项及相关的传输要求。最右侧的图示为分布式选项，其中所有无线功能都靠近天线。这种选项在大多数LTE网络中使用，且在5G网络中也较为典型。最左侧的图示是另一种LTE网络中使用的选项，即基带托管（baseband hoteling），所有基带处理都集中在一个地方。基带和射频之间可以使用公共无线接口（CPRI）。CPRI要求非常低的延迟，且CPRI的数据率要求会随着带宽和天线数量的增加而增加。如果我们有一个100MHz的5G载波，配备64TRX的大规模MIMO和16个数据流，则CPRI的数据率要求接近1Tbps（没有CPRI压缩），这使得在5G中使用CPRI接口变得困难。因此，考虑了两种具有更宽松传输要求的功能拆分选项。低层和高层拆分选项将延迟敏感的功能放置在靠近射频的位置，而较少延迟敏感的功能则放在边缘云站点。这可以最小化传输要求。如果传输网络能够提供低延迟（<1毫秒），则只有部分Layer 1（快速傅里叶变换[FFT]和信道编码）位于射频附近，而Layer 1的其余部分以及其他层则位于边缘云中。这种情况下的接口称为增强型公共无线接口（eCPRI）。如果传输延迟较高，则更多功能将位于天线站点，只有部分Layer 2和Layer 3功能位于边缘云中。这种情况下的接口称为F1。

Summary 

        预计5G网络将提供显著更高的能力、更高的数据速率，并支持一系列新服务，从低延迟和高可靠性到低成本的物联网模块。为了实现这些目标，需要新的技术组件。本章总结了主要的新技术：具有宽带载波的新频谱选项、优化的波束赋形无线设计、灵活的物理层和协议层、网络切片、双连接以及云优化的网络架构。5G意味着网络设计和优化的巨大变化。

参考资料：

 5G Technology: 3GPP New Radio, by Harri Holma, 1st Edition, John Wiley & Sons Inc.