5gnr帧结构特点有哪些_5G才刚上路 5G NR到底是个什么东西？

来源：公众号传感器技术

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)。

▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技术定义

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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)。

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)。

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。