北邮通信博士万字长文，带你秒懂 4G/5G 区别！

[原创文章：www.ii77.com]

作者 | 崔原豪

责编 | 胡巍巍

如今，通俗用户对5G布满进展，很多人认为它将是一场厘革 – 改善的用户体验、新的应用、新的贸易模式和新的办事将陪伴着千兆比速度、低延迟、大容量、低能耗加倍进步的收集机能和靠得住性应运而生。 

然而，运营商和一些通信行业人士却对贸易案例持猜忌立场 - 5G手艺尚不成熟、布置5G需要大量投资，警告声不停于耳。ITU发布的申报中[2]曾估量，在假设光纤回程在贸易上可行的情形下，5G布置成本可从小城市 的680万美元到生齿密集大城市的5550万美元不等；而单站的布置成本大约在20000美元到50000美元之间(注：这里提到的成本是投资成本CAPEX，不包含历久运维成本)。 

国际电信联盟（ITU）在2015年9月发布M.2083-0号建议[1]时（面向2020年及之后的国际移动通信构造和方针），时任电信成长局主任的布哈伊马•萨努就已经意识到他们正在揭开一场波澜壮阔却又争议丛生的通信行业新篇章。 

不外他或许没有想到的是，在4年后的今天，5G会成为人工智能今后又一个热点，引来全民商议和追逐，引来大国计谋博弈，甚至是以催化了5G商用措施。 

有人高兴，有人忧虑，有人感觉布满前景，有人认为会彻底失败，众口纷纭。每小我都有本身的对峙，本文将从需求、手艺角度聊聊5G的愿景、手艺，简洁谈谈作者对这些手艺的懂得。

移动通信系统演进

自从人类社会降生以来，若何高效、快捷、靠得住地传输信息始终是人类矢志不渝的追求。从文字到印刷术，从欧洲陈旧的光旌旗塔到现代无线电，从手工转接德律到宽带移动互联网，能够这么认为，现代科技成长速度一向被信息流传速度所直接影响。从这个角度来看，如今商用移动通信收集或许能被称作全球信息流传系统中的最主要构成部门。 

它的影响潜移默化，时至今日固然好多人都因为信息爆炸而憧憬车马邮件都慢的古铜色汗青，但若是真的没有收集，没有旌旗，我想大部门人的工作和生活都邑无法正常进行。 

与此同时，有一种概念这么认为，移动通信系统现象级的成功首要来自于极为快速的手艺立异和迭代。从20世纪70年月初贝尔实验室研制出第一代移动通信系统（进步移动德律系统，AMPS）到21世纪初的第四代移动通信系统，移动通信系统已经完成了从模拟通信到数字通信、从纯电路交流到全IP交流、从CDMA到OFDM的数次手艺更新，每一次更新都带来了更快的速度、更低的延迟和更多的特征，也带来了更好的用户体验（拜见下图中1-5G的手艺和机能对比）。 

注：图中速度均不考虑载波聚合等,稀奇感激华为资深工程师赖振波提出的建议

实际上，为了统一全球通信尺度以轻易用户国际漫游等需求，自从3G以来，ITU一向致力于从各区域的工作小组和工作论坛中汇集整顿将来通信行业需要解决的问题，并每十年摆布发布一次官方建议文件，作为此代通信系统的设计方针，并从全世界收集相符该方针的手艺尺度，这些尺度平日由雷同3GPP或许IEEE的组织制订提交，由ITU验证评估。 

能够认为这些快速迭代的建议方针是相符当下将来十年的通信需求的。当然，因为贸易和政策问题，当存在竞争尺度时，相符这些方针的尺度鸠合纷歧定会完全成功，两个非常典型的例子就是TD-SCDMA和WiMax。

那为什么ITU需要发布IMT-2020（5G）建议？

一些数据或者可以解说问题：

截止2016岁尾，LTE系统已经笼盖了21.7亿人，包含世界上大部门国度区域 ，保持数几乎以每年翻倍的势头增进，2015年LTE的保持数达到十亿，估计到2021年或者达到43亿。若是想要用LTE系统同时办事物联网设备，那么2022年摆布总保持数或者达到180亿，这已经完全跨越了当前LTE系统的负载能力。 

当然，一种对照简洁粗鲁的设法是直接增加基站，然则如许做又会带来好多新问题：在4G（IMT-Advance）的设计方针里，并没有考虑能耗和二氧化碳排放量等等问题；固然3GPP提出的LTE系统有考虑物联网设备，然则物联网自己的要害机能也没有在4G的设计方针占有一席之地；加倍严重的问题是，因为4G中手艺选型、调制体式设置和单载波频带宽度等等问题，4G收集已经达到它设计之初的理论速度上限[2]，与之雷同的还有频谱行使率，移动性，办事质量等等指标。 

当房子里的住户每次走进房门都需要考虑是不是撞到头的时候，或许就是考虑换个门的时候了。 

是以，ITU在2015年提出了新的IMT-2020方针，5G拉开了序幕。

IMT-2020是第五代移动通信系统的需要知足的方针。纯真就IMT-2020来说，其增加型移动宽带的峰值数据速度需要达到10Gbit/s，在某些场景下需要支撑20Gbit/s的峰值数据速度；用户有望体验到的带宽达100Mbit/s；整个收集的能耗该当比现存的IMT-advanced系统低100倍；无线往返延迟<1ms；支撑500km/h的高移动性办事等等；同时划分了三个主要场景增加型移动宽带（eMBB），海量机械通信（mMTC）和超靠得住低延迟通信（URLLC）。 

当IMT-2020建议发布之后，ITU就当了甩手甲方，坐等验收了。那么若何组织各项无线通信手艺来组成一个系统来知足5G方针，怎么设计这个通信系统就甩给了3GPP和IEEE等尺度化组织。

5G中为了使收集虚拟化，在接入网采用了C-RAN手艺，它将基站掌握单元放置在基带池中，那么基带池就成为了一个自然的小型数据中心。如许的小型数据中心有能力为基站池所办事的局限内用户供应一些较量/保留等缓存，若是布置在基站四周，或许就是某些基站自己，这种体式我们成为边缘较量。

怎么才能才能设计一个通信系统达到5G预想的方针？

4G自己是对照成功的，它已经竖立了一个手艺底线，那么怎么从浩如烟海的通信理论中找到可用的手艺方案，据此提出尺度提案，并让所有这些尺度组合起来的整个系统机能能够达到ITU方针呢？更主要的是，要同时实现公司好处最大化？这或许是15年8月以来让到场3GPP的各大公司最头疼的事儿了。 

分歧公司有分歧的选择：有实力的通信公司会选择本身预研进步的通信手艺，预先结构，然后凭据本身的手艺储蓄做出提案，而没有实力做太多预研的公司，或许需要考虑本身的好处最大化来选择提案支撑。 

不外总体来说，有那么几种新手艺是人人都看好的，就是好多文章都有提到的： 

毫米波(mmWave)，大规模天线(massive MIMO)，收集虚拟化（NFV）/切片，改善的OFDM调制体式，Polar码，边缘较量，C-RAN。 

同时，优化4G系统也衍生出了好多新的设计方案，所以从今朝（Rel 15）来看，整个5G的调整是如许的（如下表）： 

注：边缘较量、C-RAN今朝并未在Release 15中界说。

我想若是具体注释这些手艺和调整，需要从头讲起。

5G的新无线手艺（基站部门）

无线通信的最主要的义务之一是获得更快的传输速度。对于此，我们有一个非常简洁的权衡指标：任何通信系统的信道容量（最大数据传输速度）老是能够经由香农公式和信道容量来描述。

那么很天然的，我们始终能够经由提高无线电的频带宽度和信噪比两种指标来获得更快的传输速度。为此，移动通信系统的单载波带宽从2G时代的200kHz，成长到3G时代的5MHz，4G时代的20MHz（可变），直到如今3GPP 5G Release15中支撑最大单载波带宽400MHz（可变）。 

注：当前eMBB场景中sub 6G基站（就是今朝正在商用的非毫米波基站）介绍使用的是100MHz单载波带宽。 

而实际上，运营商从无线电治理部门的频谱宽度弗成能刚好是20MHz（4G）或许100MHz（5G）如许的单载波带宽。好比移动在4G时代就曾获得1880 -1900 MHz（Bands:39）、2320-2370 MHz（Bands:40）、2575-2635 MHz（Bands:41），它们的频带宽度离别是20MHz，50MHz，60MHz。 

如许的实际情形究竟是运营商能够选择在本身的频带上同时传输多个载波。这些载波能够办事分歧的用户来提高小区容量,也能够同时办事一个用户来提高单用户峰值速度。 

当n个单载波办事一个用户时，用户能获得的频带宽度就是单载波带宽的n次倍，如许用户体验到的速度也能提高n次倍。这就是此外一种经由提高带宽，提高用户速度的手段载波聚合。 

所以在4G后期，显现了好多经由支撑三载波聚合获得高达600Mbps传输速度的LTE-A基站和手机终端。在5G中，载波聚合会因为可变帧参数获得更普遍的应用，好比能够将用于毫米波的400 MHz (@120 kHz)载波与用于sub 6G的100 MHz (@ 30 kHz)载波聚合，获得更快传输速度。

毫米波

正如我们之前所说，一种提高数据传输速度的体式是增大频带宽度，然则实际中会面临一些囧境：现有的商用无线电频段（300MHz-3GHz）因为穿透性好，笼盖局限大而太甚于拥挤，这部门频段经很难找到闲置的频谱用来通信。 

所以现有的体式就是往3GHz以上寻找可用频段，而3GHz以上可用的频谱之一就是毫米波频段了。从久远来看，甩掉我们毫米波频谱中两个特别的部门：氧气接收和水蒸气接收频谱，剩余部门带宽(252GHz)也远弘远于现存的1-4G商用频谱之和(3GHz)，足以知足将来带宽的需求。 

虽然毫米波频段有大量频谱可供使用，然则依然碰到了一些根蒂性问题：电旌旗在流传的过程中会遭遇非常严重的路衰和雨衰，是以毫米波一样只能用于视距通信，无法承受遮挡，并且在多障碍物的室内会激发严重的多径效应。 

注：多径效应的后果是领受机难以分清旌旗主径，在这种情形下，分歧路径的旌旗会因为达到时间分歧，发生互相干扰，降低领受机信噪比。 

同时，毫米波频段因为接近氧气和水蒸气接收频段，人体味对毫米波频段旌旗流传发生很大衰减。这种情形下当手机内部天线放置欠妥时，即使手握手机也会显著影响旌旗质量，这敌手机厂商的毫米波天线设计方案也带来了挑战。此外，毫米波芯片功耗对照大，射频和天线部门都有较显着的设计难题，今朝国内的布置方案首要采用sub6G频段完成5G笼盖，毫米波笼盖首要在美国等国度进行。 

固然毫米波频谱行使有很大挑战，然则今朝毫米波频谱需要被用于5G通信已经成为业界共识。首要原因是若是想要完成5G通信中高速数据传输方针，毫米波频段的使用是重中之重。是以业界一向在积极索求或者性和实际性。 

早在2016岁首，3GPP、美国联邦通信..（FCC）、欧盟..无线频谱政策组（RSPG）、中国工信部和韩国、..、澳大利亚、加拿大、新加坡等国均开展了针对毫米波频段的规划及测量研究。在今朝发布的3GPP R15中，由3GPP RAN4工作组分派及界说了52.6GHz以下频谱，而100GHz以下的频谱将在本年岁尾的R16平分配完成[3]。

不外，今朝针对毫米波频段的使用还存在另一大争议，24GHz四周的n258频段或者会对射电天文和天色展望等设备发生必然干扰，或者会影响到卫星通信、太空探测和景象展望等买卖。凭据ITU在2018岁尾TG 5/1工作组的无线电兼容共存申报，对于射电天文买卖，23.4GHz-24GHz频谱应设立34-52公里的珍爱距离，能够限制干扰。

然则即使如斯，n258频谱的分派也是以在美国遭到了商务部和美国航空航天局（NASA）的强烈否决。

大规模MIMO

为了提高空域增益，旌旗发射端（例如基站）能够布置多天线系统，并让每个天线自力发射旌旗，同时在领受端用多个天线领受并恢复信息，这种多天线使用体式我们称之为MIMO（Multiple Input Multiple Output）。

MIMO能够非常有效的提拔数据传输速度，幻想情形下，对于上下行天线数目沟通的MIMO设计（例若有M个收发天线），那么信道容量/最大数据传输速度能够提拔M倍。

同时，MIMO也能够经由波束设计完成发射能量聚焦，从而提拔接管旌旗能量，提拔信噪比和基站笼盖局限。不外平日情形下这种体式所提拔的笼盖局限会受到较为严重的障碍物衰减。

这种多天线设计需要对每个天线都付与权重，才能是以提高空间复用增益。是以传统的大量无源天线需要改变为5G时代的有源天线，这会导致成本提拔和能耗增加。 

4G到5G的一个非常大的调整是接纳了massive MIMO作为基站多天线解决方案。简洁来说，Massive MIMO和MIMO这两者的区别就是字面意思，天线阵子的数目是不是充沛大。 

天线数目越大，就越有能力供应更多的信道自由度增益，这些增益能够用做空间分集，提高旌旗传输的靠得住性，也能够用做空间复用，提高数据传输速度。同时，当天线数据大到必然水平时，天线的权重设计(预编码矩阵)的算法复杂度能够经由一些简洁的线性算法获得很有效的解。 

注：理论上来说，MIMO的天线数目几多会直接影响到能够发送或许接管的自力信息流数目（平日等于预编码矩阵秩），是以当我们描述MIMO系统时，平日会说到基站发射天线数量以及用户设备接管天线数量，好比4x4 MIMO代表在基站采用4个发射天线，手机采用4个发射天线，它会发生2个自力信息流（预编码矩阵秩为2）。 

因为手机内部容量受限，对于sub 6G频段的终端天线数目增加难度很大，今朝手机中sub 6G天线数目最多的是4个，而跟着基站数目并不受限，它始终在络续提拔。是以针对基站的MIMO系统存在此外一种表述体式：只描述发射天线数目，好比今朝所说的MIMO 32TR是指基站拥有32个发射（Tx）信道和32个领受（Rx）信道。平日我们认为5G顶用于 sub 6G 的massive MIMO该当大于16TR,今朝主流有16TR、32TR和64TR几种设置。 

同时，在今朝5G所采用的两种频段（sub 6G和毫米波）中，massive MIMO的使用体式和目的都有所分歧。在sub 6G宏基站中，massive MIMO首要目的是尽量供应更多的复用增益，也就是尽量供应更多的自力数据流给各个用户，我们平日称这种工作场景为多用户MIMO（MU-MIMO）；而毫米波基站中，massive MIMO的首要目的是提高基站笼盖局限，填补路径损耗，提高单个用户的信噪比和空间增益，我们平日称这种工作场景为单用户MIMO（SU-MIMO）。这两种目的决意了波束赋形和预编码的算法设计和硬件设计都略有分歧。 

对于设备商来说，Massive MIMO基站的设计也碰到了成本问题：当天线阵子数目增加之后，单个基站的射频旌旗处理链路（RF chain）数目也会随之增加，这会导致单个基站的成本大幅度攀升。稀奇是毫米波基站笼盖局限小，这种现象会更为严重。今朝遍及的做法是采用模拟-数字夹杂链路设计方案来取代原本的纯数字链路设计，以达到降低成本的目的。

波束治理和初始接入

Massive MIMO 能够非常有效的提高用户数据传输速度和基站笼盖局限，也能提拔单个基站的用户容量。

然而多天线所形成的波束经由设计（波束赋形）之后固然能量会上升，同时笼盖局限会上升，然则单个波束的照射区域巨细却会下降。它们之间的对比就像电灯胆和手电筒。

这种情形下，用户或者仅仅数米就能走出波束的照射局限；更主要的问题是，低照射局限会面带来用户接入问题。 

注：在sub 6G基站中，因为同小区内或者会存在多个波束用来办事分歧用户；当2个或许2个以上波束照射区域重叠时，同频用户会发生波束间干扰；甚至当用户接入此基站时，也需要分辨本身接入的是波束序号，以确定本身的资源分派方案。 

是以，若何准确治理和切换Massive MIMO小区中波束，是此外一大4G和5G的分歧。因为这个问题与传统的4G小区切换和初始接入沟通，所以有人称5G中massive MIMO会导致传统小区盘据为多个扇状小区。 

波束治理的目的是为了中确认并维持一个或多个用户-基站间的可用波束，它需要确定适合当前用户的最佳波束、测量用户与基站之间的信道状况、调整massive MIMO中的波束成型算法以跟踪用户。当用户存在此外的最佳波束时，对用户做出波束切换。 

而当用户接入时，初始接入就是波束治理的第一步。 

当一个用户在另一个sub6G基站局限内显现时（不考虑小区切换），会启动初始接入阶段。这个阶段大略分为三步，波束扫描同步旌旗和小区信息、用户提议随机接入恳求并微调基站波束朝向、用户微调自身领受完成波束成家和绑定。如许单个用户在基站局限内就拥有了特定的波束来追踪用户轨迹，供应通信办事。

LTE-NR载波聚合/双保持

上文中有提到，LTE-A系统中采用载波聚合来提拔单个用户可获得的带宽，经由许可用户在多个载波上同时传输数据来提拔峰值数据速度。其实载波聚合中最简洁的应用场景是在沟通的工作频段中使用一连子载波（带内一连载波）进行聚合。然则这并不遍及适用，好多情形下，LTE系统中聚合的是带外非一连载波。

注：LTA-A中支撑最大5载波聚合，供应100MHz的可用带宽，而LTA-A Pro中支撑最大32载波聚合，供应640MHz的可用带宽。

而3GPP中界说的载波聚合只能许可单用户在对来自统一基站的载波进行聚合，当有来自2个基站的载波时需要同时领受时，这种体式被称为双保持（Dual Connectivity）。双保持能够许可用户同时在来自两个分歧基站的多个载波上同时传输和发送数据，这两个基站离别被称为主基站和第二基站。 

注：因为5G中将会采用多种频谱笼盖统一区域，同时会将掌握数据和用户数据星散，这会导致异构小区大量存在，在这种情形下采用双保持来保持宏基站和微基站是非常需要的。

在5G布置初期的非自力组网（NSA）阶段，5G基站将会锚定在4G系统中，而LTE系统和5G NR系统频段分歧，基站也分歧。这时候或者会采用双保持来同时处理来自eNB和gNB的多频段载波信息。

从今朝来看，载波聚合和双保持均会被用在5G NSA组网中。理论上5G NR的载波聚合能够获得高达1GHz频谱，同时传输分歧帧的数据，同时也能加速5G中NSA收集的布置（仅仅需要添加5G基站，不需要过多更改4G焦点网）。

进步信道编码(LDPC/Polar码)

在所稀有字通信系统中，信道编码和译码都是提高数据传输靠得住性的主要构成部门。数字旌旗在传输过程中总会因为信道失真、噪声和干扰等影响，导致领受旌旗后译码发生误差，达不到实用要求。 

香农第二定理敷陈我们，只要数据传输速度小于信道容量，就会存在一种编码，使误码率随意小。5G中新采用的LDPC码和Polar码就是今朝机能优异的信道编码方案之二，它们都属于线性分组码。 

实际受骗时5G中信道编码的候选方案有四种，个中三种究竟有竞争力：接近香农极限的Turbo码、LDPC码和达到香农极限的Polar码。 

注：2G,3G,4G时代一向在采用Turbo码，而LDPC码在WiFi、固定通信等场景中获得使用，Polar码则是近些年编码范畴的新星。 

因为信道编码是物理层最根基的手艺，信道编码方案对系统的机能有直接影响。在20Gbit/s的峰值速度要求方针下，系统对用户面和掌握的延迟要求很高，信道编码的译码器单次译码延迟需要掌握在几到几十s以内，同时要求译码器有合理的芯单方面积和功耗。 

凭据5G系统对靠得住性的要求，需要在eMBB场景在块误码率以上没有错误平层，在URLLC场景场景在块误码率以上没有错误平层。这个要求Turbo码很难知足，并且它的算法复杂渡过高，固然能够采用并行架构提拔编译速度，然则随之而来的功耗提拔和芯片较量能力要求也晦气于实际使用。所以Turbo码是需要在5G尺度中替代的。

Polar码是2009年由Erdal Arikan传授提出的新型线性分组码，首要是采用信道极化思惟，行使极化而来的“幻想信道”传输未知信息比特，行使“非幻想信道”传输已知信息比特。对于这种体式，一些同窗把它形象称为“抛却差生，提拔优等生”。在诺基亚的研究中证实，Polar码在短码范畴也存在显著的算法复杂度提拔，它的算法复杂度要远远优于Turbo码和LDPC码，是短码中最优编码方案之一，今朝被作为5G中掌握信道的数据传输方案。 

注：3GPP今朝采用轮回冗余校验(CRC)辅助的Polar码方案，使Polar码获得接近甚至在短码上跨越Turbo和LDPC码的纠错能力。在无线通信常用的中长码设置下，可以获得大约0.5dB的增益；短码设置下甚至可以获得大于1dB的增益。 

而LDPC码是1963年由Robert Gallager提出，它是凭据奇偶校验矩阵来界说的一种线性分组码，经由稀少非系统矩阵校验码块，并最终凭据判决准则判断码字。

比拟Turbo码，LDPC码具有较小的译码错误和译码复杂度，且码长大于200时无错误平层，而且能够实现并行把持，有利于硬件实现，且在长码字时算法复杂度优于Polar码，所以它被票选为5G中数据信道的传输方案。

进步的波形（Release 15中不决）

学通信的同窗应该都对正交频分复用（OFDM）有相当深刻的印象，OFDM是今朝主畅通信尺度都在采用的波形，包罗3GPP LTE和IEEE 802.11（Wi-Fi）系列。当它被用作多址接入时，被称作正交频分多址接入（OFDMA）。

在LTE系统中，上行链路采用的是采用的是采用轮回前缀的离散傅里叶变换-扩频OFDMA（DFT-s-OFDMA），下行链路采用的是单载波频分复用（SC-FDMA）。不得不说，SC-FDMA其实并不进步。 

实际上，传统的带有轮回前缀的OFDM因为传输效率高，实现简洁，与MIMO系统自然适合等长处，然则OFDM系统遍及要求正确的时钟同步来维持载波间的正交性，在实际应用中，遍及采用的方案是增加更多的时间同步旌旗和轮回前缀来包管载波同步，如许却会带来更多的时间开销，这晦气于5G中低延迟方针的实现；同时OFDM的带外辐射过高，峰均比过大等问题也需要解决。 

是以，各个通信厂商提出了滤波正交频分复用(Filtered-OFDM.f-OFDM)、滤波器组OFDM（FB-OFDM）等波形，来获得更高的时频效率和更好的带外辐射特征，以知足5G通信要求。今朝华为提出的f-OFDM是呼声最高的一种选择。 

今朝MIMO手艺已经在5G系统中获得了普遍使用，FB-OFDM固然带外衰减机能最好，然则与MIMO不宜连系，所以今朝处境对照难题[5]。我们这就重点介绍一下f-OFDM手艺。 

顾名思义，f-OFDM首要接纳的办法是在发送前对OFDM旌旗进行滤波处理，如许的优点是能够获得加倍天真的旌旗设计方案，能够设置载波距离、轮回前缀、滤波器系数等参数，来知足5G的多样性需乞降一种特别的要求--软件界说空口。此外，f-OFDM也集成了OFDM中复杂度低、频谱效率高档长处，也能够经由设置战胜OFDM中带外辐射高、帧构造固定等问题，甚至能经由DFT预编码来战胜OFDM的均峰比过高的问题。 

注：3GPP 86次RAN会议上商议并仿真了再新的PA模型下f-OFDM和OFDM的系统机能，究竟显露在3个用户功率平均分派，珍爱距离为12个子载波时，f-OFDM会获得1dB的机能提拔。 

为了获得上述长处，f-OFDM所需要支付的仅仅是增加几个可设置滤波器，所以说f-OFDM是今朝呼声最高的一种选择。 

此外，好多人认为OFDM波形用于多址接入很或者不克知足mMTC场景多址接入的需求，是以3GPP RAN1 在 2016 年中的会经过议定定：eMBB 场景 的多址接入体式应基于正交的多址体式（OFDMA），非正交的多址手艺只限于 mMTC 的上行场景。

如许非正交频分多址(NOMA)也成为了一种研究热点，吸引了大量目光。华为的SCMA、中兴 MUSA 和大唐的 PDMA 等将在Release 16中竞争 mMTC 的上行多址方案。

可变帧构造/可变命理/极简载波

对比4G LTE，5G中最凸起的设置是可变的numberology（符号长度和子载波距离），因为可变命理，所以5G的帧构造可凭据场景转变，且加倍天真，甚至是以能够为分歧场景设置分歧带宽。5G的命理（numberology）已经在3GPP 38.211中确定，所以这里能够具体聊一聊。   

在5G中，numberology首要由一个特定参数μ来代表，一样与子载波距离间的换算关系是 KHz，当μ为0时，是最根蒂的子载波15KHz，具体的设置如下表所示：

如上所述，在5G/NR中支撑多种numberology，而且凭据numberology类型的分歧，无线电帧构造略有分歧。然而，不管numberology和μ若何，一个无线电帧的长度和一个子子帧的长度是沟通的。无线电帧的长度老是10毫秒，子帧的长度老是1毫秒。

那它们为什么帧构造分歧呢？

首要是因为每个子帧中的slots数目分歧，以及slots中的OFDM符号数目分歧。我们以正常轮回前缀，μ为1时，子载波距离30kHz这个设置为例。此时每个无线电帧中有10个子帧，每个子帧中有2个slots，而每个slots由14个OFDM符号构成，如许每个slots长度1ms/2=0.5ms。 

当正常轮回前缀，μ为2时，子载波距离是60kHz，此时每个无线电帧中有10个子帧，每个子帧中有4个slots，而每个slots由14个OFDM符号构成，如许每个slots长度1ms/4 = 0.25ms。

以此类推。

具体的帧长度设置能够查阅38.211-4.3.2-1表。

可变帧长度和可变命理使得5G的帧构造在毫米波、sub6G频段均可通用，且为跨频段的载波聚合和双保持奠基了根蒂，也使5G在URLLC场景能够经由更改帧构造，获得更低的延迟，在eMBB场景获得更多的子载波带宽，为今后的扩展奠基了根蒂。 

5G中帧构造的另一个改变是采用了极简载波的概念。

正如之前所说，LTE系统需要每10ms启用一次广播旌旗（红色部门），每5ms启用一次同步旌旗（图中蓝色为Primary synchronization，浅蓝色为Secondary synchronization），同时，LTE系统需要大量的小区参考旌旗（图中黑点）。5G中，因为或者采用更好的波形和更好的硬件，对OFDM旌旗正交性的要求降低，是以降低了同步要求，同时在把信令压缩，作废了所有的小区参考旌旗，每20ms同步和广播一次。 

这种极简载波设计极大的降低了信令开销，降低了延迟。

收集切片/虚拟化/C-RAN

在5G的设计中，需要支撑物联网、语音、通话等等多种买卖，而分歧的买卖场景对收集要求差别非常显着，分歧买卖指标需要的资源也完全分歧，并且个中的一些参数是无法兼顾的。具体见下图：

若是想要在一张收集中同时支撑多种场景，那么最好的体式是分歧买卖采用设置分歧的收集路径，经由分歧网元，这种手艺被称为收集切片（Network Slicing）。那么很轻易懂得，收集切片的先决手艺是需要可以经由软件掌握各个分歧的网元，也就是收集虚拟化或许被称为软件界说网（NFV/SDN）。

其实SDN已经在4G LTE收集中获得了好多普遍的应用，也已经对照成熟。SDN/NFV经由把传统的收集单元（MME,PCRF，P/S-GW）和基站（接入网单元，C-RAN）替代为放在机房中的虚拟机池，并经由软件掌握。 

注：这里的机房或者放置在大型数据中心中（焦点云），也或者放置在小型城镇的数据中心或许小型区域中（边缘云）。当基站的掌握单元被放入机房，外部只留下AAU时，这些掌握单元被称作云接入网（C-RAN）。 

这种体式能够带来好多优点，好比焦点收集的功耗能够经由数据中心的集中治理获得掌握，好比能够针对分歧的买卖设置分歧的办事质量尺度（QoS）等等。实际上，收集单元的云化和虚拟化也是大势所趋，能极大的降低运营商的运营成本，这也是运营商的基本好处。所以移动、联通和电信等运营商对SDN,NFV和C-RAN等收集虚拟化手艺有很高的盼望。

另外

狭义来说，5G仅仅是一个跨越物理层和MAC层的无线通信手艺合集，界说了一个无线通信系统，而系统中的各类手艺应用都是牵一发而动全身的，好比因为收集虚拟化的应用，5G波形很有或者会采用f-OFDM来获得更天真的空口设置，实现软件界说空口这个概念；好比因为新型波束的采用，信令部门能够放宽对时间同步的要求，从而采用更简化的信令设计；好比因为massive MIMO的采用，基站接入部门就需要制订精巧的波束治理和新的初始接入方案；而因为毫米波基站和小区笼盖的下降，又带来两个新特征： 

超密集收集布置和微波领受回传一体化 

实际中，因为5G即将采用的毫米波传输和sub 6G基站的笼盖局限都远不及4G时代，所以基站密集布置（Ultra Dense Deployment）将会是一个实际情形；运营商需要经由缩短各个发射节点之间的距离，改善收集笼盖局限，以促使终端在热点区域获得更多频谱，并让用户在边缘区域也获得更好的机能。

当用户同时被多个基站笼盖时，就会因为子载波频段被同时占用而存在或者的小区间干扰问题，超密集收集会带来更严重的小区间干扰挑战，收集异构也将会成为将来的实际。 

不外超密集收集也存在一些优点，好比因为毫米波基站的大带宽，所以从从焦点收集到基站部门的数据传输（前传和回传）有或者经由闲置的毫米波频带，经由毫米波基站接力来完成，传统的前传解决方案是纯光纤前传，在国外的一些无法布置光纤区域，存在微波回传基站。

这种手艺，我们称为微波领受回传一体化。有望能够降低运营商承载收集的组网成本。 

边缘较量

5G中为了使收集虚拟化，在接入网采用了C-RAN手艺，它将基站掌握单元放置在基带池中，那么基带池就成为了一个自然的小型数据中心。如许的小型数据中心有能力为基站池所办事的局限内用户供应一些较量/保留等缓存。这种体式我们成为边缘较量。

边缘较量能够缔造出一个高机能、较低功耗、低延迟和高带宽的电信级收集办事情况，能够被扩展为城镇级或许小区级的小型数据中心。它能够解决好多亟需低延迟的应用问题，好比云游戏。 

运营商自己也能经由边缘较量扩展自身的买卖局限，供应超低延迟的特别云办事，而不是仅仅局限于经受单一的传输管道。 

作者简介：崔原豪，北京邮电大学通信博士，芬兰阿尔托大学结合培育博士，知乎通信范畴精良回覆者（知乎昵称“甜草莓”），知乎2018年度声誉知友。通信很大，想和人人一路去看看。

参考文章： 

[1] Series M. IMT Vision–Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[J]. Recommendation ITU, 2015: 2083-0.

[2] Wang C X, Haider F, Gao X, et al. Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J]. IEEE communications magazine, 2014, 52(2): 122-130.

[3] 杜渐, 5G毫米波频谱规划及尺度化工作概况.

[4] 徐俊, 彭佛才, 许进. 5G NR 信道编码研究[J]. 邮电设计手艺, 2019 (3): 16-21.

[5] Huawei, HiSilicon. OFDM Based Flexible Waveform for 5G: R1-162152 TSG-RAN WG1 #84bis[S]. 3GPP, 2016

[6] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting NR#3 : R1- 1716650 Comparison of PBCH DMRS mapping schemes

[7] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting NR#3 : R1-1715841 Remaining Details on PBCH design and contents

[8] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting AH_NR#3 : R1-1716609 - On remaining details of NR DL DMRS

[9] 3GPP TSG RAN WG1 NR Ad-Hoc#3 : R1-1716574 - Discussion on time domain resource allocation

[10] 5G New Radio (NR) : Physical Layer Overview and Performance,Nokia.2018

[11] Understanding the 5G NR Physical Layer, Keysight Technology.

[12] 白皮书 | 5G瞻望： 将来趋势实务指南,Skyworks.

【End】

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