5G NR標準 第1章　5G概述

在過去的40年裡，全球已經經歷了四代行動通訊（如圖1.1）

第一代行動通訊是在1980年左右出現的，以模擬傳輸為基礎，主要技術是北美開發的AMPS (Advanced Mobile Phone System)。NMT（北歐行動電話）是當時北歐國家政府控制的公用電話運營商與英國等採用的TACS（全接入通訊系統）共同開發的。基於第一代技術的行動通訊系統只限於語音服務，並首次使普通民眾能夠使用行動電話。

第二代行動通訊在1990年代初出現，在無線電鏈路上引入了數位傳輸。雖然目標服務仍然是語音服務，但使用數位傳輸使得第二代行動通訊系統也能夠提供有限的資料服務。最初有幾種不同的第二代技術，包括由大量歐洲國家聯合開發的GSM（全球行動通訊系統）、D-AMPS（數位AMPS）、PDC（個人數位蜂窩），以及IS-95技術是在較晚的階段發展起來的，基於CDMA的IS-95技術。隨著時間的推移，GSM從歐洲傳播到世界其他地區，最終在第二代技術中完全佔據主導地位。主要由於GSM的成功，第二代系統也把行動電話從仍然只有相對少數人使用的東西變成了作為世界絕大多數人口生活必要組成部分的通訊工具。即使在今天，在世界上許多地方，GSM是行動通訊的主導技術，在某些情況下甚至是唯一可用的技術，儘管後來又引入了第三代和第四代技術。

第三代行動通訊（通常稱為3G）於2000年初出現，隨著3G的出現，向高品質的移動寬頻邁出了真正的一步，實現了快速的無線網際網路接入。這尤其得益於被稱為HSPA（高速分組接入）的3G演進。此外，早期的行動通訊技術都設計成在成對頻譜（用於網路到裝置和裝置到網路的獨立頻譜）中執行，基於頻分雙工（FDD），參見第7章，3G首次介紹了基於中國開發的基於時分雙工(TDD)的TD-SCDMA技術的非成對頻譜行動通訊。

從過去的幾年到現在，作為主導的以LTE位代表的第四代行動通訊。在HSPA的基礎上，LTE在更高的可實現終端使用者資料速率方面提供更高的效率和進一步增強的移動寬頻體驗。這是通過基於OFDM的傳輸來提供，使得傳輸頻寬更寬，多天線技術更先進。此外，雖然3G允許藉助於特定無線接入技術（TD-SCDMA）在非成對頻譜中行動通訊，但LTE支援FDD和TDD操作，即在一個公共無線接入技術中，在成對頻譜和非成對頻譜中操作。藉助LTE，世界已經融合為單一的全球行動通訊技術，該技術基本上被所有行動網路業者使用，並適用於成對頻譜和非成對頻譜。正如第4章中更詳細地討論的那樣，LTE的後期演進也把行動通訊網路的執行擴充套件到非授權頻譜。

1.1 3GPP與行動通訊標準化

商定多國技術規範和標準是行動通訊成功的關鍵。這使得不同供應商的裝置與基礎設施的部署和互操作性得以實現，並使裝置和訂閱能夠在全球範圍內運作。如前所述，第一代NMT技術已在多國基礎上建立，允許在北歐國家之間的國界上執行裝置和訂閱裝置。行動通訊技術多國規範/標準化的下一步，是在CEPT內由許多歐洲國家共同開發GSM，後來更名為ETSI（歐洲電信標準協會）。GSM裝置和訂閱裝置從一開始就能夠在許多國家運營，覆蓋了非常多的潛在使用者。這個龐大的通用市場對裝置的可用性產生了深刻的影響，導致裝置種類數量空前增加，裝置成本大幅降低。然而，真正實現全球行動通訊標準化的最後一步是3G技術特別是WCDMA的規範。3G技術工作最初也是在區域基礎上進行的，分別在歐洲（ETSI）、北美（TIA,T1P1）、日本（ARIB）等國家開展，但GSM的成功表明了巨大的技術足跡的重要性。尤其是裝置可用性和成本方面。同樣明顯的是，雖然工作是在不同區域標準組織內單獨進行的，但所追求的基本技術有許多相似之處。歐洲和日本尤其如此，它們正在開發不同但非常相似的寬頻CDMA (WCDMA)技術。因此，1998年，不同的區域標準化組織聚集在一起，共同建立了第三代夥伴關係專案（3GPP），其任務是完成基於WCDMA的3G技術的發展。後來，一個平行組織（3GPP2）被建立，其任務是開發替代的3G技術cdma2000，作為第二代IS-95的演進。多年來，兩個組織（3GPP和3GPP2）與各自的3G技術（WCDMA和cdma2000）並存。然而，隨著時間的推移，3GPP完全佔據了主導地位，儘管它的名字叫3GPP，但4G（LTE和5G）技術的發展仍在繼續。今天，3GPP是唯一一個為行動通訊制定技術規範的重要組織。

1.2下一代–5G/NR

關於5G行動通訊的討論始於2012年左右。在許多討論中，術語5G被用來指特定的新的5G無線接入技術。然而，5G也經常被廣泛地使用，不僅指特定的無線接入技術，而且指未來行動通訊所設想的一系列新業務。

1.2.1 5G使用案例

在5G的背景下，人們經常會談論三種不同的用例：增強移動寬頻（eMBB）、海量機器型別通訊（mMTC）和超可靠低時延通訊(URLLC) （也見圖1.2）。

• eMBB對應著當今移動寬頻業務的演進，例如通過支援更高的終端使用者資料速率，實現更大的資料量和進一步提升使用者體驗。
• mMTC對應著以海量裝置為特徵的業務，如遠端感測器、執行器、各種裝置的監控等。此類服務的關鍵要求包括非常低的裝置成本和非常低的裝置能耗，使裝置電池續航時間至少可達數年。通常，每個裝置消耗和生成的資料量都相對較少，即支援高資料速率並不重要。
• URLLC型別的服務要求非常低的延遲和極高的可靠性。例如交通安全、自動控制和工廠自動化。

重要的是要理解，將5G用例歸入這三種不同的類別是有點人為的，主要目的是簡化技術規範要求的定義。將會有許多用例無法完全適應這些類之一。舉個例子，可能有些服務需要非常高的可靠性，但對於這些服務，延遲要求不是那麼關鍵。類似地，可能存在需要非常低成本的裝置，但是裝置電池壽命非常長的可能不太重要的情況。

1.2.2 LTE向5G能力演進

LTE技術規範於2009年首次釋出，此後，LTE不斷演進以提供增強的效能和擴充套件的能力。這包括對移動寬頻的增強，支援更高的實際可達到的終端使用者資料速率以及更高的頻譜效率。還包括擴充套件LTE的應用場景，特別是支援配有超長使用時長電池的低成本終端，類似於大規模MTC的應用。最近也採取了一些重要措施來降低LTE空口時延。有了這些最終的、正在進行的和未來的演進步驟，LTE的演進將能夠支援5G所設想的多種用例。考慮到人們普遍認為5G不是具體的無線接入技術，而是由需要支援的Use Case來定義，因此LTE的演進應該被看作是整個5G無線接入解決方案的重要組成部分。見圖1.3。雖然不是本書的主要目的，但第4章提供了LTE演進的當前狀態的概述。

1.2.3 NR：5G新無線接入技術

儘管LTE技術能力很強，但LTE和LTE的演進也無法滿足需求。此外，從LTE開始，經過10多年的技術發展，技術發展使得技術解決方案更加先進。為了滿足這些需求，挖掘新技術的潛力，3GPP發起了NR (New Radio)的新型無線接入技術開發，2015年秋季召開了研討會，2016年春季開始技術工作。2017年底，NR標準首版，滿足2018年5G早期商用需求。NR複用了LTE的許多結構和特性。然而，作為一種新的無線接入技術，NR與LTE演進不同，並不受後向相容性需求的限制。對NR的要求也比對LTE的要求更寬泛，這激發了部分不同的技術方案。第2章討論了NR相關的標準化活動，第3章對頻譜進行了概述，第4章對LTE及其演進進行了簡要總結。本書的主要部分（第5-19章）對NR技術規範的現階段進行了深入介紹。最後，在第20章中對NR的未來發展進行了展望。

1.2.4 5GCN：新的5G核心網

與NR（即新的5G無線接入技術）並行，3GPP也在開發一個新的5G核心網，稱為5GCN。新的5G無線接入技術將與5GCN連線。然而，5GCN也能夠為LTE的演進提供連線。同時，當LTE共同以所謂的非獨立模式工作時，NR也可以經由傳統核心網EPC連線，第6章將進一步討論。

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