1.1 5G无线网

1.1.1 概述

ITU在2017年11月发布了《IMT2020最小性能要求》，该文件定义了达到5G无线接口技术门槛需要的14项性能指标，是对《愿景》提出的8个关键能力指标做的扩充，要求5G候选技术方案必须满足全部14项指标要求。2020年11月，3GPP提交自评报告，对单独的新无线（New Radio,NR）无线接口技术（Radio Interface Technology,RIT）和长期演进（Long Term Evolution,LTE）+NR的无线接口技术集（Set of Radio Interface Technology,SRIT），按ITU要求的规范完成了所有测试，结果显示全部满足ITU要求。

NR频率范围1（Frequency Range 1,FR1）时分双工（Time Division Duplex,TDD）制式下行峰值频谱效率测算见表1-1,NR FR1 TDD制式上行峰值频谱效率测算见表1-2。

表1-1 NR FR1 TDD制式下行峰值频谱效率测算

表1-2 NR FR1 TDD制式上行峰值频谱效率测算

1. NR网络架构

在3GPP的规范中，下一代无线接入网（Next Generation Radio Access Network,NGRAN），即5G无线接入网，只有5G基站（gNodeB,gNB）和升级的4G基站（ng-eNB）两种节点。其中，gNB向用户设备（User Equipment,UE）提供NR技术的用户面和控制面协议能力，而ng-eNB空口仍使用LTE相关协议，但具备接入5G核心网（5G Core, 5GC）的能力。

两种节点相互之间使用Xn接口相连，节点与5GC之间使用NG接口相连，5GC及NG-RAN架构如图1-1所示。

图1-1 5GC及NG-RAN架构

在本章中，我们仅关注gNB与UE之间使用的NR相关协议。

与LTE相比，NR的用户面协议栈新增了服务数据适配协议（Service Data Adaptation Protocol,SDAP）子层，主要用于将多个服务质量（Quality of Service,QoS）流映射到具体无线承载，其余包括分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol, PDCP）层、无线链路控制（Radio Link Control,RLC）层、媒体接入控制（Media Access Control,MAC）层及物理层（Physical,PHY）。NR用户面协议栈如图1-2所示。NR控制面协议栈如图1-3所示。

NR的控制面协议栈基本沿用LTE，但涉及多种新功能，每个协议层均有不同程度的修改。

图1-2 NR用户面协议栈

图1-3 NR控制面协议栈

2. NR协议栈变化

在整个NR协议栈中，物理层是变化最大的协议层，也是整个5G无线接口能满足ITU愿景的基础。相对于LTE技术，NR需要达到更高的峰值速率、频谱效率和用户体验速率、更低的时延等关键指标。这些指标要求均需通过物理层的设计来达成。为了实现这些目标，NR除了在大规模天线技术的进一步发展，还在继承LTE已有机制的基础上，带来了非常多的新设计。总体而言，5G物理层系统设计的最主要特色就是尽可能灵活。其具体内容在本书1.1.5小节至1.1.7小节进行介绍。

而NR的层2（Layer 2）协议栈设计基本延续LTE，按功能分为MAC、RLC、PDCP和SDAP 4个子层。物理层通过传输信道连接MAC层，RLC和MAC层之间通过逻辑信道沟通， RLC与PDCP层之间通过RLC信道连接，PDCP与SDAP层之间是无线承载数据，SDAP与上层网元则是以QoS流对接。整体框架设计虽然延续LTE，并引入了新的SDAP子层，但是为了适应多样化的业务需求（例如，高可靠低时延等业务场景），各子层的具体功能均有所变化，其具体变化内容在本书1.1.8小节至1.1.11小节进行详细介绍。