5G核心技術背景：新空口

儘管5G作為一種新技術正在大量銷售，但它既不是特別新的技術，也不是單一技術。如果移動技術是一部長期執行的電視劇，5G是一個季節中期的重啟，新的角色與舊的，新的情節弧形相互補充現有的故事情節，以及相當誇大案例的宣傳推動。但是，未來發展的可能性大大增強。

新一代移動技術有三代：2G取代了數字模擬； 3G開始轉向以資料為中心的網路；和4G完成了這一舉措。 5G有三個主要的重點 - 行動網路，物聯網和非常高效能的工業控制 - 其中行動網路將是未來幾年大多數人最重要的，並且最好被認為是4G的延續新旗幟下的長期演進（LTE）。實際上，5G的這個階段被稱為NSA（非獨立），因為它將與現有的LTE網路並行執行。

這並不是說5G沒有重大創新。雖然5G標準化流程涵蓋核心網路和基站拓撲以及執行高效能網路的其他方面，但影響我們5G首次體驗的大多數因素都受到稱為New Radio（新空口）或5G NR的標準子集的影響。。雖然NR的工作僅在2016年春季開始，但它很快就推出了直到當時非常不同的研究領域，並且已經產生了許多幾乎有預先標準的參考文獻）。

5G NR由稱為3GPP的3G合作伙伴計劃組開發，該標準的第一個版本稱為版本15。 3GPP之所以被稱為是因為它最初是為了標準化3G而形成的。作為一個將標準委員會，監管機構和行業機構聚集在一起的國際集團，它擁有相當大的權威，當4G出現時，重新命名它的法律問題過於繁瑣。第15版是第18個主要標準，這一事實是該級別組織實際工作方式的一個很好的指標。

第15版已經以某種速度生產。從2016年初開始，宣佈2018年3月的初步釋出已經足夠讓製造商開始初步生產。到2018年第三季度，愛立信和華為都表示他們已經在該版本上部署了10000多個基站。 9月份出現了進一步的標準更新，12月承諾的版本15的“功能凍結”最終預標準版本。然而，高通公司在9月份釋出的晶片被業界網站Light Reading報告為證明與3月釋出的基站不相容，可能需要硬體交換。

5G NR包括LTE的重大進展，每個都有特定的好處。

最重要的是，有大量新的空域。 5G NR首次包括毫米波（mmWave）頻譜（> 24GHz），首次釋出的5G包括從1GHz到52。6GHz的頻率。高頻頻譜（> 6GHz）有許多不同的頻段，這些頻段因地區而異，以及許多由於必須關閉或移動的現有服務而尚未完全可用的頻段。在不同的時間尺度上，世界各地的5G NR正在提供不同的頻譜帶。

高帶分配可以支援非常高的資料速率和密集的頻率重用，從而提供非常密集的高效能網路。與較低頻段和更嚴格的健康和安全限制相比，它們對於給定的傳輸功率具有非常有限的範圍，並且它們更容易受到諸如暴雨和季節性葉片生長等環境問題的影響。相反，非常小的波長使得構建體積小的高效能天線變得更加容易。

高頻段將用於覆蓋現有的LTE網路，根據需要提供更高的頻寬，以減少LTE（最終，5G）中頻和低頻擁塞，以及光纖速率家庭和辦公室固定無線接入（FWA）寬頻。 28GHz頻段受到最多關注，英國按地區劃分，運營商是典型的LTE已經提供良好服務的地區如何分配資源：

超精益設計是5G NR的關鍵設計原則，可降低能耗和干擾。 LTE依賴於由基站傳送的許多始終線上訊號 - 顯示哪些小區可用的信標，終端和基站用於配置資料鏈路的參考通道，用於跟蹤移動性的命令通道等等。在LTE中，這些訊號不佔整個通道使用量的很大一部分，但是5G將具有更密集的網路，具有更多的小區，平均具有相當低的實際使用率。因此，始終接通的訊號將佔用更大的功率百分比，並且將更多地干擾相鄰小區，導致更低的吞吐量。

只要有可能，5G會減少或關閉這些訊號，直到實際需要它們為止。例如，參考訊號僅在資料傳輸正在進行時才被髮送。這意味著手機和基站必須在執行中最佳化訊號，但網路吞吐量的總體益處是值得注意的。

超精益設計也是前向相容性的關鍵組成部分，5G NR的特殊要求是奇怪的非特定目的。基本規則是在實施中留出儘可能多的空間以允許未來的發展。實際上，這意味著最大限度地減少非資料傳輸傳輸（減少整體干擾和頻譜使用），在5G設計中具有高度的頻率和時域靈活性，並在未來的硬體和裝置中提供重新配置的路徑。規範本身。

後一個決定是透過LTE的經驗得出的，LTE在規範中編碼了許多設計決策，例如糾錯發生的時間和地點：如果新服務發現這些決策效率低下甚至禁用，那麼就沒有什麼可以做的了。可重新配置的標準可以改進舊的決策。此外，軟體定義無線電（SDR）等新的基礎技術已將大量無線電工程從硬體轉移到軟體中，這意味著以曾經完成硬體修訂的方式改變操作特性現在可以作為軟體更新推出。 5G是完全接受這一點的第一代。

5G調製和成幀也是現有思想的一個增量，但卻是一個重要的思想。與LTE（以及最近的Wi-Fi標準，以及幾乎所有現代數字無線系統）一樣，5G NR使用ODFM作為其基礎調製方案。 ODFM（正交頻分複用）在通道內組合多個子通道，並且已知其對干擾具有魯棒性並且在其頻率使用方面是有效的。它也非常靈活，因為可以新增不同數量的子載波以增加通道容量，或者減少數量以提供更低功率，更低頻寬的選項。

5G NR可選擇15kHz至240kHz的子載波間隔，在一個通道上同時使用最多3300個子載波。但是，通道寬度不能超過400MHz。該標準是頻率不可知的，這意味著任何子載波配置都可以在任何頻段上使用。實際上，6GHz以下的中頻和低頻頻率具有明顯不同的通道和噪聲特性，以及不同的最大頻寬，因此將使用15至60kHz的通道間隔，而高頻帶將使用60至120kHz。目前在6GHz和24。25GHz之間沒有5G頻段分配，但該標準允許最佳ODFM配置以匹配此頻譜中的任何未來擴充套件。

並非所有5G NR上的裝置都必須支援所有頻寬，這是對LTE的改變。此外，5G NR支援自適應頻寬，允許裝置在適當時移動到低頻寬，低功耗配置，並且僅在必要時準備好更高的頻寬。這為非常低的平均功率裝置提供了機會，這些裝置仍然可以提供高效能 - 例如，物聯網網路通常只需要少量資料用於遙測，但仍然需要能夠更新其韌體以獲得安全性和功能補丁。 5G NR規範將這些不同的配置稱為“頻寬部分”，理論上，裝置可以在同一通道上同時支援多個頻寬部分，儘管第一個5G NR版本一次將裝置限制為一個頻寬部分。

在子通道內，資料被分成每個10毫秒的幀，進一步細分為10個1ms子幀。那些子幀本身被分成每個14個OFDM符號的時隙。因此，更寬頻寬的子通道每秒具有更多的OFDM符號，並且每個時隙因此變得更短，但是基本幀結構保持相同。在最低子載波間隔（15kHz），幀與LTE相同，簡化了相容性。

LTE和類似系統透過時隙將頻寬分配給不同的裝置，但是5G NR具有用於在時隙內開始傳輸的機制，有效地建立所謂的“迷你時隙”。這對於可以具有非常大的OFDM符號的高頻帶特別有用，因此僅使用少量來傳送相對短的訊息的能力改善了通道重用和延遲。另一個潛在的優勢是，5G是否或何時擴充套件到未經許可的頻譜，通常伴隨著“先聽後使用”規則以防止干擾。如果某個頻道顯示為靜音，則無需等待時隙邊界即可啟動傳輸的能力可降低其他裝置獲取該頻道的可能性。

5G NR中的其他低延遲調整對於在授予通道之後開始的資料傳輸的嚴格要求以及對資料流的處理延遲的限制。這是透過改變報頭結構在較高網路層中實現的，這樣處理可以在不知道完整分組資訊的情況下開始，並且在物理層透過使無線電接收來自參考和下行鏈路控制訊號的基本資訊而不是從符號匯出它來實現流。

5G NR具有比LTE更先進的波束成形概念。波束成形是對饋送到複雜天線和從複雜天線接收的訊號的操縱，以在空間中建立將功率聚焦在特定方向上的波束。 LTE可以為資料做到這一點； 5G NR也將此擴充套件到控制通道，同時提高了在不同條件下操作的整體精度和適應性。在高頻段，波束成形主要用於透過能量聚焦來增加範圍，而在6GHz以下的中低頻段，衰減不是問題，波束成形將是MIMO的關鍵部分，多重輸入 - 空間通道技術可以增加同一區域內多個裝置的頻寬。雖然不是第一版的一部分，但5G NR將支援分散式MIMO，使用者可以從多個站點接收相同資料流的不同部分。

2019年，5G時代就要來了，你準備好了嗎？