5GNR技术特性与优势解析

# 5G NR技术特性与优势解析 ## 1. 5G NR的灵活帧结构 在通信系统中，帧结构的设计至关重要。早期的LTE系统虽然在后续版本中设计了动态TDD帧结构，但该结构不适用于传统UE，且整体方案灵活性不足，未能在实际的LTE商业网络中应用。 而5G NR从设计之初就考虑到了帧结构的灵活性，主要体现在以下方面： - **取消FDD和TDD帧结构区分**：通过在时隙中配置OFDM符号为上行或下行来实现有效的FDD。 - **灵活配置TDD频段的上下行周期**：可通过信令配置如0.5Ms、0.625Ms、1Ms、1.25Ms、2Ms、2.5Ms、5Ms、10Ms等各种周期长度。 - **符号的灵活配置**：时隙中的每个符号不仅可配置为上行或下行符号，还能通过物理层控制信道的动态指示，实时用作下行或上行符号，以灵活支持业务的多样性。 由此可见，5G NR为TDD帧结构以及上下行资源分配提供了极大的灵活性。 ## 2. 支持灵活的子载波间隔（SCS） LTE标准中定义的OFDM波形的子载波间隔（SCS）固定为15kHz。基于OFDM系统的基本原理，OFDM符号的时域长度与SCS成反比，因此LTE的空口参数固定，缺乏灵活性，其支持的业务主要为传统移动互联网业务，固定的底层参数限制了对其他类型业务的支持。 为了更好地满足多样化业务的需求，NR支持多种SCS。SCS基于15kHz以2的整数次幂扩展，包括15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz。随着SCS的增加，相应的OFDM符号长度也成比例缩短。 不同业务对SCS有不同需求，具体如下表所示： | 业务类型 | SCS需求 | 原因 | | ---- | ---- | ---- | | URLLC低延迟业务 | 较大的子载波间隔 | 缩短符号长度以减少传输空口延迟 | | 物联网mMTC业务 | 较小的子载波间隔 | 增加符号传输时间和功率谱密度以扩展覆盖距离 | | 毫米波频段载波 | 较大的子载波间隔 | 抵抗多普勒频移 | | 高速场景 | 较大的子载波间隔 | 适应高速移动 | 通过支持灵活的SCS，NR为后续5G中多种业务的灵活部署和共存奠定了良好的技术基础。 ## 3. 空口低延迟增强 LTE协议中定义的数据调度和传输的基本时间间隔单位是1Ms子帧，这使得空口数据传输难以突破1Ms的时间单位限制。此外，LTE中HARQ重传的定时关系设计至少为N + 4，导致其空口延迟难以满足低延迟业务的需求。尽管LTE在协议后续演进中引入了缩短传输时间间隔（TTI）的技术方案，但由于整个LTE行业的进展、开发成本和部署需求较弱等实际因素，该技术在LTE商业网络中实际应用和部署的可能性非常低。 5G NR系统从一开始就在多个技术维度进行了设计和优化，以解决空口延迟问题： - **支持灵活SCS**：对于低延迟业务，使用大SCS直接缩短OFDM符号长度，从而减少时隙长度。 - **符号级资源分配和调度**：下行数据信道的时域资源分配粒度可支持2/4/7符号长度，上行可支持任意符号长度（1 - 14）的资源调度。数据包到达物理层时，可在当前时隙的任意符号位置传输，减少数据包在空口的等待时间。 - **自包含时隙减少HARQ反馈延迟**：自包含时隙包含下行符号、保护间隔和上行符号三种不同方向属性的符号。同一时隙内包含物理下行共享信道（PDSCH）传输、保护间隔（GP）以及下行确认/否定确认（ACK/NACK）反馈传输，UE可在同一时隙内接收和解码下行数据并快速完成ACK/NACK反馈，大大减少了HARQ的反馈延迟。 以下是5G NR降低空口延迟的流程mermaid图： ```mermaid graph LR A[数据到达物理层] --> B{选择合适SCS} B -- 低延迟业务 --> C[大SCS缩短符号长度] B -- 其他业务 --> D[根据需求选择SCS] C --> E[符号级资源调度] D --> E E --> F[自包含时隙反馈] F --> G[数据传输] ``` ## 4. 参考信号增强 参考信号的设计是移动通信系统设计中最重要的技术方面，因为接收器的无线信道估计是通过参考信号获得的，参考信号的设计直接影响接收器的信号解调性能。 在4G系统中，LTE协议定义的小区特定参考信号（CRS）可用于维持小区内所有用户的下行同步和频率跟踪，也用作LTE用户在各种传输模式（如空频块码（SFBC）和空分复用（SDM））中的解调参考信号。但CRS存在一些问题，它在频域上占用整个载波带宽，基站在小区建立后稳定发送，无论小区内是否有用户和数据传输，都属于始终开启的信号。这种全带宽传输的参考信号不仅消耗大量下行资源，还会在网络重叠区域带来同信道干扰，并且当小区内无业务传输时，基站设备无法通过射频关机等技术手段实现有效节能。 针对CRS存在的这些问题，5G NR在导频设计上进行了根本性改进，尽量避免小区特定的公共信号： - **UE特定参考信号**：NR系统中仅保留同步信号作为小区特定公共信号，其他参考信号均为UE特定。例如，基站向UE发送数据时，UE特定解调参考信号（DMRS）仅在调度数据的带宽内发送。 - **波束赋形传输**：5G基站系统通常采用大规模MIMO的波束赋形技术进行数据传输，数据符号和解调导频采用相同的预编码方法，仅在有数据传输时发送导频信号，可有效减少系统中的干扰。 - **前导DMRS与额外DMRS结合**：前导DMRS有利于接收器快速估计信道并减少解调和解码延迟；引入额外DMRS是为了满足高速场景下时域DMRS密度的要求，基站可根据用户的移动速度配置时隙中额外导频的数量，为用户端的准确信道估计提供保障。 ## 5. 多输入多输出（MIMO）能力增强 LTE的空口技术是OFDM + MIMO，对MIMO的支持不断演进和增强。后期版本引入的全维度MIMO（FD - MIMO）可在水平和垂直维度实现空间窄波束赋形，能更好地在空间上区分用户。但MIMO技术作为提高无线通信空口频谱效率和系统容量的重要技术机制，一直是追求极致性能的重要方向。 随着大规模MIMO关键组件的成熟以及工程应用和商业部署的需求，从5G需求场景定义和系统设计之初，大规模MIMO就被视为NR的重要技术组成部分和5G商业网络大规模部署的主流产品形式。因此，5G NR在标准化过程中对MIMO技术进行了大量优化和增强： - **DMRS增强**：通过频分和码分方法，DMRS可支持多达12个正交端口，比LTE更能满足多用户MIMO的性能要求。 - **引入新型2码本**：基于CSI - RS的类型2码本性能优于LTE中的码本，可反馈空间信道的最佳匹配程度。通过UE反馈的高精度码本，基站可实现更高的空间波束指向性和整形精度，从而大大提高多用户多流SDM的性能。 - **毫米波频段支持**：毫米波具有高频段、短波长、大空间传播损耗、弱衍射能力和大穿透损耗等特点，因此毫米波通信必须使用极窄波束对准传输来确保通信链路的质量。NR采用混合数字和模拟波束赋形技术，支持广播信道和公共信道的窄波束扫描机制以增强覆盖；对于控制信道和业务信道，引入波束管理机制，包括多波束扫描、波束跟踪、波束恢复等技术手段和流程，以实现通信双方波束的对准和自适应跟踪用户的移动。此外，基于多波束操作，NR还支持多面板设计，以提高传输的可靠性和容量。 以下是5G NR MIMO增强的优势总结列表： - 增强的DMRS提供更多正交端口，满足多用户MIMO需求。 - 新型码本提高空间波束指向性和整形精度。 - 毫米波频段的技术支持确保通信链路质量。 - 波束管理机制和多面板设计提高传输可靠性和容量。 ## 6. 终端节能增强 LTE在终端节能技术设计方面考虑有限，主要的终端节能方案是不连续接收（DRX）技术。然而，5G系统的工作带宽更宽、天线数量更多、数据速率更高，这导致终端中射频模块和基带信号处理芯片的功耗显著增加，手机工作过程中的发热和短待机时间会严重影响用户体验。 5G针对终端功耗问题设计了多种技术方案： ### 6.1 时域节能 - **新唤醒信号**：5G在配置DRX时为处于连接状态的用户引入了新唤醒信号。网络可根据业务传输需求，在DRX激活周期到来之前决定是否唤醒UE进行数据接收监测，避免用户在无数据传输时进入DRX激活状态进行额外的业务监测，从而减少PDCCH检测的不必要功耗。 - **跨时隙调度机制**：对于不连续和零星的业务传输，该机制可减少UE在解码PDCCH之前对PDSCH的不必要接收和处理，减少时域中射频电路的激活时间。 ### 6.2 频域节能 - **带宽部分（BWP）功能**：NR的载波带宽比LTE大很多，许多核心频段可支持典型的100MHz载波带宽。大带宽虽能支持高传输速率，但对于少量数据传输或不连续业务，UE工作在大带宽模式不经济。BWP功能的核心是定义一个小于小区载波带宽和终端带宽的带宽。当空口传输的数据量较小时，终端在网络的动态配置下工作在较小带宽，使终端的射频前端设备、射频收发器和基带信号处理模块以较小的处理带宽和较低的处理时钟工作，从而降低UE功耗。 - **Scell休眠机制**：为多RAT双连接（MR - DC）和NR载波聚合（CA）场景引入。当无数据传输时，处于激活状态的Scell可进入休眠状态。UE只需测量信道状态信息（CSI），无需监测休眠Scell上的物理下行控制信道（PDCCH），有数据传输时可快速切换到正常状态进行调度信息监测，在不停用Scell的情况下降低UE功耗。 ### 6.3 频域和天线域节能 - **MIMO层自适应功能**：网络侧结合终端数据传输需求和BWP配置，减少空间传输层数，使UE降低MIMO处理能力和吞吐量，等效降低终端功耗。 ### 6.4 其他节能机制 - **放松RRM测量要求**：当UE静止或低速移动时，可通过增加RRM测量周期适当放松测量要求，在不影响UE移动性能的情况下降低功耗；当UE处于IDLE或INACTIVE状态，或不在小区边缘时，也可适当放松RRM测量以降低功耗。 以下是5G终端节能技术的总结表格： | 节能维度 | 技术方案 | 原理 | | ---- | ---- | ---- | | 时域 | 新唤醒信号 | 根据业务需求提前决定是否唤醒UE，减少不必要监测 | | 时域 | 跨时隙调度机制 | 减少不连续业务时UE对PDSCH的不必要接收和处理 | | 频域 | 带宽部分（BWP）功能 | 数据量小时让终端工作在小带宽，降低处理功耗 | | 频域 | Scell休眠机制 | 无数据时Scell休眠，有数据时快速恢复，减少监测功耗 | | 频域和天线域 | MIMO层自适应功能 | 结合需求和配置减少传输层数，降低处理能力和吞吐量 | | 其他 | 放松RRM测量要求 | 根据UE状态和位置放松测量要求，降低测量功耗 | ## 7. 移动性增强 LTE的移动性管理主要基于UE的测量报告。源基站触发切换请求并发送给目标基站，收到目标基站的确认回复后，源基站发起切换过程并将目标基站的配置信息发送给终端。终端收到配置消息后，向目标基站发起随机接入过程，随机接入成功后切换过程完成。在LTE系统的小区切换过程中，UE需要在目标小区完成随机接入后才能进行业务传输，不可避免地会出现短暂的业务中断。 为了满足0Ms中断的要求并提高切换的鲁棒性，5G NR在移动性方面进行了两项主要增强： ### 7.1 基于双活动协议栈（DAPS）的切换机制 该机制与LTE切换过程类似，终端根据收到的切换命令确定切换类型。如果是基于DAPS的切换，终端将在成功完成对目标小区的随机接入过程之前，维持与源小区的数据传输和接收，直到收到网络的显式信令后才释放与源小区的连接并停止数据传输。即在切换过程中，终端将同时与源小区和目标小区保持连接和数据传输。通过DAPS机制，NR可实现切换过程中0Ms的业务中断延迟，大大提高了用户在移动过程中的业务感知。 ### 7.2 条件切换机制 条件切换的主要目标是提高切换过程的可靠性和鲁棒性，解决切换准备时间过长或切换过程中源小区信道质量急剧下降导致的切换失败问题。其核心思想是提前向UE预配置切换命令的内容，当满足特定条件时，UE可独立执行切换命令的配置并直接向满足预配置条件的目标小区发起切换。由于UE在满足切换条件时不再触发测量报告，且提前获得了切换命令中的配置，解决了测量报告和切换命令接收不正确的问题。特别是在高速场景或切换频段信号快速衰落的情况下，条件切换可大大提高切换成功率。 以下是5G NR移动性增强的流程mermaid图： ```mermaid graph LR A[UE测量报告] --> B{源基站判断} B -- 满足切换条件 --> C{选择切换类型} C -- DAPS切换 --> D[维持与源小区连接并接入目标小区] C -- 条件切换 --> E[预配置切换命令给UE] D --> F[收到信令释放源小区连接] E --> G{满足条件} G -- 是 --> H[UE发起切换] ``` ## 8. 服务质量保障增强 在LTE系统中，服务质量（QoS）控制通过演进分组系统（EPS）承载的概念实现，EPS承载是最小的粒度。 虽然文中未详细提及5G NR在QoS保障方面的具体增强内容，但可以推测，结合前面提到的5G NR在帧结构、子载波间隔、低延迟、参考信号、MIMO、终端节能和移动性等方面的增强，这些技术的综合应用将有助于提高5G NR的服务质量保障能力。例如，灵活的帧结构和符号级调度可更高效地分配资源，满足不同业务的QoS需求；低延迟增强可确保实时业务的低延迟要求；MIMO能力增强可提高系统容量和可靠性，保障业务的稳定传输。 综上所述，5G NR在多个方面进行了技术增强，这些增强将为5G移动通讯系统带来巨大的技术优势和经济效益，满足多样化业务的需求，提升用户体验。通过灵活的设计和优化，5G NR为未来的通信发展奠定了坚实的基础。