Navigating the 5G NR Standards

Sheri DeTomasi

是德科技，美国加州圣罗莎

无线通信标准大约每10年呈现一次升级换代，从最初的2G、3G过渡到4G，现在又开始向5G进军。5G新空口（NR）标准为无线通信创造了一个全新的时代。随时随地万物互联、极快的下载速度和超低时延，5G的这些承诺要求其生态系统发生巨大变化。

5G NR标准增加了新的工作频段，采用先进的方式封装和传输信号。毫米波工作频段、更宽广的调制带宽，可扩展的参数集和新的初始接入程序给在新的基础设施和移动设计中理解和实施5G技术带来了很多变化。芯片和设备将以更高的频率运行。设备和基站将使用新技术建立连接，网络将向前发展，以处理更多数据、服务更多用户，提供不同级别的服务。4G和5G NR网络必须从一开始便协调工作，以便为用户提供无缝服务。要通过新用例和新业务模式全面抓住5G机遇，您必须了解5G NR标准，并开发先进技术来成功实施这一标准。

谁是5G NR标准的开发者？

国际电信联盟（ITU）与运营商、网络设备制造商（NEM）和标准组织合作，确定了国际移动通信2020（IMT-2020）的愿景。5G NR标准规定了新的功能，要求开发新技术以达到其雄心勃勃的目标（表1）。第三代合作伙伴计划（3GPP）负责开发5G NR接入技术规范，以实现IMT-2020建议的目标。

ITU和3GPP采用分阶段的方式，推动5G NR到2020年进入大规模商用。在第1阶段，5G NR第15版侧重于为增强型移动宽带（eMBB）和超高可靠、低时延通信（URLLC）用例奠定基础。第2阶段将继续推动5G NR的演进，优化新功能，如免许可频谱接入和连通的车联网（V2X）通信。这一阶段从5G NR第16版开始，预计在2019年底完成。5G NR第15版向前兼容NR第16版，但不向后兼容4G第14版。3GPP还将在第15版和第16版中继续定义LTE-Advanced Pro的增强功能（最初在第13版和第14版中规定）（见图1）。

图1. 3GPP发布5G NR版本的时间表。

预计5G NR将与4G LTE共存并提供增强型服务。5G NR第15版于2018年6月得到批准，它规定了5G无线接入网（RAN）的标准。5G RAN将与5G NR新一代Node B（gNB）和LTE演进型Node B（eNB）基站一起运行。5G NR支持第1阶段中的独立（SA）和非独立（NSA）工作模式。在NSA模式下，用户设备（UE）需要一个与演进分组核心（EPC）连接的传统eNB基站，以便控制面能够支持5G NR通信。在SA模式下，5G网络独立于4G核心网运行（见图2）。5G NR规范中定义了七种不同的连通性选项，为NEM提供了升级到新一代核心网的不同路径。

图2. 5G NR第1阶段非独立（a）和独立（b）模式。

虽然5G NR第15版被认为已经完成，但是在2018年12月有一次计划中的NR延迟发布冻结，在2019年3月有一次ASN（Abstract Syntax Notation）发布，以解决没有在2018年9月完成的NR体系结构连通性选项问题。一致性测试定义作为目前仍处于开发阶段的最大领域之一，原计划在2019年5月完成(但目前又确认有3个月的延迟)。第16版将开始确定新的业务类型、设备、部署模式和频段，重点关注为工业物联网增强的URLLC、免许可频段的使用、车联网、用户设备定位和用户设备功率效率。

5G NR 3GPP规范中有什么内容？

RAN工作组定义了5G NR规范。工作组的成果是公开的：所有文档、会议报告和发布的规范都可以在3GPP网站上找到¹。5G NR规范位于38.xxx系列文档中。5G NR RAN研究项目和规范定义了网络的功能、要求和接口。RAN研究项目之后是工作项目，再然后是规范的发布。

用户设备和网络之间的无线接口由通信栈的第1、第2和第3层组成，通常称为物理层、数据链路层和网络层。TS38.200中定义的物理层代表与“现实世界”的接口，包括控制这一链路的硬件和软件。物理层提供传输信道，并指定信息通过无线接口传输的方式。TS38.300系列中定义的第2层和第3层（见图3）与物理层一起工作。数据链路层，也称为介质访问控制（MAC）层，支持数据在不同网络层之间传输。MAC层为网络层中的无线链路控制（RLC）提供不同的逻辑信道。第3层是无线资源控制（RRC）层，它与网络中的节点连接，使用户设备能够在整个网络中无缝移动。

图3. 物理层周围的无线接口协议体系结构（来自3GPP文档TS38.201）。

RAN工作组负责开发某些领域的5G NR规范，如5G NR物理层。TR表示技术报告或研究，TS表示技术规范。5G NR RAN工作组和技术规范包括：

• RAN1（无线层1，TS38.201–38.215）负责用户设备的物理层（第1层）和到无线接口协议体系结构（第2层和第3层）的数据传输。它包括物理信道结构的规范、传输信道到物理信道的映射、复用、调制和信道编码以及物理层程序，如小区搜索、功率控制和波束管理。

• RAN2（射频层2和3，TS38.300-TS38.331）负责无线接口体系和协议。其中包括5G NR和5G核心网之间的接口，涵盖了网络接口、物理层和与MAC、RLC和分组数据汇聚协议（PDCP）的连接。RAN2还负责RRC协议、无线资源管理策略（RRM）以及物理层向上层提供的业务。

• RAN3（无线网络，TS38.401-38.474）负责整个体系结构和协议规范。RAN1和RAN2中的TS38.2xx和TS38.3xx定义了无线接口协议，RAN3定义了新一代接口协议。

• RAN4（无线性能和协议，TS38.101-38.307）负责通信的射频方面、5G NR传输和接收最低要求的开发，以及信道解调参数。RAN4还提供基站一致性和规范测试程序，用于测试电磁兼容性（EMC）、射频链路、信元选择/重选以及支持RRM的性能。

• RAN5（移动终端一致性测试，TS38.508-38.533）负责根据RAN4中针对信令和协议测试用例而定义的规范，来制定用户设备无线接口的一致性测试规范。RAN5负责射频和信令小组，包括射频一致性和无线间接入技术（RAT）程序。

RAN规范为5G NR信号的创建、传输和接收引入了新频率和新技术：

• 工作频带扩展到毫米波：频率范围1（FR1）为450MHz至6GHz，频率范围2（FR2）为24.25至52.6GHz。

• 信道带宽更宽，其中FR1最高可达100MHz，FR2最高可达400MHz，带宽可以聚合以得到更宽的传输带宽。

• 可扩展的参数集，资源灵活分配，以支持众多用例和业务（如可扩展的子载波间隔，为低时延的时间敏感型应用启用可变时隙持续时间）。

• 动态时分双工（TDD）和带宽，提供灵活的资源分配和更好的频谱利用。

5G NR信号比4G信号更复杂。信号的调制特性可以通过查看IQ星座图和误差矢量幅度（EVM）、符号EVM和子载波EVM来进行评估。该分析使您可以获得对信号性能的一定了解。无线层协议测试确保设备正常运行。网络仿真器可以提供包含特定参数集和帧结构的协议消息，以测试关键性能指标（KPI），并在商业部署之前验证设备的性能。

同样重要的还有，5G系统体系结构必须不断演进，以便跟上无线接入技术的变化。成功的关键在于支持不同的5G业务、众多不同类型的设备和不同的流量负载。许多网络运营商都在转向软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）。分布式云、网络切片和自优化网络（SON）是关键的支持技术。这些新技术有助于使网络体系结构和管理面虚拟化，以创建更强的通信能力。3GPP系统体系结构（SA）工作与5G NR工作并行开展，它确定了部署基于业务的5G运营网络所需的特性和功能。这些规范包含在3GPP TS23.xxx文档中。

一致性、预兼容性和设备验收测试

设备和基站开发的一个重要里程碑是成功通过3GPP RAN4和RAN5规范中列出的一致性测试和合规性测试。在进入市场之前，所有用户设备和基站都必须成功通过所要求的一致性测试。但是，一致性测试只提供最简单的合格/不合格结果，无法揭示设备在整合到无线通信系统中时的性能表现。设备和基站制造商将使用验证和回归测试来测试更广泛的参数，以确保品质和充分的裕量。他们还需要进行预兼容性测试，以便在一致性测试之前检验“合格”的置信度。一旦设备不能通过正式的一致性测试（见图4），这样做可以减少返工的时间和费用。

图4. 从开发到部署的典型测试流程。

用户设备一致性测试包括将设备连接到无线测试系统，并执行所需的3GPP测试：

• 射频传输和接收，以达到最低等级的信号质量。

• 解调，以确定数据吞吐量性能。

• RRM，以确保初始接入、切换和移动性。

• 信令，以评测上层信令程序。

尽管5G NR第15版已完成，但是在2019年5月之前不会定义大部分5G NR一致性测试。测试设备天线的辐射性能是关键挑战之一。使用集成到RFIC中的毫米波多元件天线阵列时需要进行空中（OTA）测试，以验证波束控制和性能。为此必须使用3GPP批准的OTA测试方法来验证设计。到目前为止，3GPP已经批准了用于用户设备的三种射频性能OTA测试方法（见表2）。基站测试仍然在开发之中。OTA测试解决方案通常包括电磁波暗室、探测和测试设备，以便在6GHz以下频率和毫米波频率上执行各种射频、解调和功能、性能测试。第三方实验室负责执行一致性测试，以确保设备厂商不会对结果产生影响。用于执行一致性测试的测试系统必须经过验证和校准，以确保它们在已知不确定度的受控条件下执行测试。

一旦用户设备通过一致性测试，就会在特定网络上接受验证。运营商有其特定的设备验收测试，他们通过此项测试来评估设备是否有足够的性能来满足自己设定的目标。例如，某些网络声称是“最快的网络”或“最可靠的”网络。在这样的情况下，运营商验收测试包括性能测试和功能测试，以确定设备能否在网络上提供承诺的业务。许多运营商预期在2019年提供5G NR验收测试。

对于设备和基站制造商来说，在设计周期的早期对其设计的辐射射频性能进行测试尤为重要。多元件天线需要在移动过程中验证其3D波束性能并测量EVM和相邻信道功率比（ACPR）等指标，以确保在整个天线范围内达到设计性能。在设计周期的早期阶段评测初始接入和波束管理任务（如切换和4G回落程序），有助于确保整个无线网络的正常运行。

接下来的步骤是什么？

5G NR承诺实现随时随地万物互联、飞速下载。随着5G NR第15版得到批准，开发商正在开发5G NR设备和基站。5G NR扩展到更高频率并使用新技术，致使信号的构建、传输和处理方式变得更加复杂。

随着标准的不断演进、更多功能的加入以及一致性测试和验收测试的完成，5G NR设计需要更加灵活和成熟，以适应更高的毫米波频率，应对更宽的带宽、更密集的波形和越来越多的测试用例。

参考文献

1.      3GPP规范组，www.3gpp.org/specifications-groups