5G的標準化與頻段分配

• What is 5G？
• • 5G NR： Use Case
  • 4G-5G演化特點
• 5G Standardization
• • 5G 標準
  • • ITU-R (International Telecommunications Union)
    • Usage Scenarios for IMT-2020
  • 5G的性能指標
  • • Capabilities of IMT-2020
    • 性能參數
    • 評價指標
• 5G Spectrum
• • NR的頻帶

What is 5G？

概要內容如上表所示。紅色部分是重點。一定要做到不管什么時候都能過說出這些名詞的特點。
這里補充一下各時代的核心技術

/1G2G3G4G

核心技術	FM	TDM	[W]CDMA	OFDM
標準/系統	AMPS	GSM	3GPP2	LTE/MIMO
衍生技術	FDM	CDMA	Roaming/GPS	LTE-Advanced
發展目標	Analog voice	Digital voice	Digital voice+ data service	Digital packet voice+Internet\

5G NR： Use Case

5G的三大特點：
eMMB:超高帶寬，超高傳輸速率
mMTC:為支持物聯網運作，可以支持大量連接同時存在于網絡中
URLLC:超低延遲，可靠傳輸

介紹一下5G下對應特點能夠支持的業務
SMV：可以理解為不戴眼鏡的3D
UHD：超高清觀影
Hologram： 立體投影成像
VR: 假想現實。這個不用多說，想必大家都了解。
AR：增強現實，在設備下可以分析現存環境下的一些數據，比如AR眼鏡可以將看到的道路聯網計算，并且智能導航與計算剩余距離等。
Tele-Experience: 遠距離體驗。即便不出門旅游也能感覺像真正置身于景區的感覺。

Tactile Internet： 觸覺網絡。延遲低到手指的觸覺可以被反應的程度，典型的應用是長距離下精密操作。如美國的醫生用該項服務連接機器人給本國的患者做手術，醫生的精密動作能夠完全反映到機器人上。延遲低到這種程度才能實現如此高精密度的任務。
V2X(X為I或者V）I是網絡，也就是基站，V是載具，在這里也就是車的意思。在車聯網的環境下，為了保證交通安全，必須要求操作可控，當載具發送數據給基站，則是V2I，給其他載具就是V2V。

另一個就是支持物聯網的廣連接服務了，因為是服務于物聯網因此所有物聯網相關的服務都可以直接作用于此。

4G-5G演化特點

4G其實可以細分為三個小時代，分別為LTE,LTE Advanced,LTE Pro。 這三個小時代為了方便區分，可以理解為3.9G、4G、4.5G。雖然不會這么稱呼他們，但是它們研究過程中，確實存在不斷在原有基礎上優化改良的特點。
向后兼容性[Backward compatibility]:所有新技術的研發要保證當前寄存技術的兼并使用。
如：在LTE Pro正式商用化以后，要求LTE Pro對應的基站可以兼容LTE,LTE_A的所有設備。
而5G在開發過程中，雖然保留了很多4G的原有技術，比如4G也有高帶寬告訴和部分低延遲的要求。但是有部分技術的修改可能會對原有的LTE寄存技術進行大規模變動或者幾乎重寫，這部分技術就不在基于LTE而是重新開發，歸并到5G NR中。同時5G并不要求向后兼容性的滿足，即5G設備只能連接到5G基站，而4G設備無法連接到5G基站。

4G 網絡特點：被劃分為兩部分網絡，分別是有線網絡和無線網絡。一般用戶通過網絡運營商接入網絡，整體過程為用戶的設備將信號發送給基站，基站通過無線網絡傳輸數據給對應運營商的有線網絡，然后通過有線傳輸數據到互聯網。
其中以基站為中心的無線網絡我們稱之為LTE【也叫Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN】，而以有線介質為中心的運營商有線網稱為EPC。

5G的發展趨勢是會逐步代替4G，現在的5G使用4G的部分帶寬，將來5G會逐步吞并現有4G的帶寬，知道LTE消失。

過渡階段下的5G現狀：
NSA： 2017年11月完成的標準。5G起步階段，僅提供設備與基站之間的無線網絡為5G網絡，不能夠令用戶完全使用5G的所有服務，最后接入的仍然是4G的有線網絡。
SA：2018年6月完成的標準。可以令用戶使用完全的5G服務，根據數據類型決定接入哪種移動網絡。

5G Standardization

5G 標準

標準化： 將技術的執行標準普適性的確認后供給其他業務體制商用或者其他規定用途的行為。標準化的目標是為了防止某些技術像數據的過擬合或欠擬合導致的某領域危機。標準化組織一般是非營利性組織。

其中，能夠提案標準的部門有很多，包括3GPP以及各國的企業，但是被提案的標準化需要被ITU通過才可以正式稱為被認可的標準。其中ITU中的ITU-R是負責頻率的劃分，而頻率相當于固有資源，固有資源有限且無法擴展。包括哪個頻段屬于哪個國家，哪個頻段應該用來做什么（軍事，醫療，民生等），具有強制性。一般各國內的頻帶劃分由國家政府決定。這些監管部門決定標準化組織的提案是否可以被投放到市場。
投放到市場后的技術將以行業為主導的團體，為特定技術或其他利益進行宣傳和游說。
三個部分從整體來看都對底層市場有著聯系。底層市場也包括擁有自主開發能力的大企業，如三星，華為，蘋果等常年在通信領域赫赫有名的企業。

ITU-R (International Telecommunications Union)

確保高效和經濟地使用射頻頻譜
無線電規則:關于如何使用射頻頻譜的具有約束力的國際條約
?WRC(世界無線電通信大會)每3 ~ 4年舉行一次來重新確定一次國際性的頻率劃分，同時負責將技術轉化為全球標準。一些頻譜會在此被確定為所謂的IMT(國際移動電信)系統

WP5D (ITU-R 5D工作組)
?負責IMT系統的整體無線電系統方面的5G標準化。
?與區域標準化機構合作定義IMT（Internet Mobile Telecommunication，對345G的統稱）并維護一套IMT建議和報告的作用，包括一套rspc(無線電接口規范(Radio Interface Specifications))，這些建議包括無線電接口技術的“系列”為每一代IMT(RITs Radio Interface Technologies )
?各個SDO維護的實際規范需要在此得到認可才能夠被廣泛使用
?RSPC提供對每個SDO轉換和維護的規范的引用

上圖三個分別是對3G,4G,5G的規范標準。
3G除了WCDMA以外還對cdma 2000進行了規范承認， 4G除了LTE以外Wi-MAX技術進行了規范承認。

任何移動網絡的極限速度和用戶體驗速度都是不一樣的，而5G時代的基本目標是讓用戶的體驗速度達到100MB/s的網速。

4G的LTE-A是（3GPP-Release 10+）被ITU-R承認的，同時LTE是對應的3GPP-Release 8版本。此外WiMAX(IEEE 802.16)也被IMT-Advanced所承認。

從宏觀上來看5G標準化的出現，5G的要求事項從2015年完成，2020年3月被承認標準化。3GPP從2017年11月完成NSA標準，2018年六月完成SA標準。
準備時間相當長，具體的要求事項有三項

• 技術目標：技術層面有什么目標，以及對這些應用技術的評價方法也要進行明確的規定
• 評審規則：字面意思
• 提交模板：字面意思
  
  5G最終被劃分為6GHz左右的頻率。

Usage Scenarios for IMT-2020

本圖和0章的5G的三大特點是一致的，能夠更詳細的展示出三大特點。高帶寬，大連接，低延遲。

5G的性能指標

Capabilities of IMT-2020

如圖所示。可以很明顯的看出5G與4G基礎上比較的結果。5G是深綠色，4G是淺綠色，各方面性能都大幅度提升了。

• Peak data rate: 最大速率。這一項是理論環境下或測試環境下才能達到的，而用戶無法體驗到。
  $Peakdatarate=Systembandwidth\times Peakspectralefficiency$
• 用戶體驗速率： 用戶的實際體驗速率，5G的實際體驗速率是100Mbps，也就是現在大多數以太網速度的十倍。
• Spectrum efficiency[頻譜利用率]： 平均數據吞吐量(bps/Hz)or(bps/基站).也被稱為Transmission Reception Point, TRP
  Area Traffic Capacity = Spectrum efficiency × BW × TRP density
• Area traffic capacity[區域流量能力]: 這取決于網絡部署的基站密集程度
• Network energy efficiency： 雖然整體網絡中的計算量增加了十倍，但是計算力本身也增加了，所以整體上能量消耗并不增加。

然后是能反應三大特點的項目，如下圖所示。


上圖是三大特點的具體反應，綠色高速率，黃色低延遲，藍色大連接

此外還有5個不容易量化的KPI。能夠知道這些還可以影響到5G評價 并能做出一定說明即可。

性能參數

上圖中表示了更詳細和具體的要求和標準。這些參數有記住的必要。
用戶體驗速率的評價標準是指下位5%的速率。且5G的頻譜利用率是 4G的三倍，當5G環境中的多個用戶的一些因為環境因素而導致體驗差時，網絡會分配給其較多的頻率，而環境好的會被分配的更少，從而增加平均用戶的體驗速率。平均頻譜利用率也要比4G計算量大三倍。計算過程會在后面詳細展開
帶寬*頻譜利用率=數據傳輸速率

在更高的頻段（28GHz）應支持可擴展帶寬，且至少為100M（~1G）。

評價指標

Simulation是最常用的方法，通過多組實驗，在保證正常功能的前提下，去看能夠兼容的各項參數的最大值，當測試出最大值后，再利用分析計算一些更加詳細的參數。 分析則更多的是數理分析，一般用于理想速率的計算等。

標準化的制定過程大體是上圖中的四個階段，但是每個階段都會進行到一定程度后給之前的階段提出新的修正點，需要不斷反復訂正。

Release 8-10-13分別代表了LTE,LTE-Advanced,LTE-Pro,同理R 15完成了5G一階段的標準化，R16完成了二階段，也就是2020年3月的商業化標準。在R15-16中雖然5G開始出現并重復修訂，同時LTE技術也仍然在一直復議優化。

WG3 定義了當設備之間通過有線網等介質直接通信時需要的協議和規則。
WG4定義了仍標準中未能實現的的一些測試要求
5G NR主要就是上圖中最左側一列的構造。

通過上圖來統合觀察一下345G的發展環境，并且預測一下6G相關事宜。3G代表性不強，我們從4G來觀察5G并推測6G。
4G的需求從2003年開始被提出，并在2008年標準化被ITU承認并逐步開始商業化（LTE），此后一直到2010年LTE_Advanced標準化完成。 而4G服務的真正活性化是從2010年以后開始的，并持續完善，直到2018年5G的市場需求（非技術需求）被正式提案之前，4G技術體系已經相當成熟。整個過程經歷了15年的時間，10年的時間技術不斷成熟，后5年開始有了次時代的市場需求。
再看5G，技術需求從2015年開始被提案，經歷了5年商業化的標準R 16被ITU承認。按照4G的模型，技術發展愈快速的情境下，至少15年新的市場需求就會出現，那么2025年左右對于6G的市場需求就應該相對成熟了，換言之6G技術體系在五年后也會被各個研究所作為重要項目進行開發。各研究部門已經對6G開始進行研究討論，但是目前對于6G的理論體系尚不成熟，對應的論文數量也很少，因此現在開始起步對6G的學習雖然是一個很好的機遇，但是學習的難度會更大。

對于標準就簡單的提及到這里，想要詳細參考的可以去3GPP官網查找對應文書。
https://www.3gpp.org/specifications/releases

上圖中的25系列是3G,36是4G，38是5G，3GPP的一些標準會用25.xxxx表示，看到一些數字就可以知道這是對應的哪一個領域的標準了。

5G Spectrum

低頻帶和高頻帶一般是相對的，在5G中有明確的的一個標準線那就是6GHz。低頻帶適用于城市、郊區和農村環境的廣域覆蓋部署，但是帶寬一般不高；而高頻帶很難大范圍部署，但是帶寬會更高。其中低頻帶我們稱為FR1,高頻帶稱為FR2。

Paired bands vs. Unpaired band
成對帶：有上行下行兩個鏈路，每個鏈路有固定方向的接收端和發送端。也就說有兩個頻帶被使用。通信時使用頻分復用。
不成對帶：上下行鏈路公用一個頻帶。通信時使用時分復用。

多路復用相關知識可參考通信原理對應章節：多路復用和頻譜拓展

SDL/SUL： 成對帶中，臨時箱擴展 上行或者下行鏈路帶寬時，將其他頻帶加入某信道的技術。后面會展開說明。

ITU會分配給不同國家不同的頻段，然后國家根據自身情況內部分配不同的頻段給國內諸多領域使用。WRC是國際無線電學會的簡稱，負責不斷的調整5G相關的頻段分配問題。在基準的頻帶上如果能在臨近頻帶上增加一部分其他頻段用于提供相似服務，則對于商業化實行的裝置設計而言將會非常有益。

全球漫游：全球所有5G頻帶使用同一個是最理想的目標，但是現實角度考慮，只需要做到各國之間的頻帶相鄰就可以有效的減少漫游的技術難度。
多頻帶設備:定義可用于提供真正全球漫游的最小頻帶集，這些設備可以在各國之間不同頻段使用數據服務。

NR的頻帶

NR的頻率范圍很廣，是于物理階層、信號處理過程中能更好的泛用的頻帶，保證了漫游可用性。這些頻段既有IMT標準規定的頻段，也有WRC新追加的頻段。
FR1/FR2前面已經提過了，FR2又稱mmWave【毫米波】。
$比特率=波長X頻率$
因為5G通信速率一定，但是高頻地段其波長對應的也就會更短，因此單位降到了毫米級。

5G NR的部分頻帶如下圖。

這里有必要提一下的是，在3GPP標準中，有一些標識符可以確定某些頻段對應的是哪些技術。如圖中所示的n51，n表示的就是NR。在3G中會使用羅馬數字表示12345,4G中則是直接使用阿拉伯數字表示。5G NR中，n65~n256 被劃分為FR1， n257~n512被劃分為FR2。
而n1~64則被保留用于LTE的一些頻段劃分，以及技術過渡。

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頻帶圖如下所示

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【移动网络】Ch. 1 5G标准化与频谱的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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