5G的標(biāo)準(zhǔn)化與頻段分配

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

What is 5G？

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

/1G2G3G4G

核心技術(shù)	FM	TDM	[W]CDMA	OFDM
標(biāo)準(zhǔn)/系統(tǒng)	AMPS	GSM	3GPP2	LTE/MIMO
衍生技術(shù)	FDM	CDMA	Roaming/GPS	LTE-Advanced
發(fā)展目標(biāo)	Analog voice	Digital voice	Digital voice+ data service	Digital packet voice+Internet\

5G NR： Use Case

5G的三大特點(diǎn)：
eMMB:超高帶寬，超高傳輸速率
mMTC:為支持物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作，可以支持大量連接同時(shí)存在于網(wǎng)絡(luò)中
URLLC:超低延遲，可靠傳輸

介紹一下5G下對應(yīng)特點(diǎn)能夠支持的業(yè)務(wù)
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(xiàn)實(shí)。這個(gè)不用多說，想必大家都了解。
AR：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，在設(shè)備下可以分析現(xiàn)存環(huán)境下的一些數(shù)據(jù)，比如AR眼鏡可以將看到的道路聯(lián)網(wǎng)計(jì)算，并且智能導(dǎo)航與計(jì)算剩余距離等。
Tele-Experience: 遠(yuǎn)距離體驗(yàn)。即便不出門旅游也能感覺像真正置身于景區(qū)的感覺。

Tactile Internet： 觸覺網(wǎng)絡(luò)。延遲低到手指的觸覺可以被反應(yīng)的程度，典型的應(yīng)用是長距離下精密操作。如美國的醫(yī)生用該項(xiàng)服務(wù)連接機(jī)器人給本國的患者做手術(shù)，醫(yī)生的精密動(dòng)作能夠完全反映到機(jī)器人上。延遲低到這種程度才能實(shí)現(xiàn)如此高精密度的任務(wù)。
V2X(X為I或者V）I是網(wǎng)絡(luò)，也就是基站，V是載具，在這里也就是車的意思。在車聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，為了保證交通安全，必須要求操作可控，當(dāng)載具發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，則是V2I，給其他載具就是V2V。

另一個(gè)就是支持物聯(lián)網(wǎng)的廣連接服務(wù)了，因?yàn)槭欠?wù)于物聯(lián)網(wǎng)因此所有物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)都可以直接作用于此。

4G-5G演化特點(diǎn)

4G其實(shí)可以細(xì)分為三個(gè)小時(shí)代，分別為LTE,LTE Advanced,LTE Pro。 這三個(gè)小時(shí)代為了方便區(qū)分，可以理解為3.9G、4G、4.5G。雖然不會(huì)這么稱呼他們，但是它們研究過程中，確實(shí)存在不斷在原有基礎(chǔ)上優(yōu)化改良的特點(diǎn)。
向后兼容性[Backward compatibility]:所有新技術(shù)的研發(fā)要保證當(dāng)前寄存技術(shù)的兼并使用。
如：在LTE Pro正式商用化以后，要求LTE Pro對應(yīng)的基站可以兼容LTE,LTE_A的所有設(shè)備。
而5G在開發(fā)過程中，雖然保留了很多4G的原有技術(shù)，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(shù)的修改可能會(huì)對原有的LTE寄存技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模變動(dòng)或者幾乎重寫，這部分技術(shù)就不在基于LTE而是重新開發(fā)，歸并到5G NR中。同時(shí)5G并不要求向后兼容性的滿足，即5G設(shè)備只能連接到5G基站，而4G設(shè)備無法連接到5G基站。

4G 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：被劃分為兩部分網(wǎng)絡(luò)，分別是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。一般用戶通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)，整體過程為用戶的設(shè)備將信號發(fā)送給基站，基站通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)給對應(yīng)運(yùn)營商的有線網(wǎng)絡(luò)，然后通過有線傳輸數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)。
其中以基站為中心的無線網(wǎng)絡(luò)我們稱之為LTE【也叫Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN】，而以有線介質(zhì)為中心的運(yùn)營商有線網(wǎng)稱為EPC。

5G的發(fā)展趨勢是會(huì)逐步代替4G，現(xiàn)在的5G使用4G的部分帶寬，將來5G會(huì)逐步吞并現(xiàn)有4G的帶寬，知道LTE消失。

過渡階段下的5G現(xiàn)狀：
NSA： 2017年11月完成的標(biāo)準(zhǔn)。5G起步階段，僅提供設(shè)備與基站之間的無線網(wǎng)絡(luò)為5G網(wǎng)絡(luò)，不能夠令用戶完全使用5G的所有服務(wù)，最后接入的仍然是4G的有線網(wǎng)絡(luò)。
SA：2018年6月完成的標(biāo)準(zhǔn)。可以令用戶使用完全的5G服務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型決定接入哪種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

5G Standardization

5G 標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)化： 將技術(shù)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)普適性的確認(rèn)后供給其他業(yè)務(wù)體制商用或者其他規(guī)定用途的行為。標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)是為了防止某些技術(shù)像數(shù)據(jù)的過擬合或欠擬合導(dǎo)致的某領(lǐng)域危機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)化組織一般是非營利性組織。

其中，能夠提案標(biāo)準(zhǔn)的部門有很多，包括3GPP以及各國的企業(yè)，但是被提案的標(biāo)準(zhǔn)化需要被ITU通過才可以正式稱為被認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。其中ITU中的ITU-R是負(fù)責(zé)頻率的劃分，而頻率相當(dāng)于固有資源，固有資源有限且無法擴(kuò)展。包括哪個(gè)頻段屬于哪個(gè)國家，哪個(gè)頻段應(yīng)該用來做什么（軍事，醫(yī)療，民生等），具有強(qiáng)制性。一般各國內(nèi)的頻帶劃分由國家政府決定。這些監(jiān)管部門決定標(biāo)準(zhǔn)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(shù)將以行業(yè)為主導(dǎo)的團(tuán)體，為特定技術(shù)或其他利益進(jìn)行宣傳和游說。
三個(gè)部分從整體來看都對底層市場有著聯(lián)系。底層市場也包括擁有自主開發(fā)能力的大企業(yè)，如三星，華為，蘋果等常年在通信領(lǐng)域赫赫有名的企業(yè)。

ITU-R (International Telecommunications Union)

確保高效和經(jīng)濟(jì)地使用射頻頻譜
無線電規(guī)則:關(guān)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(huì))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(shí)負(fù)責(zé)將技術(shù)轉(zhuǎn)化為全球標(biāo)準(zhǔn)。一些頻譜會(huì)在此被確定為所謂的IMT(國際移動(dòng)電信)系統(tǒng)

WP5D (ITU-R 5D工作組)
?負(fù)責(zé)IMT系統(tǒng)的整體無線電系統(tǒng)方面的5G標(biāo)準(zhǔn)化。
?與區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)合作定義IMT（Internet Mobile Telecommunication，對345G的統(tǒng)稱）并維護(hù)一套IMT建議和報(bào)告的作用，包括一套rspc(無線電接口規(guī)范(Radio Interface Specifications))，這些建議包括無線電接口技術(shù)的“系列”為每一代IMT(RITs Radio Interface Technologies )
?各個(gè)SDO維護(hù)的實(shí)際規(guī)范需要在此得到認(rèn)可才能夠被廣泛使用
?RSPC提供對每個(gè)SDO轉(zhuǎn)換和維護(hù)的規(guī)范的引用

上圖三個(gè)分別是對3G,4G,5G的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
3G除了WCDMA以外還對cdma 2000進(jìn)行了規(guī)范承認(rèn)， 4G除了LTE以外Wi-MAX技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范承認(rèn)。

任何移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的極限速度和用戶體驗(yàn)速度都是不一樣的，而5G時(shí)代的基本目標(biāo)是讓用戶的體驗(yàn)速度達(dá)到100MB/s的網(wǎng)速。

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

從宏觀上來看5G標(biāo)準(zhǔn)化的出現(xiàn)，5G的要求事項(xiàng)從2015年完成，2020年3月被承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)化。3GPP從2017年11月完成NSA標(biāo)準(zhǔn)，2018年六月完成SA標(biāo)準(zhǔn)。
準(zhǔn)備時(shí)間相當(dāng)長，具體的要求事項(xiàng)有三項(xiàng)

• 技術(shù)目標(biāo)：技術(shù)層面有什么目標(biāo)，以及對這些應(yīng)用技術(shù)的評價(jià)方法也要進(jìn)行明確的規(guī)定
• 評審規(guī)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(diǎn)是一致的，能夠更詳細(xì)的展示出三大特點(diǎn)。高帶寬，大連接，低延遲。

5G的性能指標(biāo)

Capabilities of IMT-2020

如圖所示。可以很明顯的看出5G與4G基礎(chǔ)上比較的結(jié)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(xiàng)是理論環(huán)境下或測試環(huán)境下才能達(dá)到的，而用戶無法體驗(yàn)到。
  $Peakdatarate=Systembandwidth\times Peakspectralefficiency$
• 用戶體驗(yàn)速率： 用戶的實(shí)際體驗(yàn)速率，5G的實(shí)際體驗(yàn)速率是100Mbps，也就是現(xiàn)在大多數(shù)以太網(wǎng)速度的十倍。
• Spectrum efficiency[頻譜利用率]： 平均數(shù)據(jù)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(qū)域流量能力]: 這取決于網(wǎng)絡(luò)部署的基站密集程度
• Network energy efficiency： 雖然整體網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算量增加了十倍，但是計(jì)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(yīng)三大特點(diǎn)的項(xiàng)目，如下圖所示。


上圖是三大特點(diǎn)的具體反應(yīng)，綠色高速率，黃色低延遲，藍(lán)色大連接

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

性能參數(shù)

上圖中表示了更詳細(xì)和具體的要求和標(biāo)準(zhǔn)。這些參數(shù)有記住的必要。
用戶體驗(yàn)速率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是指下位5%的速率。且5G的頻譜利用率是 4G的三倍，當(dāng)5G環(huán)境中的多個(gè)用戶的一些因?yàn)榄h(huán)境因素而導(dǎo)致體驗(yàn)差時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)分配給其較多的頻率，而環(huán)境好的會(huì)被分配的更少，從而增加平均用戶的體驗(yàn)速率。平均頻譜利用率也要比4G計(jì)算量大三倍。計(jì)算過程會(huì)在后面詳細(xì)展開
帶寬*頻譜利用率=數(shù)據(jù)傳輸速率

在更高的頻段（28GHz）應(yīng)支持可擴(kuò)展帶寬，且至少為100M（~1G）。

評價(jià)指標(biāo)

Simulation是最常用的方法，通過多組實(shí)驗(yàn)，在保證正常功能的前提下，去看能夠兼容的各項(xiàng)參數(shù)的最大值，當(dāng)測試出最大值后，再利用分析計(jì)算一些更加詳細(xì)的參數(shù)。 分析則更多的是數(shù)理分析，一般用于理想速率的計(jì)算等。

標(biāo)準(zhǔn)化的制定過程大體是上圖中的四個(gè)階段，但是每個(gè)階段都會(huì)進(jìn)行到一定程度后給之前的階段提出新的修正點(diǎn)，需要不斷反復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化，R16完成了二階段，也就是2020年3月的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。在R15-16中雖然5G開始出現(xiàn)并重復(fù)修訂，同時(shí)LTE技術(shù)也仍然在一直復(fù)議優(yōu)化。

WG3 定義了當(dāng)設(shè)備之間通過有線網(wǎng)等介質(zhì)直接通信時(shí)需要的協(xié)議和規(guī)則。
WG4定義了仍標(biāo)準(zhǔn)中未能實(shí)現(xiàn)的的一些測試要求
5G NR主要就是上圖中最左側(cè)一列的構(gòu)造。

通過上圖來統(tǒng)合觀察一下345G的發(fā)展環(huán)境，并且預(yù)測一下6G相關(guān)事宜。3G代表性不強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)化被ITU承認(rèn)并逐步開始商業(yè)化（LTE），此后一直到2010年LTE_Advanced標(biāo)準(zhǔn)化完成。 而4G服務(wù)的真正活性化是從2010年以后開始的，并持續(xù)完善，直到2018年5G的市場需求（非技術(shù)需求）被正式提案之前，4G技術(shù)體系已經(jīng)相當(dāng)成熟。整個(gè)過程經(jīng)歷了15年的時(shí)間，10年的時(shí)間技術(shù)不斷成熟，后5年開始有了次時(shí)代的市場需求。
再看5G，技術(shù)需求從2015年開始被提案，經(jīng)歷了5年商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)R 16被ITU承認(rèn)。按照4G的模型，技術(shù)發(fā)展愈快速的情境下，至少15年新的市場需求就會(huì)出現(xiàn)，那么2025年左右對于6G的市場需求就應(yīng)該相對成熟了，換言之6G技術(shù)體系在五年后也會(huì)被各個(gè)研究所作為重要項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)。各研究部門已經(jīng)對6G開始進(jìn)行研究討論，但是目前對于6G的理論體系尚不成熟，對應(yīng)的論文數(shù)量也很少，因此現(xiàn)在開始起步對6G的學(xué)習(xí)雖然是一個(gè)很好的機(jī)遇，但是學(xué)習(xí)的難度會(huì)更大。

對于標(biāo)準(zhǔn)就簡單的提及到這里，想要詳細(xì)參考的可以去3GPP官網(wǎng)查找對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)會(huì)用25.xxxx表示，看到一些數(shù)字就可以知道這是對應(yīng)的哪一個(gè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)線那就是6GHz。低頻帶適用于城市、郊區(qū)和農(nóng)村環(huán)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(huì)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(gè)鏈路，每個(gè)鏈路有固定方向的接收端和發(fā)送端。也就說有兩個(gè)頻帶被使用。通信時(shí)使用頻分復(fù)用。
不成對帶：上下行鏈路公用一個(gè)頻帶。通信時(shí)使用時(shí)分復(fù)用。

多路復(fù)用相關(guān)知識(shí)可參考通信原理對應(yīng)章節(jié)：多路復(fù)用和頻譜拓展

SDL/SUL： 成對帶中，臨時(shí)箱擴(kuò)展 上行或者下行鏈路帶寬時(shí)，將其他頻帶加入某信道的技術(shù)。后面會(huì)展開說明。

ITU會(huì)分配給不同國家不同的頻段，然后國家根據(jù)自身情況內(nèi)部分配不同的頻段給國內(nèi)諸多領(lǐng)域使用。WRC是國際無線電學(xué)會(huì)的簡稱，負(fù)責(zé)不斷的調(diào)整5G相關(guān)的頻段分配問題。在基準(zhǔn)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(wù)，則對于商業(yè)化實(shí)行的裝置設(shè)計(jì)而言將會(huì)非常有益。

全球漫游：全球所有5G頻帶使用同一個(gè)是最理想的目標(biāo)，但是現(xiàn)實(shí)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(shù)難度。
多頻帶設(shè)備:定義可用于提供真正全球漫游的最小頻帶集，這些設(shè)備可以在各國之間不同頻段使用數(shù)據(jù)服務(wù)。

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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻段，也有WRC新追加的頻段。
FR1/FR2前面已經(jīng)提過了，FR2又稱mmWave【毫米波】。
$比特率=波長X頻率$
因?yàn)?G通信速率一定，但是高頻地段其波長對應(yīng)的也就會(huì)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(biāo)準(zhǔn)中，有一些標(biāo)識(shí)符可以確定某些頻段對應(yīng)的是哪些技術(shù)。如圖中所示的n51，n表示的就是NR。在3G中會(huì)使用羅馬數(shù)字表示12345,4G中則是直接使用阿拉伯?dāng)?shù)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(shù)過渡。

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頻帶圖如下所示

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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