现代通信网络技术丛书
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5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件
5G Physical Layer: Principles, Models and Technology Components

[瑞典]　阿里扎伊迪（Ali Zaidi）
弗雷德里克·阿斯利（Fredrik Athley）
乔纳斯·梅德博（Jonas Medbo）
乌尔夫·古斯塔夫松（Ulf Gustavsson）
朱塞佩·杜里西（Giuseppe Durisi）
[中]　陈晓明（Xiaoming Chen）
刘阳　李蕾　张增洁　译

第1章 绪论：5G无线接入

信息和通信技术（Information and Communication Technologies，ICT）为社会上的几乎每个领域都带来了频繁的创新。不断增长的信息即时传输和处理能力给社会上的各个方面都带来了变化：网上购物、社交互动、专业网络、媒体分发、网上学习、即时信息访问、远程观看直播、音频和视频沟通、虚拟办公室和虚拟办公等。各行各业都受益于信息和通信技术的发展，它们带来了本行业流程和业务模式的改进。
第五代（5G）移动通信预计将极大地扩展移动网络的能力。5G系统在各种领域引入了新的技术和功能—无线接入、传输、云、应用以及管理系统。这些先进技术不仅针对传统的移动宽带用户，而且将新兴的机器类型用户纳入其中，这样可以为消费者和整个行业提供新的更优质的服务，从而释放出物联网（Internet of Things，IoT）、虚拟和增强现实应用的潜力。基于最新的针对10个不同的行业的调查报告显示，到2026年，由5G技术推动所带来的全球收入将达到1.3万亿美元（参照图1-1中各个行业的收入）。到2023年，预计将有35亿的蜂窝IoT连接。

任何移动通信系统的骨干都是它的无线接入技术，它将终端与无线基站连接起来。因为大多数社会和行业应用都在期盼5G革新能够满足它们的特定需求，这就为5G无线网络接入的设计带来了很大的挑战。5G无线接入技术需要提供极高的数据速率、无缝覆盖、超级可靠性、极低时延、高能效以及大规模异构连接。以人为中心的新兴应用包括增强现实、虚拟现实和在线游戏—这些都需要极高的吞吐量和低时延。大规模机器类型通信又分为两种：大规模IoT（massive IoT）和关键IoT（critical IoT）。大规模IoT的特性是大量低成本的终端连接：每个终端数据量小并且续航时间长，以及满足深入覆盖（比如地下或者偏远地区）。这种应用常见于智能建筑、公用事业、运输物流、农业和车队管理。关键IoT的特点是超可靠性和极低时延连接性，比如支持自动驾驶汽车、智能电网、机器人手术、交通安全和工业控制。
本书关注的是即将到来的5G无线接入技术并且侧重于物理层。本章概述5G无线接入技术以及全球发展的状况。我们从1.1节移动通信历史简述开始，1.2节介绍了5G无线接入技术。在1.3节，我们提供了一个5G无线接入的全景图—频谱分配、标准化、应用案例及其要求、外场试验以及未来的商用部署。1.4节提供了本书的预览。

1.1　移动通信的演进

1946年，美国联邦通信委员会（FCC）批准了第一个移动电话服务运营商AT&T（自1947年开始运营）。当时设备笨重，因为重量大、耗电极高，这些设备必须安装在车内。自此，经过30多年的技术演进，蜂窝通信技术从模拟转向了数字模式，从以语音业务为主演进到了高速数据通信。
自20世纪80年代中期开始，第一代（1G）蜂窝通信主要承载语音业务，主要模式有：在美国应用的先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）和在斯堪的纳维亚使用的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT）。这些模拟模式在20世纪90年代中后期被最初的数字通信系统（欧洲的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）和美国的数字AMPS）所取代，自此进入2G时代。此时，短消息服务（Short Message Service，SMS）被引入，成为蜂窝通信第一个广泛使用的非语音应用。到21世纪初出现了增强的2.5G：增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），引发了移动数据通信应用和早期蜂窝互联网连接。这是早期的尝试，而且需要特定的协议—无线应用协议（Wireless Application Protocol，WAP）支持。
从2G向3G演进是为了满足蜂窝接入数据速率日益增长的需求，基于宽带CDMA（WCDMA）的通用移动电信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）技术由第三代合作伙伴项目（third Generation Partnership Project，3GPP）于2000年左右推出。移动用户设备技术的发展，使得用户不仅可以使用多媒体信息服务（Multimedia Message Service，MMS）进行通信，而且可以享受视频流服务。当发展到4G时，引入了长期演进（Long Term Evolution，LTE），这不仅带来空口的重大改变，而且从码分复用转到正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）以及时分双工（Time Division Duplex，TDD）或者频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）。
进入4G时代后，早期主要有两种竞争技术。基于IEEE 802.16m的全球微波互联接入（Worldwide inter-operability for Microwave Access，WiMAX）以及作为LTE扩展的LTE Advanced。LTE-A引入了多种技术组件，比如载波聚合、对协作多点（Coordinated MultiPoint，CoMP）传输支持的改进，以及用于改善热点服务质量（Quality of Service，QoS）和提升小区边缘用户覆盖的异构网络（HetNet）部署。作为当今占主导地位的蜂窝接入技术，LTE-A成为过渡到5G移动通信的基础。从4G到5G过渡的灵感来自新的跨多个行业的以人为中心和以机器为中心的服务的启示。

1.2　5G新的无线接入技术

5G无线接入使网络社会成为可能，其中信息可以在任何时候任何地点被任何人任何物访问并且共享。5G应该能为任何可以受益于连接的事物提供无线连接。为建立真正的网络社会，有三个主要的挑战：

• 连接终端数量的大幅增长。
• 业务量的大幅增长。
• 具有不同需求和特性的广泛的应用场景。

为了应对这些挑战，5G无线接入不仅需要增加新的功能，还需要更多频谱和更宽的频段。
图1-2说明了现有（2G、3G、4G）和未来（5G）移动通信系统的工作频率范围。当前蜂窝系统工作在6 GHz以下。在毫米波频段（30～300 GHz）有大量的可用频谱，然而目前还没有在毫米波频率运行的商用移动通信系统。4G LTE仅设计为工作在低于6 GHz的频率下。有一些基于IEEE 802.11ad 和802.15.3c标准的局域网和（绝大部分）室内通信系统工作在60 GHz非授权频段。IEEE 802.11ay（IEEE 802.11ad的一个后续版本）正在制定中。3GPP目前正在制定一个新的无线接入全球标准—5G新空口（New Radio，NR），可以工作在从低于1 GHz直到100 GHz的频率范围内。5G NR必须释放出新的频率和新的功能以支持不断增长的以人为中心及以机器为中心的应用。

5G无线接入的愿景如图1-3所示。5G无线接入包括了5G NR和LTE演进。LTE正在持续演进以满足不断增长的5G需求。LTE向5G的演进被称为LTE Evolution[13]。LTE运行于低于6 GHz的频段，而NR的工作频段覆盖了从低于1 GHz到高达100 GHz的范围。5G NR经过优化，具有卓越的性能；它不再向后兼容LTE，这意味着传统的LTE终端将无法接入5G网络。但是，一个紧密集成的NR和LTE演进的系统将会提供NR和LTE业务的高效聚合。

1.3　5G NR全景视图

5G无线接入技术（从2016年开始被称为5G NR）的研究和概念发展大约开始于十年前，受新的鼓舞人心的应用和商业案例所激励。对5G研究的努力和投入让我们看到5G的测试床不仅出现在产业界，也出现在很多大学校园。和前几代蜂窝系统一样，5G NR也是基于全球的共同努力和协作—在全球或者地区层面讨论新的5G NR频谱划分，并且基于国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）定义的5G需求，3GPP制定了全球化的5G NR标准。为了全面了解5G NR的发展情况，接下来我们将讨论和介绍频谱分配和监管、标准化进程、主要用例及其要求、一些预商用试验和预期的商用部署。

1.3.1　5G标准化

NR 和LTE规范是由3GPP开发的。3GPP是由来自亚洲、欧洲和北美的7个地区和国家标准化组织（ARIB、ATIS、CCSA、ETSI、TSDSI、TTA和TTC）联合成立的。3GPP产生技术规范，然后由标准化组织转为标准。3GPP成立于1998年，最初目的是为第三代（3G）移动通信开发全球适用的规范。自此之后，3GPP的范畴不断扩大，目前包括发展和维护第2代（2G）GSM、第3代（3G）WCDMA/HSPA、第4代（4G）LTE和第5代（5G）NR/LTE Evolution的规范。
国际射频（Radio Frequency，RF）频谱由国际电信联盟无线通信部（ITU-R）管理。ITU-R还负责将技术规范（比如从3GPP）转换为国际标准，包括没有包含在3GPP标准化组织中的国家。ITU-R还为国际移动电信（International Mobile Telecommunications，IMT）系统定义频谱。IMT系统与3G往后的不同代的移动通信系统相对应。3G和4G技术分别包含在IMT-2000和IMT-Advanced推荐技术中。ITU-R新推荐给5G的是IMT-2020，计划在2019—2020年开发。
ITU-R自己不产生详细的技术规范，而是和各个地区的标准化组织合作制定满足IMT技术的要求。真正的技术是由其他组织（比如3GPP）开发的，并且提交给ITU-R作为IMT技术候选方案。该技术根据指定的要求进行评估，然后被批准为IMT技术方案。ITU-R为特定的IMT系统的无线接口技术规范推荐无线接口技术并且提供相应的详细规范，该规范由相应的标准化组织维护。IMT-2000无线接口候选规范包括六种不同的无线接口技术，而IMT-Advanced只包含两种。与前几代不同，对于5G，不期望提交存在竞争的技术作为IMT-2020的候选，而仅仅提交基于3GPP的技术。3GPP将LTE Evolution和NR一起提交给IMT-2020作为候选系统。
大约每隔十年，无线通信就会出现一代新技术。但是，各个系统还会继续自己的演进步伐，不断增加新的功能。3GPP规范被分为不同的版本（release），每一个版本包括完整的规范和该版增加的新功能。这意味着一个特定的版本包括了组建一个完整蜂窝网络需要的所有组件，而不仅仅是新增加的功能。当一个版本完成时，功能就会冻结并且正式发布用于实现。当一个版本被冻结后，只允许必要的修正。更多新功能提议只能进入下一个版本。不同版本的工作会有重叠，所以常常是在当前版本工作进行中，新版本的工作已经开始。版本必须向后兼容，这样基于某一个版本开发的用户设备（User Equipment，UE）就可以在基于前一个版本实现的小区中使用。LTE的第一个版本是属于3GPP release 8规范的一部分。LTE release 10又称为LTE-Advanced，因为它被ITU-R批准为IMT-Advanced技术。市场上将LTE release 13称为LTE-Advanced Pro。
3GPP的日常工作分为研究项目和工作项目。研究项目专注于概念的可行性研究，研究结果汇总于技术报告（Technical Report，TR）。研究项目结论达成一致后将在工作项目中做更详细的标准化工作，会定义特性并且最终写进技术规范（Technical Specification，TS）。3GPP的技术规范分成多个系列，编号遵循TS XX.YYY，其中XX定义了系列。NR的无线规范是38系列。所有3GPP发布的规范都在www.3gpp.org 公开发布。
3GPP组织层面包含三个技术规范组（Technical Specification Group，TSG），TSG无线接入网络（Radio Access Network，RAN）负责无线接入规范。TSG RAN又包括6个工作组（Working Group，WG），其中RAN WG1负责物理层技术规范。WG一年开四次TSG全体成员会议。3GPP基于成员共识做出决定。
图1-4给出了ITU和3GPP的时间表以及预期的5G商用设备开发计划。5G NR的标准化工作始于2016年4月的3GPP全会，目标是在2020年之前可以商用。3GPP采用分阶段的方法来制定5G规范。第一个标准化阶段是包含有限的NR功能的NR release 15，到2017年年底完成非独立组网（Non-Stand-Alone，NSA）的工作，到2018年中期完成独立组网（Stand-Alone，SA）的工作。第二个标准化阶段是NR release 16，预期将满足所有IMT-2020的要求并计划在2019年完成。

目前5G标准化进程正在加速，5G预商用试验也在全球展开。基于release 15规范，遵从3GPP的基站和终端已经在开发中。商用部署预期分为两个阶段。第一阶段NR商用部署预期在2019年，基于release 15规范。第二阶段NR商用部署将于2021年开始，基于release 16规范。可以预见的是，2020年之后3GPP还将继续NR规范的演进，产生包含更多功能和特性的一系列新版本的规范。

1.3.2　5G频谱

从前几代移动通信进入到5G的一个主要变化就是将使用很高频率的频谱—毫米波范围频谱。3GPP已经决定从第一个NR版本开始就支持从低于1 GHz到高达52.6 GHz范围的频谱[12]。这个变化最主要的原因是能得到大量的有几个GHz的超宽带频谱。虽然毫米波频谱看起来非常诱人，但是也面临众多挑战:

• 如果不使用多天线和波束赋形技术，传输损耗将大幅增加。
• 射频硬件性能下降，如相位噪声和输出功率。
• 没有未使用的频谱，意味着必须和其他系统（比如卫星系统）共存，必须确保将干扰水平控制在可接受的范围之内。

因此，5G NR在3GPP中被设计为可在全频带内灵活使用。低频段和高频段使用相结合来提供可靠的覆盖（利用比如低于6 GHz的频率），并且可以提供非常高的容量和比特率（当存在毫米波覆盖时）。
图1-5给出了5G的频谱概况。3 300～3 600 MHz频段是由ITU-R在世界无线电通信大会（World Radiocommunication Conference，WRC）-15指定的全球IMT频段。在WRC-19会议上通过了6 GHz以上频谱的全球规划。6 GHz以下有大量额外的地区性频谱。除了28 GHz和65 GHz之外，高于6 GHz的地区性频谱大部分和全球5G频段重合。很明显6 GHz以下的频谱比较紧缺，因此需要6 GHz以上的频谱资源来满足5G的需求。在5G的早期部署中，低于6 GHz的频段如600～700 MHz、3 300～4 200 MHz以及4 400～5 000 MHz都在考虑之列。除了3 300～3 600 MHz频段已经被WRC-15指定为全球IMT频段之外，其他频段将纳入地区性法规。

在欧洲，早期部署集中在3 600～3 800 MHz频段。美国、日本、韩国和中国都在3 300～4 200 MHz上选择了不同的频段来进行早期5G部署，3GPP也为这段频段开发了相应的规范。
目前主要由中国和日本提倡使用4 400～5 000 MHz这段频谱，这段频谱有潜在的可能会被亚太地区的其他国家使用。
尽管600～700 MHz频段带宽有限，但是因为传输损耗很低，不需要先进的多天线技术也可以提供很好的网络覆盖。在700 MHz频段已经有LTE的频谱规划，这些频段到2020年或之后可以迁移到5G。而且，美国已确定将614～698 MHz用于移动通信。
在IMT分配6 GHz以上频谱进程中，WRC-15会议决定对处于24.5～86 GHz范围内的11个频段进行研究，并且将在WRC-19会议上做出决定。ITU-R估计5G的频谱需求将达到20 GHz。目前的状况是大部分频谱已经被分配，这些频谱资源很难只供IMT使用，所以必须考虑共存。出于这个原因，在WRC-19会议之前关于频谱研究的很重要的一个方面就是评估哪些频段适合与现有系统共存，比如与卫星系统共存。
IMT和地球上其他系统间的干扰，在空中或者空间里，主要是远距离的。因此，研究主要是针对多个IMT发射机聚合的情况。在此种情况下，对天线在特定方向的指向性和增益进行平均化处理，等效为有效全向辐射。对于基站来说，辐射角度集中在下倾角方向。
为了更准确地确定IMT系统和其他系统之间的信号干扰，就需要合适的传播模型。ITU-R第三研究组提供了推荐模型。早期推荐的模型（详见P.619、P.2041、P.1409、P.452、P.2001 等）考虑了大气传播路径、地球传播路径和WRC-19考虑的全频段。但是在建模中缺失了两个重要的情况，没有考虑以下情况带来的额外的损耗：地物损耗（clutter loss）（植被和人造结构，比如建筑物）以及建筑物穿透损耗。2017年3月，ITU-R第三研究组引入了对额外损耗的考虑并且修正了模型[9-10]。城市地物损耗在低仰角时高达50 dB（中值）。高仰角的地物损耗很低，甚至低到0 dB，因为在空中没有建筑物阻挡信号。然而，在30 GHz频段，穿透到建筑物室内的损耗在40～60 dB（中值）之间。因为5G预计会在城市环境大规模集中部署，尤其是屋顶下以及室内，城市的地物损耗和建筑物穿透损耗极大地改善了IMT系统与现有系统共存的前景。
除了ITU进行的研究外，各个地区也在寻找更适合5G的频谱资源。美国、韩国、加拿大、日本、新加坡以及瑞典都在关注26.5～29.5 GHz频段。美国也在寻找37～40 GHz范围内可能的频谱资源，而加拿大在考虑更高频段，如64～71 GHz频段。欧洲和中国都指定了24.25～27.5 GHz内的频段。而且中国还在寻找37～42.5 GHz内的可用频谱，欧洲正在考虑31.8～33.4 GHz和40.5～43.5 GHz。图1-6总结了目前全球可用的5G频谱。

5G频谱分配除了考虑到大带宽的连续频段需求，关键还取决于射频硬件性能的频率依赖性、传播信道和多天线技术。我们将在第3章、第4章和第7章中对这些方面进行深入探讨。

1.3.3　5G用例

与前几代不同，5G的目的是为众多截然不同的业务和用户设备提供优化支持。根据国际电联关于2020年及以后的国际移动通信（IMT-2020）的定义[7]，5G将针对三种特性鲜明而且截然不同的用例：增强移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、大规模机器类型通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）和超可靠低时延通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）。我们接下来在图1-7中会对这三种用例类别的特性逐一进行描述。

eMBB

这种用例类别是基于目前移动电信标准的传统移动宽带连接场景的自然延伸。它针对以人为中心的连接，包括访问多媒体内容、服务和数据。这是通过提供高数据速率来完成的，用来支持未来的多媒体服务以及由此产生的不断增长的流量。eMBB用例涵盖了一系列场景，包括：

• 热点连接，特点是高用户密度和极高的数据速率以及低移动性。
• 广域覆盖，用户密度和数据速率比较低，但是移动性很高。

URLLC

这类用例的显著特性是对时延和可靠性有严格的要求，主要是针对机器类型通信（MTC）。设想的应用包括：工业制造和生产过程中的无线控制、远程医疗手术、无人驾驶和远程驾驶车辆，以及智能电网中的配电自动化。

mMTC

物联网（IoT）的发展正在导致承载MTC流量的无线连接终端数量的剧增。实际上，此类终端的数量预计将很快超过承载人类产生流量的终端数量。mMTC的重点是提供大量终端的连接，并假设这些终端偶尔传输少量流量且对时延不敏感。预计mMTC终端的续航时间非常长，可以用来远程部署。这个用例的一个独特之处是MTC终端在能力、成本、能耗和发射功率方面的巨大差异。
图1-8给出了一些5G应用的图形化总结及其与IMT-2020应用场景的关系。

ITU定义了IMT-2020的关键性能要求，以便能够令人满意地解决eMBB、URLLC和mMTC业务的特定需求。图1-9中总结了这些要求，并且与上一代移动系统—IMT Advanced的关键能力进行了对比。这些要求包括20 Gbit/s的数据峰值速率、低于1 ms的时延以及能够支持每平方公里106个终端的连接密度的能力。在表1-1～1-2的示例中，NR的设计目的是满足（在某些情况下有很大余量）所有这些需求。

1.3.4　5G外场试验

下面我们会简要介绍全球最令人激动的5G试验，这些试验表明5G有潜力带来新的和令人激动的机会。图1-10展示了从这些试验中获取的一些图片。

5G在无人机领域的应用：爱立信和中国移动于2016年在商用网络中应用5G技术在蜂窝网络成功完成世界上第一个5G无人机试验。一架无人机（无人驾驶飞行器）在多个站点上空飞行切换。为了在真实环境中验证概念的有效性，进行切换的站点都同时服务于商用移动电话用户。无人机应用的领域越来越多，例如农业、公共安全、搜索和救援、库存管理，以及货物交付等领域。
5G连接为高速汽车服务：爱立信和威瑞森（Verizon）于2017年在移动中的汽车内共同测试了5G的极限数据速率，可以达到高于6 Gbps的吞吐量和超低时延。司机戴着一副虚拟现实眼镜，仅仅通过从汽车发动机盖上的摄像机拍摄的视频来操控汽车。该试验完美展示了如何通过多天线技术用波束跟踪高速汽车。这表明5G具有支持360度4K视频流的能力，并且时延极低，即使在高速移动的情况下也是如此。这使我们有可能通过虚拟现实观看现场体育赛事。
爱立信、SK电信和宝马集团也在韩国永宗岛的一处赛道上进行了类似的试验。测试网络由爱立信提供的四个无线传输节点组成，工作在28 GHz频段，测试场是在韩国的宝马集团驾驶中心。在此设置下，测试结果实现了170 km/h的行驶速度，下行数据速率达到3.6 Gbps。这主要是依赖于先进的波束赋形和波束跟踪，使得基站能够跟随UE来发送信号。
5G连接船舶和港口：Tallink、Telia、爱立信和英特尔在爱沙尼亚塔林港区创建了5G测试和探索试验区。爱立信在塔林港口设立了一个5G基站，英特尔将设备放置在渡轮内以接收信号。从2017年以来，5G试验网络面向于商用游轮及港口区域内乘客推出高速互联网连接服务。
5G在全球范围内提供几十Gbps的数据速率：在2016年，爱立信和韩国电信（KT）演示了全球第一个5G，达到25.3 Gbps的吞吐量。试验是在5G移动通信的毫米波频段完成的。（KT的目标是为2018平昌冬季奥林匹克运动会提供5G试验服务。）在同一年（2016），爱立信和Telstra一起开展了澳大利亚第一个5G现场试验，达到超过20 Gbps的速率和相对于Telstra的4G网络一半的时延。这个试验是基于800 MHz的频谱，获得了相对于Telstra 4G现网10倍的速率！
爱立信和Mobile Telesystems（MTS）在莫斯科搭建了一个5G原型网络，使用了具有先进天线系统的5G基站，在2017年成功达到25 Gbps的速率。
2018年1月，Mobile Telephony Network Group（MTN）和爱立信开展了非洲第一个5G试验并且达到高于20 Gbps的吞吐量和小于5 ms的时延。这是至今为止在非洲移动通信网络中获得的最好性能。5G试验是以爱立信的5G原型基站为基础的。
5G使得远程驾驶成为现实：Telefonica、爱立信和瑞典皇家理工学院（KTH），以及Applus Idiada联合开发和展示了一个革命性的演示案例：他们在2017年全球移动大会上展示了世界上第一次基于5G的远程驾驶，遥控一辆汽车在Applus Idiada赛道上疾驰。5G基站在15 GHz频率为汽车提供连接。司机在远程通过上行4K视频流得到如同在汽车内的驾驶体验。在下行链路中，5G连接提供了超低时延和高可靠性，用来保证驾驶指令的传达。另外一个远程驾驶相关的应用就是远程停车，这样驾驶员就可以将车停在落客区并且借助远程司机的帮助来保证安全和有效的停车。

1.3.5　5G商用部署

5G NR网络部署应该从一个已经具有良好覆盖的4G LTE现有网络开始 [5]。如图1-3所示，NR可以与LTE网络共存和互通，这样可以减少NR的上市时间。5G NR网络的商用部署预计分成两个阶段：

1. 第一个阶段是非独立组网（NSA）模式，5G NR和LTE网络紧密互连，如图1-3所示。这种模式下，LTE作为NR控制平面的锚点，使用LTE或者NR承载用户业务（用户平面）。第一个5G规范（3GPP Release 15，NSA）于2017年年底发布。完全满足标准的无线系统预计到2018年年底出现。我们预计5G NR从2019年开始部署。
2. 第二个阶段是独立组网（SA）模式，5G NR承载控制平面和用户平面。支持SA模式的5G规范在2018年年中发布。SA模式的商用部署预期在2020年之后。
   NR需要和LTE网络共存和互连，这种情况需要持续数年，不只是为了加速上市，也是为了保证良好的覆盖和移动性。5G NR部署后，新的用例将会出现，并且5G终端也将上市。我们预计随着终端的大量涌现，独立组网的NR将开始部署，新的用例（比如超可靠和低时延通信、工业IoT）开始崭露头角，而NR可以更好地使用新的和现有的频谱。最终，5G NR将成为主流的蜂窝技术来应对多个工业领域的多种用例。5G NR部署的演进路线参见图1-11。

考虑到LTE运行于6 GHz以下频段（即低中频段），而NR可以在高达100 GHz频段（分为低、中、高频段）工作，5G部署场景分为三种[5]：

1. NR在中/低频段和LTE在中/低频段非独立组网：在这种部署场景下，NR和LTE的每个基站有相近的覆盖，因为它们部署在相近的频率。因为5G NR频谱可以带来更高容量和吞吐量，所以部署针对用户密度高的区域，比如典型的都市和城市地区。
2. NR在高频段非独立组网同时LTE在中/低频段：在此种部署场景下，因为高频的传输损耗更高，NR每个基站的覆盖范围会小于LTE的覆盖范围。这种部署主要是为了更高的容量和极高的小区吞吐量，因为在毫米波频段可以使用更宽的信道带宽。除了eMBB之外，固定无线接入也是此种部署类别的一个新兴用例。
3. NR在中/低/高频段的独立组网：NR独立组网将会在所有频段可用的频谱上进行部署。除了eMBB之外，NR独立组网部署也很有可能用于专有网络或者企业网络以支持工业应用（比如制造业）。虽然NR SA部署的运行不依赖LTE，但很多NR SA部署也可能倾向于重用现有的4G LTE的物理基础设施和传输网络，以减少部署的成本。NR NSA在中/低频段更适合大规模IoT应用。5G NR部署在低频段主要是为了增强覆盖。部署在高频段主要是用于满足高业务量区域和专有（工业）IoT网络。

尽管部署具有成本效益且性能良好的5G NR网络对5G的成功至关重要，然而具有支持NR能力的终端以及市场认可才是最终决定5G NR网络连接增长的驱动因素。图1-12展示了具有NR能力的终端的大致时间表。早期支持高频段的固定无线接入终端已经在某些地区（如美国）推出。第一个符合3GPP标准的5G智能手机和平板电脑很可能在2019年推出。新的具有NR能力的IoT终端将于2020年或之后推出。对许多IoT用例，具有NR能力的终端成本将会大幅度下降到远低于eMBB终端以利于大规模使用。然而，对于一些需要高可靠性和极低时延连接的关键IoT应用，终端成本不会成为阻碍。

美国将是率先体验5G商用服务的国家之一。美国的主要运营商已经宣布它们将于2018年年底到2019年中期开始提供5G服务。韩国、日本和中国也在早期5G服务供应商之列，并将有大量的5G用户。爱立信预计到2023年年末，将会有超过10亿的5G移动宽带用户，占全部移动用户的12%。

1.4　本书预览

本书是针对有兴趣了解5G NR物理层原理、模型和技术组件的移动无线通信领域的研究人员以及系统设计人员编写的。尽管重点是5G NR，本书介绍的很多概念也是通信的基础理论且同样适用于5G之外的内容。我们假定读者已经基本了解了数字无线通信和信号处理的基础理论，但不必熟悉蜂窝技术（比如4G LTE标准）。我们还将介绍与标准相关的概念以及术语。
本书的预览如图1-13所示，突出了各章涵盖的关键内容。本书包括9章，涵盖了5G NR的各个方面—发展的全景视图，基于3GPP的第一个5G NR版本的物理层概述、无线电波传播和硬件损伤所造成的物理限制、关键的物理层技术和开源的链路级仿真器。接下来我们将简要概述每章的内容。
第1章介绍5G NR并且讨论全球在发展5G NR方面的努力及其未来对工业和社会的影响。我们提供了一个有关5G的整体视图：用例及其要求、频谱分配、标准化、外场试验和未来的商用部署。
第2章概述基于第一个3GPP NR版本的5G NR物理层。我们将看到NR的物理层组件是灵活的、极简的和向前兼容的。此外，我们还提供对无线电波传播和硬件损伤相关挑战的概述，这将促进高性能NR的采用。

第3章介绍有关无线电波传播的最新见解以及无线电波的基本概念和传播特性。我们专注于频率相关的信道特性，涵盖5G NR所设想的全频带，并提供试验案例。我们还会讨论5G NR的信道建模，并且指出由3GPP和ITU-R定义的当前5G信道模型中经过验证的和未经验证（或不足）的方面。
第4章介绍功率放大器、本机振荡器和数据转换器的一些传统的行为模型。这些模型可以准确地预测模拟和混合信号组件之间的输入-输出关系。此外，还提出一种新颖的建模方法，提供非理想器件造成错误的二阶统计。这个随机建模框架为链路级评估提供了强大的手段，并有助于在无线性能与能效的折中选择中做出合理选择。
第5章介绍最先进的多载波波形。根据NR的设计要求，该章提供整体波形对比，使得5G NR选择CP-OFDM。多载波波形的对比涉及一系列关键性能指标：相位噪声的鲁棒性、基带复杂度、频率局部化、时间局部化，对功率放大器非线性、信道时间选择性以及信道频率选择性的鲁棒性。
第6章介绍一种适用于5G NR的灵活OFDM。讨论基于OFDM的NR调制解调器实现过程中涉及的各种因素，例如，服务质量要求、部署类型、载波频率、用户移动性、硬件损伤和实现方面。该章特别关注较高载波频率（例如，毫米波频段），其中对硬件损伤（相位噪声、同步误差）的鲁棒性和波形的功率效率至关重要。
第7章讨论多天线技术在5G NR中的作用以及NR规范的第一个版本中所包含的功能。为了让大家更好地理解和推动NR所采用的各个功能，还将介绍这些功能背后的基本原理。为论证多天线技术的可行性，本书会提供多个试验案例。
第8章介绍5G NR的不同信道编码机制。针对不同码块长度评估编码机制的性能。我们将回顾最新开发的信息论工具来衡量这些编码机制的性能。超前于当前的NR标准化工作，我们考虑在多天线衰落信道进行的传输，并强调在需要高可靠性的应用中通过使用空频编码来利用频率和空间分集的重要性。
第9章介绍一个开源仿真器，其中包括硬件损伤模型（功率放大器、振荡器相位噪声）、基于地理几何的随机信道模型和最先进的波形调制/解调模块。该章针对受不同类型损伤影响的各种波形提供了仿真练习。

参考文献