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5G是第五代移动通信标准，由国际电信联盟组织（ITU）制订，5G的正式名称为IMT-2020。5G的愿景是实现万物互联，不再像之前的几代移动通信标准在速率上做提升。
5G综合考虑了峰值速率，用户体验速率，频谱效率，移动性，时延，连接密度，网络能效，话务密度等技术指标。从下面的雷达图上可以看出，5G需要支持20Gbit/s的峰值数据速率，用户可以体验到的带宽达100Mbit/s，端到端的连接达到1ms的时延，10Gbps的小区吞吐量，每平方公里100万连接密度，支持500km/h的高移动性服务等。
5G NR的三大应用场景
5G考虑到这么多性能指标，并不只是为了满足个人业务的发展，因此，也为其划分了三大应用场景:
- 增强移动带宽（eMBB）
- 海量连接（mMTC）
- 高可靠低时延（uRLLC）
增强型移动带宽:这种应用场景下有高的数据流量需求，比如AR增强现实、VR 虚拟现实，还有4K、8K超高清的视频，这些应用目前受流量限制，因此，还不能有很好的用户体验。
海量连接: 这种应用场景下有大量设备的连接需求，不再是现在的手机终端的连接，而是面向更多其他设备的连接，实现人与物的连接，物与物的连接，也就是物联网。比如，智慧城市，智能建筑等。
高可靠低时延:这种应用场景主要体现在一些对时延要求低的特殊行业，比如，自动驾驶，工业控制，远程医疗等。
5G NR的频谱分布
任何无线通信业务传输都离不开无线频谱，它是信息传输的载体，就像是我们周围的道路，要实现之前所述的三大应用场景，就需要比以往更多的频谱资源，然而频谱资源确是有限的，在5G当中分配了两个区域的频谱资源FR1和FR2。(FR: Frequency Range)
FR1: 是5G的主要频段，因为这个频段低于6GHz，称为Sub6G。频率范围从450MHz到6000MHz，频率低，穿透能力强，覆盖效果更好，这个频段是无线通信的黄金频段。
目前中国在建的5G也是在这个频段里，各大运营商的主要频段分布具体可参考下图，包括广电在内现在也在涉足5G，其拥有700MHz的频谱资源，可谓是黄金中的黄金频谱。
频段划分
联通电信所使用的是目前全球很多国家的5G广泛采用的n78 3.5GHz频段，其产业链条较为成熟，因此，电信联通可以使用相对较低的成本去部署5G网络。而移动使用的n41频段和n79频段不管从芯片或者设备上来说都不如n78成熟，需要花费大量的精力去推动这个频段的产业链的发展。
FR2: 是5G的扩展频段，因为这个频段的频率高可达到28GHz，波长达到毫米级别，称为毫米波。其频率范围从24250MHz到52600MHz，这个频段频谱丰富，可实现超大带宽，频谱也较为干净，干扰小。
5G NR频谱分布
"NSA"和"SA"真假5G?
5G的部署是个渐进的过程，建设进度上不会那么的快完成，同时也为了利用现有4G普及的优势，不仅可以节省成本还能快速部署，因此在5G的组网方式上有两种: 非独立组网（NSA）和独立组网（SA）。
NSA（Non-Standalone）:是用现有的4G网络，进行改造、升级和增加一些5G设备，4G核心网/5G核心网+4G基站+5G基站的组合模式。对于NSA来说可有下图这几种组网组合模式，包括3系，4系和7系。
SA（Standalone）: 是一套全新的5G网络，包括全新的核心网和基站设备，引入了全新网元与接口，并大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术。目前其主要有以下两种组合模式，包括2系和5系。
NSA和SA两组组网方式，也使得5G网络有更丰富的网络构架。
总体上来说，非独立组网比独立组网更加快速并且更节省部署成本，能为运营商更快的抢占市场。但是非独立组网要比独立组网复杂得多，在NSA组网下，5G与4G在接入网级互通，组网复杂度大大增加，在NR-NR，NR-LTE切换时延上也会高于SA这种独立组网，这也将使5G的应用将会有一定的限制。
但是NSA也并不是我们平时所说的假5G，不过，最终还是向SA组网方式发展，我们也将会感受到这个渐变的过程中给我们的生活所带来的变化。
5G帧结构
5G NR与LTE相同，无线帧和子帧的长度固定，帧（Frame）的时间仍然是10ms; 每帧从0~9有10个子帧（Subframe），每个子帧时间为1ms; 每帧有两个半帧，0~4为1个半帧，5~9为1个半帧。但是，同时又为了能够使得5G满足更多的应用场景，5G NR定义了更加灵活的其子构架，即时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。
从子载波间隔上看，LTE只支持15KHz一种子载波间隔，5G NR支持多种子载波间隔，有15KHz ，30KHz，60KHz，120KHz，240KHz，可参考下图所示。
另外，1个RB由12个子载波间隔组成。不同子载波间隔，支持RB数量如下表:
RB
5G NR的中不同的子载波间隔，其对应子帧的时隙（slot）长度也不同。随着子载波间隔变大，时隙长度变小。
在LTE中，上下行的配置是以时隙也就是子帧为单位，包含上行子帧，下行子帧和特殊子帧，特殊子帧包含上下行转换点，转换周期是5ms或10ms。在5G NR中，上下行配置是以符号为粒度，配置更加灵活。
在正常CP的情况下，每个时隙（slot）却有相同的OFDM符号（symbol）数，都为14个。每个时隙可以为下行符号D，上行符号U和灵活符号X这三种符号。以15kHz为例，OFDM符号长度为66.67微秒，14个OFDM符号总共14*66.67=0.93338ms，1个时隙长1ms，所以剩下的时间就是CP的时间。
在扩展CP情况下，每个slot的symbol数是12个。
对于5G NR帧结构而言，还有以下几点:
- 相位噪声和多普勒频移决定了15kHz作为下限，过小的子载波间隔会对频偏过于敏感，会对不同子载波之间的正交性有一定影响。
- 在5种不同的子载波间隔中，60kHz不用于同步，240kHz不用于数据传输。60KHz有正常CP和扩展CP两种配置。
- 对于6GHz以下频段，采用15k、30k、60kHz子载波间隔配置。
- 对于6GHz以下频段，采用120k、240kHz子载波间隔配置。
- 循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值，因为子载波间隔越大，OFDM符号时长越短，CP也就越短，CP的作用之一是抵抗多径时延，CP要大于最大多径时延，所以过短的CP会无法克服多径时延。
- 不同的子载波间隔支持物理信道的能力不同。谈谈5G帧结构
- 5G NR定义了许多不同的时隙格式，后续章节再进一步展开
5G调制方式
调制是将信源产生的信号转换为适应于无线传输的形式的过程，是无线通信业务的一个重要流程。
在无线通信中，信号是以电磁波的形式发送到接收端，那么电磁波是如何传递信息的呢？
电磁波可以用正弦波来描述，一个正弦波有3大特征，幅度，相位，频率。可以利用电磁波的这3大特征来传递信息。
正弦波
所以这里的调制就是用基带信号去控制载波信号的幅度，频率，相位这几个参量的变化，将信息荷载在到载波上形成已调信号。因此，在数字信号调制中有三种最基本的调制方式:
调制方式
对于其他各种调制方法其实都是以上方法的改进或组合，例如:
- 正交振幅调制QAM就是一种幅度、相位联合调制的技术，同时使用载波的幅度和相位来传递信息比特，将一个比特映射为具有实部和虚部的矢量，然后调制到时域上正交的两个载波上，然后进行传输。每次在载波上利用幅度和相位表示的比特位越多，则其传输的效率越高。通常有4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等。
- MSK是FSK的改进，GMSK又是MSK的一种改进，是在MSK（最小频移键控）调制器之前插入了高斯低通预调制滤波器，从而可以提高频谱利用率和通信质量；
- OFDM是采用正交频分复用技术对多载波的一种调制方法， 将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
我们知道在GSM采用GSMK信号调制技术；3G、4G系统采用QAM、QPSK调制技术；那么5G采用什么调制技术，较之前的调制技术有哪些变化？
3G：QPSK、16 QAM
4G LTE：QPSK、16 QAM、64 QAM
5GNR：π/2-BPSK、QPSK、16 QAM、64 QAM、256 QAM
从图上可以看出，5G支持的调制更加丰富，主要有载波的相位变化，幅度不变化π/2-BPSK和QPSK的PSK调制方式，还有载波的相位和幅度都变化的16QAM, 64QAM和256QAM等QAM调制方式。
不过问题来了，有这么多种调制方式，我们怎么用图形直观的表示它们呢？其实，我们有个星座图这个图形工具可以用。
星座图中的点，可以指示调制信号的幅度和相位的可能状态，尤其当我们使用两个载波(一个同相，而另一个正交)时。对于多电平ASK,PSK或QAM时，星座图很有用。
星座图
如上图所示，在星座图中，水平X轴与同相载波相关，垂直Y轴与正交载波相关。图中每个点，可以包含4条信息。点在X轴的投影定义了同相成分的峰值振幅，点在Y轴的投影定义了正交成分的峰值振幅。点到原点的连线(向量)长度是该信号元素的峰值振幅(X成分和Y成分的组合)，连线和X轴之间的角度是信号元素的相位。所有需要的信息都可以从星座图中得到。
下面是几种调制方式的星座图：
5G 波束赋形
波束赋形（Beamforming）又叫波束成型、空域滤波，是一种阵列定向发送和接收信号的信号处理技术，它既可以用于信号发射端，又可以用于信号接收端。波束赋形技术通过调整相位阵列的基本单元的参数，使得某些角度的信号获得相长干涉，而另一些角度的信号获得相消干涉，从而产生波束。其原理就是利用波的干涉，我们曾经物理中也学过波的干涉，当波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，则能量相加，波峰更高，波谷更深; 当波峰和波谷相遇，两者则相互抵消。
基站发出的电磁波同样也是波，通过干涉之后也会是类似的现象。
因此对于基站来说，如果天线的信号全向发射的话，基站周围的手机只能收到有限的信号，大部分能量都会浪费掉。而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束，专门指向各个手机发射的话，承载信号的电磁能量就能传播地更远，而且手机收到的信号也就会更强。5G频段更高，尤其是毫米波频段，覆盖范围更小，为了增强5G覆盖，波束赋形应运而生。
为了获得更加集中的信号，两个天线对往往是不够的，天线个数越多，电磁波传播方向越集中，实现电磁波单方向传播，在5G中我们通常会使用多天线矩阵。
关于多天线矩阵就要谈到外一个概念Massive MIMO（大规模天线技术），是第五代移动通信（5G）中提高系统容量和频谱利用率的关键技术。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出，研究发现，当小区的基站天线数目趋于无穷大时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。尤其是毫米波频段，载波频率的提高显著加大了无线信号的传播损耗，减少了天线的覆盖面积，也大大减小了天线单元的物理尺寸，使得在相同的物理空间里能够安装更多的天线单元，从而可以使用天线阵列、波束赋形等技术加大无线信号的覆盖范围，补偿路径损耗。
波束赋形可分为两种: 数字式波束赋形和模拟式波束赋形。
数字式波束赋形vs模拟式波束赋形
数字式波束赋形由于处理的是数字信号，因为传播的电磁波是是模拟信号。所以对于下行链路其工作在DAC之前和上行链路工作在ADC之后，调整数字信号的幅度和相位权值，从而可以明确区分不同的波形，因此可以支持多通道多用户的不同传输模式，可以并行获得很多路不同的输出信号，同时测量来自不同方向的信号。但是因此每条RF链路都需要一套独立的DAC、ADC、混频器、滤波器和功放器等。
模拟式波束赋形处理的是模拟信号，它是在发射端DAC之后完成波束赋形的信号处理，接收端ADC之前完成波束赋形。
如果5G NR的天线数量进一步增加，使用数字式波束赋形，那么每个天线单元上都必须有一个DAC或者ADC。如果有100个天线单元，那么就要有100个DAC或者ADC；这就让天线变得非常臃肿复杂，功耗也大大增加。如果使用模拟式波束赋形，由于多路信号其实是对一个输入信号的相位或者振幅调整，只需要在波束赋形处理矩阵之前有1个DAC或者ADC即可，因此硬件设计非常的简单。
5G新接口协议
在2G和3G早期基站的架构，处理射频信号的RRU和处理数字基带信号的BBU都放在室内。因为天线是挂在塔上，由于铁塔一般情况下有个几十米到100米高，所以馈线也得几十到100米长。然而信号的传送是有损耗的，馈线越长损耗越大，从基站到天线信号还没发出去就已经损耗掉了一多半。因此塔下的基站必须加大功率发射才能弥补这个损耗。这种架构最显著的特点就是复杂，功耗大。
在3G时代便诞生了一种新的构架，就是分布式站点，在4G时代分布式站点的普及才使得问题有了彻底的改观。BBU小巧精致功耗低，而RRU体积庞大功耗高，把功耗高的RRU也挂在塔上和天线放一起，这样就不用很长的馈线连接了，损耗小了功耗自然也就降下来了，自然散热就可以。这就是新的分布式站点架构。
由于RRU和BBU分开离的很远，连接和数据传递也会出现一定的问题。在2003年，由爱立信，诺西，阿朗，NEC，还有华为这几个厂家发起，定义了通用公共无线电接口（CPRI）的协议，CPRI对其它组织和厂家开放。
CPRI是一种标准化协议，定义了无线基础设施基站的射频设备控制（REC）和射频设备（RE）之间的数字接口。这实现了不同供应商设备的互操作性，保护了无线服务提供商的软件投入。
CPRI接口
CPRI协议在BBU和RRU之间传输的物理层数据，不但包含了承载的数据，还含有大量物理层信息，并使这些信息分到了各个天线之上，数据量非常巨大。
在CPRI协议中定义了9中选项，最大速率可以达到12Gbps。
但是来到5G时代，新的应用场景需要，出现了Massive MIMO AAU，载波带宽大幅度增加，对CPRI提出了更高的要求。如下100M 64天线的就需要速率高达172.8Gbps，这还只是Sub6G频段。
对于毫米波段则有着更大的带宽，这势必要需要对CPRI进行升级，这就是eCPRI。在通信协议栈上传输的数据会层层加码，越到物理层数据量越大，那就如下图所示，把在BBU上处理的数据上移一层（High Phy往上的BBU处理），下面的交给RRU去处理（Low Phy往下的RRU处理），这样BBU和RRU之间的数据量就少了，能大幅降低前传带宽，但是RRU的复杂度也会提高。
ECPRI接口
按照前面所说的100M载波带宽加64天线为例，采用CPRI协议需要172.8Gbps的光口速率，而如果是eCPRI的话，仅需要24.3Gbps的光口速率，带宽也仅为原先的14%。
在未来的5G发展进程中，eCPRI将会是主流，让我们期待更多的应用的出现。
5G如何建立连接？
UE为了与网络取得连接，需要使UE和网络取得上下行同步，当UE解码出SSB，就已经取得了下行同步，为了建立上行同步和RRC连接，需要UE发起随机接入，获得上行授权（UL Grant），请求接入资源。这个过程我们叫做随机接入，随机接入是移动通信系统中非常重要的流程，也叫做RACH（Random Access Channel）。在5G NR中和LTE一样同样有两种接入方式:
- 基于竞争的随机接入（Contention Based Random Access）
- 基于竞争的随机接入（Contention Free Random Access）
这里的“竞争”是什么意思呢？UE会以特定的模式发送PRACH Preamble，UE会随机选择其中的一个前导码，当有多个UE的时候就会有可能出现多个UE选择相同的前导码，多个UE发送相同的前导码同时到达基站的情况。这种冲突就是这里的所指的“竞争”。gNodeB使用竞争解决机制来处理这种类型的接入请求。
竞争随机接入主要有四个流程，包括:
- Random Access Preamble（MSG1）
- Random Access Response（MSG2）
- Scheduled Transmission（MSG3）
- Contention Resolution（MSG4）
CBRA：基于竞争的随机接入
步骤一：随机接入前导码传输（MSG1）
- UE向基站发送前导码
步骤二：随机接入响应（MSG2）
- 基站在收到前导码后，为TC-RNTI、上行链路和下行链路调度资源；然后，通过PDSCH发送随机接入响应。
步骤三：调度上行传输（MSG3）
- UE通过PUSCH发送上行链路调度信息。
步骤四：竞争解决（MSG4）
- 基站使用PDCCH上的C-RNTI或PDSCH上的UE竞争解决标识IE来帮助UE解决竞争的问题。
但是在某些情况下，竞争是不可接受的，基站会给UE分配前导码，这样就避免了竞争。这就是非竞争随机接入。在基于非竞争的随机接入中，基站分配的前导码又称为专用随机接入前导码。专用前导码通过RRC信令（可以在RRC消息中指定分配前导码）或PHY层信令（PDCCH上的DCI）提供给UE，不存在前导码冲突。当专用资源不足时，基站指示UE启动基于竞争的随机接入。
非竞争随机接入包括下面三个步骤：
- Random Access Preamble Assignment
- Random Access Preamble（MSG1）
- Random Access Response（MSG2）
步骤一：随机接入前导码分配
- 基站向UE分配随机接入前导码。
步骤二：随机接入前导码传输（MSG1）
步骤三：随机接入响应（MSG2）
- 基站发送随机接入响应。
随机接入会应用到多个场景中，尤其是切换过程，RRC连接重建等流程中，下面是随机接入的一些应用场景：
- 初始RRC连接和RRC连接重建：基于竞争的随机接入；
- 切换过程：优先选择基于非竞争的随机接入。如果所有专用资源都已经使用，可以选择基于竞争随机接入；
- 下行数据到达：优先选择基于非竞争的随机接入。如果所有专用资源都已经使用，可以选择基于竞争随机接入；
- 上行数据到达：基于竞争的随机接入；
- 当没有SR的PUCCH资源可用时，RRC连接期间的上行数据到达：基于竞争的随机接入；
- 调度请求失败：基于竞争的随机接入；
- 从RRC-Inactive到RRC-Connected：优先选择基于非竞争的随机接入，如果专用资源都已经使用，则选择基于竞争的随机接入；
- 请求其他SI：基于非竞争的随机接入；
- 波束失败恢复：优先选择基于非竞争的随机接入，如果专用资源都已经使用，则选择基于竞争的随机接入。
5G网络切片
什么是网络切片？它是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种各样类型的应用。在一个网络切片中，至少可分为无线网子切片、承载网子切片和核心网子切片三部分。
我们知道5G主要有三大应用场景，其服务是多种多样的，比如，车联网，工业自动化，远程医疗，VR/AR等，这些不同的服务对网络的要求不尽相同，有的需要低时延高可靠，有的需要高速率，有的需要多连接低移动性。5G网络为了满足这种多样化的业务需求，就需要能够将网络划分多个逻辑独立的虚拟网络，每个网络具备不同的功能特点。可以灵活的不同的服务，灵活部署不同的服务，这些虚拟网络相互隔离，一旦发生故障不会影响其他虚拟网络。因此，网络切片就需要有以下特性：
- 端到端的完整性
- 按需定制的灵活性
- 安全性隔离性
在5G的三大应用场景中就是需要根据各自网络对用户数，QoS，带宽等的不同要求，定义自己的通信服务切片。
当然，网络切片不仅仅限于这三大应用场景，运营商可以根据不同的应用场景将物理网络切出多个虚拟网络，这有着很大的网络价值。
下载ECAD模型
