5G在更寬泛的語境中，常常用來意指未來移動通信能夠支持的、可預見的應用服務。2017標準化組織3GPP推出第一版5G技術規范NR。NR主要滿足了5G哪些應用服務，又是如何實現的呢？

NR增強了以人為中心的通信

以人為中心的通信，通俗來說就是我們通過智能手機每天使用的各種服務。NR會讓大家手機上網的速度越來越快。

雖然4G已帶來了很好的上網體驗，但是隨著移動業務的不斷拓展，以及提速降費的大背景，單個用戶產生的流量不斷增加，單純通過4G網絡擴容來滿足需求已經越來越困難了。同時由于手機是移動的，必然帶來兩方面的挑戰：

·熱點覆蓋：部分區域，熱點時間會出現手機扎堆上網，導致網絡擁塞，用戶體驗急劇下降。

·廣域覆蓋：人們希望能夠在更多的場景獲得移動寬帶業務，比如常常沒有覆蓋的地下室、荒野、海上。

為此，新空口NR著力于如何擴大網絡容量、覆蓋，同時降低每bit傳輸的成本：

NR大幅拓展了頻譜范圍。LTE只支持3GHz以下的頻段，NR擴展到6GHz以下，以及毫米波24.25-52. 6GHz。頻譜資源是一切無線通信的基石，越大的頻率范圍則意味著運營商更有可能找到可用的頻率資源來部署NR。不同的頻譜范圍意味著不同的時延拓展、多普勒頻移、相位噪聲特性，為此NR在定義OFDM信號參數時，引入了多組參數（參數集），靈活支持不同的頻譜范圍。此外頻率資源豐富的中高頻(特別是毫米波)信號在傳播過程中會遭受嚴重的衰減，限制了網絡覆蓋范圍。為此NR進一步引入先進的多天線發射和接收技術，增加覆蓋。同時通過上下行解耦，低頻和高頻聯合工作，充分融合低頻覆蓋好、高頻容量大的優勢。

NR充分利用多天線技術特別是大規模天線（Massive MIMO）技術?？梢哉fNR是以多天線技術為中心進行的設計。通過多天線技術，NR不但提高了覆蓋，而且提升了網絡容量：

·覆蓋的增強主要是通過波束賦形技術。為了更好的支持波束賦形，NR讓每個控制信道有其自己的專屬的參考信號；同時支持波束掃描，允許相同的信號從不同發射波束中重復發射，保證了任何信號可以通過高增益、窄波束的傳輸達到整個預期的覆蓋區域。

·容量的提升主要是通過多天線空間復用技術。簡單的說就是可以使用相同的時間頻率資源同時傳輸多路數據。LTE已經支持了空間復用，NR在LTE的基礎上進一步改進，增強了上行、下行信道探測，解調參考信號等的設計，能夠最大程度上發揮空間復用技術的潛力。

相對于傳統天線，大規模天線的問題就是體積、重量、成本大，功耗高。這些問題有一方面賴于產業水平和硬件集成度的提高，另一方面NR也從標準層面支持各種解決手段。比如公共信道的設計，充分考慮各種多天線硬件實現方案的局限，使得NR不但可以使用數字大規模天線，也可以使用模擬甚至數?；旌系拇笠幠Ｌ炀€技術來降低成本、功耗。再比如引入極簡設計，最大限度地減少常開信號的傳輸，從而降低網絡能耗。

NR支持非常靈活的調度。無線通信的一個關鍵特征是多變性，不僅是用戶密度、流量需求的多變，還體現在瞬時信道條件的大幅快速變化。為了適應各種多變性，NR支持非常靈活的調度：

·信道相關的調度，充分考慮信道質量的瞬時變化。

·用戶間調度，支持用戶間動態共享無線資源, 充分考慮了流量優先級和QoS要求。

·NR的調度可以支持動態TDD，可由調度器動態配置一個時隙或者部分時隙為上行或下行。通過這種動態配置，系統可以快速適應上下行業務需求的變化。 

NR支持高速的數據傳輸。為了支持非常高的數據速率，NR引入了一些新的技術。比如數據信道編碼采用LDPC碼。相較于LTE中使用Turbo碼，在較高碼率時LDPC碼接收機更加易于實現。

NR向前兼容，未來可以方便引入新技術?？梢灶A見5G的需求會不斷變化，同時新技術的演講也一刻不停，這都需要讓NR為其未來的演進預留足夠的空間：能夠支持未來具有新需求和新特性的服務，同時仍能支持同一載波上的傳統終端。

為了支持向前兼容，NR盡可能規避強制要求在固定的時頻資源上進行傳送，以免和未來技術發生沖突，同時NR中還可以配置預留資源，即這些資源不用于傳統終端的任何傳輸，而用于未來或者其他無線技術使用（類似預留字段）。這有著現實和未來兩重的意義，現實來說可以讓NR在早期部署的時候，通過配置預留資源，可以和LTE靈活地共享頻譜，降低早期部署成本；未來則可以讓NR持續靈活演進。

增強以機器為中心的通信

5G的使命是改變社會，除了讓人們越來越方便接入互聯網，還要全方位地改變社會上各個行業的生產和運營。為此，需要通過5G的通信能力把設備間的距離無限拉近，并結合云/Edge、大數據和AI這些最新科技，為各個行業提供數字化服務。這些以機器為中心的通信需求千變萬化：

·有些需要最大程度上考慮功耗、覆蓋和設備成本。比如智能路燈、智能電表、水表、垃圾桶，乃至若干智能穿戴設備都可以歸屬此類。在未來的社會，這些終端往往是海量的連接。

·有些需要最大程度上在一定時延的范圍內，考慮通信的可靠性，以及安全性：比如工業機器人、工廠自動化、自動駕駛。

·有些則需要極高的帶寬，比如超高清直播。

為此，5G必須從空口滿足這些靈活多變的需求：

大規模機器類通信需求。通常這類需求是指終端發送數據量較少、時延要求比較寬松，但對低功耗和低成本要求很高的場景，而且終端數量一般很多。

對于低端的大規模機器通信，NR沒有獨立提出解決方案，而由LTE技術中的 eMTC和NB-IoT來解決這類需求。一方面是因為這些技術已很好地支持低端的大規模機器通信；另一方面因為運營商已經部署了NB-IoT或者eMTC技術，和一般的智能機不同的是，這種類型終端的服務期一般會很長，有的甚至達到10年乃至更久。因此NR僅僅通過上文提及的資源保留等機制與這些現有接入技術的共存。

長期來看， NR必然能夠演進到直接支持大規模機器類型通信，目前的觀點是主要考慮滿足中高端設備的需求。

超低時延可靠機器通信。典型的應用領域的例子是工廠自動化。很多情況下，這類應用在可靠性和時延方面要求都很高。NR第一個版本主要解決URLLC的低時延部分，意味著超高可靠性的支持將在NR后續部分支持。

超低時延是NR的一個重要特征，對NR的很多設計細節都有影響。一個系統如果想要實現低時延，是需要在各個處理模塊上‘精雕細琢’，才能在總體上保證時延。比如：NR定義了微時隙的概念，縮短了最低傳輸持續時間。這種傳輸還可以搶占另一個終端正在進行的、基于時隙的傳輸，以便允許低時延數據的即時傳送。另外一個例子是使用“前置”的參考信號和控制信令，終端可以立即開始處理接收的數據而無需事先緩沖，降低解碼的時延。

除了物理層，高層MAC和RLC協議的設計也考慮了低時延的情況，比如它的報頭結構使得能夠在不知道要傳輸的數據量的情況下開始進行處理。這對上行傳輸尤其重要，因為在數據傳輸量是由網絡授權，NR終端可以在接收到網絡的授權之前就預處理，從而降低了時延。

可以說，這些降低時延的設計細節貫穿了整個NR的方方面面。

當然為了有效支持各種機器通信，NR不光需要從協議層面靈活地支持多個維度上需求，而且需要從產品實現方面進行相應的設計和優化。這方面各個廠家的產品不盡相同，百花齊放，這里列舉幾個例子：

網絡切片。將實體網絡上劃分為若干網絡切片，每個切片是服務于特定業務或客戶需求的一個邏輯網絡，從最大程度上滿足各種不同業務的需求。例如，類似于LTE提供的移動寬帶服務，可以構造一個網絡切片并支持完整的移動性，或者可以構造另一個網絡切片以支持特定的非移動、但有低時延要求的工業自動化應用。這些切片將運行在共同的、基礎性的物理核心網和無線網絡上，但從用戶應用的角度來看，它們像是運行在各自獨立的網絡中。在許多方面，網絡切片類似于在同一個物理計算機上配置多個虛擬計算機。

邊緣計算，將用戶應用的一部分在靠近核心網邊緣的地方運行，而不需要數據透過無線接入網、核心網、Internet網接入用戶應用。邊緣計算不但滿足了低時延要求，而且可以提高數據的安全性，降低運營商的傳輸網絡負擔。

控制面和用戶面的分離，以及虛擬化?？刂泼婧陀脩裘娴姆蛛x意味著兩者容量的獨立縮放。例如，如果需要更多的控制面容量，則單獨擴容控制面而不必同時對用戶面擴容。而虛擬化技術在5G的核心網中會大量采用，運行在通用計算機硬件上。這些技術的采用，為5G能靈活服務各類業務提供了方便、快捷、經濟的解決方案。

責任編輯：韓希宇