5G NR 总览

引入

5G New Radio （NR）是由3GPP提出的5G标准。它始于3GPP Rel-15，并通过Rel-16/17/18持续演进。

5G NR有数种新的特性，他们是：

  • 高频操作与频谱灵活性(High Frequency Operation and Spectrum Flexibility)：采用新的频率频段（FR2），可提供高带宽，使 5G 能在高频段实现大带宽传输，拓展了频谱资源的利用。
  • 超精简设计(Ultra Lean Design)：最小化始终在线的传输，如参考信号、系统信息广播等。同时提升了网络的能耗。
  • 低延迟支持（Low Latency Support）：通过减少前端加载的参考和控制信号，降低了缓冲和解码延迟；采用可变的 OFDM numerology（子载波间隔等参数）和迷你时隙结构，进一步优化了传输延迟。
  • 传输方案与结构（Transmission scheme and structure）：如4G一样继续使用OFDM，上行链路为普通OFDM（可选用带 DFTS 的 OFDM，仍保留兼容性）；但具备灵活的 numerology（子载波间隔可为 15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz）、灵活的最大带宽（50、100、200、400MHz，远超 LTE 的 20MHz）；带宽分割（Bandwidth Parts BWP）允许在单个频段中使用不同的 numerology 和带宽，使系统能适配不同业务的传输需求，提升资源利用率。
  • 多天线传输（Multi-Antenna Transmission）：
    • 波束成形：所有NR 信号都设计为支持波束成形，包括控制和同步信号；同时支持模拟波束成形，并有信令进行波束管理。
    • 波束管理：采用窄波束（配备更多天线）和波束恢复机制。
    • MIMO：采用新的码本用于 CSI 报告，以提高吞吐量并减少开销，提升了数据传输的效率和可靠性。
  • 初始接入（Initial Access）：同步信号块（Synchronisation Signal Block SSB) 是UE用于首次发现、同步并识别 5G 网络的信号单元。LTE 中 SSB 每 5 毫秒发送一次（每秒 200 次），5G NR 中每 20 毫秒发送一次（每秒 50 次），这样更节能。
  • 非地面网络（Non-Terrestrial Networks NTN）：包含对低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）卫星星座的支持，拓展了 5G 的覆盖范围，实现天地一体化网络。
  • 机器类通信与物联网（Machine-type Communication and Internet-of-Things）：
    • 能力简化（Reduced Capability RedCap）设备：属于 NR 设备但功能更少，成本和复杂度更低，数据速率高于 4G 的 NB-IoT 和 LTE-M，但低于常规 NR 设备，满足物联网中对成本和性能平衡的需求。
  • 定位（Positioning）：引入新的定位参考信号（Positioning Reference Signal PRS），实现更精确的到达时间（ToA）估计，设备可测量并报告来自不同基站的 ToA 差异，提升了定位的精度。
  • 网络切片（Network slicing）：将网络划分为不同逻辑网络，为不同场景提供特定的网络能力和网络特性。它通过在RAN中进行QoS 管理实现。

5G NR（New Radio）标准将频率划分为两个主要范围：

FR1：Sub-6GHz频段（410 MHz – 7125 MHz）

  • 包括传统蜂窝通信频段，如 n1（2100 MHz）、n3（1800 MHz）、n7（2600 MHz）等
  • 目前全球大多数5G网络（包括中国和新加坡）主要使用此频段
  • 优点：覆盖范围广、穿透力强，适合城市和郊区部署
  • 缺点：频谱资源有限，带宽较小

FR2：毫米波频段（24.25 GHz – 71 GHz）

  • 包括频段如 n257（26 GHz）、n258（28 GHz）、n260（39 GHz）
  • 优点：带宽极大，支持超高速率和低延迟
  • 缺点：覆盖范围小、穿透力弱，适合热点区域或室内场景

5G空口架构与协议

5G的基站被称为next Generation Node B / gNodeB / gNB。核心网被称为5G Core / 5GC。

这门课中不会过多涉及5GC的内容，这里只是简要介绍。课程的重点在RAN

5G核心网（5GC）简述

5G核心网的关键网元如下图：

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  • 策略控制功能（Policy Control Function PCF）：负责制定和管理网络策略规则，为业务提供差异化的 QoS（服务质量）保障。
  • 统一数据管理（Unified Data Management UDM）：它是用户身份数据的 “存储中心”。
  • 认证服务器功能（Authentication Server Function AUSF）：它是鉴权流程的 “执行者”，接收 UDM 提供的认证凭证后，与用户设备（UE）完成双向认证（如 5G 的 EAP-AKA’ 认证流程），确认用户身份的合法性。
  • 网络开放功能（NEF Network Exposure Function）：将 5G 核心网的能力（如位置信息、策略能力）开放给第三方应用
  • 网络仓储功能（NR Repository Function NRF）：网元注册与发现中心，充当黄页的作用，比如 AUSF、UDM 等网元会在 NRF 中注册自己的功能和地址，当其他网元需要调用 AUSF 的鉴权功能时，会先通过 NRF “找到” AUSF 的位置。
  • 网络切片选择功能（ Network Slice Selection Function NSSF）：决定为用户设备（UE）选择哪一个网络切片来提供服务，实现 “切片化定制网络”。
  • 统一数据存储（UDR）：存储用户的签约数据，AF 的策略偏好，PCF 联动的策略配置等信息；
  • 应用功能（AF）：AF 是第三方应用或服务的功能入口，它会向 PCF 提供应用级的策略需求（如需要 “低时延优先”，需要 “超高可靠性”），并通过与 PCF、SMF 交互，让网络为特定应用的流量分配更优的转发路径。
  • 接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function AMF）：
    • 处理核心网与设备之间的控制信令；
    • 保证用户数据安全（如加密、完整性保护）；
    • 负责设备的空闲态移动性（如小区重选）和认证，还管理小区间的切换流程。
  • 会话管理功能（Session Management Function SMF）：
    • 为UE分配 IP 地址；
    • 控制策略执行、管理用户的会话生命周期（如会话建立、修改、释放）。
  • 用户面功能（User Plane Function UPF）：是无线接入网（RAN）与外部数据网络（PDNs，如互联网）之间的 “网关”，负责：
    • 分组路由与转发；
    • 分组检测；
    • QoS保证与分组过滤；
    • 流量测量；

4G到5G的演进

5G为4G到5G融合组网的过渡期提供了7个选择。如下表（表中RAT是Radio Access Technology）

Connectivity option Core network Master RAT Secondary RAT 3GPP term
Option 1 EPC LTE - LTE
Option 3 EPC LTE NR EN-DC
Option 2 5GC NR - NR
Option 4 5GC NR eLTE NE-DC
Option 5 5GC eLTE - eLTE
Option 7 5GC eLTE NR NGEN-DC

最常使用的时Option3和Option2

  • 方案3-非独立组网（Non-Standalone, NSA）：采用EPC作为核心网；LTE的RAN负责控制面信号，NR RAN负责用户面。支持E-UTRA与NR双连接（EN-DC）。

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  • 方案2-独立组网（Standalone，SA）：纯NR组网，搭配5GC，支持完整切片功能、SDAP/QFI映射，以及NR原生特性。

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5G的用户面和控制面

5G重要的用户面协议

5G用户面主要的协议架构图如下：

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服务数据适配协议(Service Data Adaptation Protocol SDAP)

  • 负责将 5G 核心网的服务质量（QoS）流映射到数据无线承载（Data Radio Bearer），实现核心网与无线侧的 QoS 联动。
  • 在上下行数据包中标记QoS 流标识符（quality-of-service flow identifier QFI），让网络能识别不同业务的 QoS 需求。
  • 限制：仅在 5G 独立组网（SA）模式下工作，非独立组网（NSA）模式无法使用。

分组数据汇聚协议（Packet-Data Convergence Protocol PDCP）

  • IP 头压缩：减少数据包的头部开销，提升传输效率（尤其是小数据包场景，如物联网业务）。
  • 数据加密：对用户数据加密。
  • 去重：在切换等场景下，移除重复的数据包，避免数据冗余。
  • 双连接数据分发：在双连接（如 EN-DC、NGEN-DC）场景下，将数据分发到不同的小区，提升吞吐量。

无线链路控制（Radio-Link Control RLC）

  • 分段与重组：将 PDCP 层的服务数据单元（SDU）分段为合适大小的 RLC 协议数据单元（PDU），适配无线链路的传输能力；同时对接收的 RLC PDU 重组为 SDU。
  • 重传与去重：对错误接收的 PDU 进行重传，移除重复的 PDU，保障数据可靠性。
  • 序列检测：通过 PDU 头部的序列号识别丢失的 PDU，确保数据完整性。
  • 错误处理：应对无线信道的噪声、不可预测的信道变化等传输错误，但最终的 “无错交付” 大多仍由 MAC 层的混合自动重传请求（Hybrid-ARQ）协议保障。

媒体接入控制（MAC）

  • 逻辑信道复用：将不同逻辑信道（如控制信道、业务信道）的数据流复用到传输信道，提升资源利用率。
  • 混合自动重传（Hybrid-ARQ）：对错误的数据包进行重传，快速恢复传输错误，降低时延。
  • 调度功能：负责无线资源的调度（包括不同 Numerology 的适配），决定哪些用户、在什么时间 / 频率资源上传输数据。
  • 载波聚合复用 / 解复用：在载波聚合场景下，跨多个分量载波进行数据的复用 / 解复用，提升带宽和吞吐量。

物理层（Physical Layer）

  • 编码
  • 调制
  • 物理层混合自动重传（Hybrid-ARQ）处理：在物理层快速处理重传，进一步降低时延。
  • 多天线处理：支持 MIMO、波束成形等多天线技术，提升信号覆盖和吞吐量。
  • 时频资源映射：将信号映射到合适的物理时频资源（如子载波、符号），实现无线信号的物理层传输。
  • 传输信道到物理信道的映射：将 MAC 层的传输信道（如 DL-SCH、UL-SCH）映射到物理信道（如 PDSCH、PUSCH），完成最终的无线信号发送与接收。

5G重要的控制面协议

控制面主要负责：连接建立（Connection setup）、移动性管理（Mobility）、安全性保障（Security）。纯控制协议包含NAS（非接入层）和RRC（无线资源控制）。

非接入层（Non Access Stratum NAS）

  • 运行于核心网的 AMF 与设备之间。
  • 功能包括：认证、安全管理、注册管理、移动性管理；还负责为设备分配 IP 地址（属于会话管理功能的一部分）。

无线资源控制（Radio Resource Control RRC）

  • 运行于 gNB 的 RRC 模块与设备之间。
  • 功能包括：
    • 广播设备接入小区所需的系统信息。
    • 传输核心网发起的寻呼消息，通知设备有入呼连接请求。
    • 连接管理，包括承载建立和移动性控制。
    • 移动性功能，如小区（重）选择。
    • 测量配置与报告（如信号强度测量）。
    • 设备能力的处理。

5G信道与数据流

5G的无线协议架构与4G非常类似，逻辑信道、传输信道、物理信道这几个主要结构保持一致。

那么对于NAS的数据，它属于专用控制数据，就应该走专用控制逻辑信道（DCCH），汇聚到下行共享信道（DL-SCH），最后在物理层上通过针对单播数据的物理下行共享信道（PDSCH）传输。如下图

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对于用户数据，它属于某一用户的单播业务数据，因此逻辑层走专用业务信道（DTCH），传输层汇聚到下行共享信道（DL-SCH），最后还是走针对单播数据的物理下行共享信道（PDSCH）传输。如下图

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5G RAN的结构

5G 的RAN强调功能解聚（Disaggregation），这被称为Open RAN。

传统的RAN采用单一厂商供应的一体化架构，BBU（基带单元）和 RU（射频单元）由同一厂商提供，通过前传（Fronthaul）连接，再经回传（Backhaul）与核心网通信。

Open RAN将传统 BBU 的功能拆分为多个逻辑单元（如 CU、DU 等），逻辑单元可用虚拟化在同一实体服务器上运行，也可由不同厂商提供。通过前传、中传（Midhaul）、回传等环节与核心网和射频单元协同。

5G的 Open RAN旨在打破通信巨头的垄断，这是5G昂贵的部署成本使得运营商寻找替代的必然产物。同时，在普通服务器上运行逻辑单元可以减少对ASIC芯片的依赖，也可以让它有更多的功能。也让RAN可以被虚拟化，在云端运行功能，部署更加灵活。

Open RAN的结构

传统RAN由 BBU（基带单元）、RU（射频单元）组成。BBU 负责基带处理，RU 负责射频收发，通过 Fronthaul（前传）连接，再经 Backhaul（回传）与核心网通信。BBU与RU需要来自于同一供应商。

而Open RAN将传统 BBU 的功能拆分为 O-CU（集中式单元）、O-DU（分布式单元），O-RU继续负责原有职责。O-CU 负责非实时高层协议（如 RRC、PDCP），O-DU 负责实时物理层和 MAC 层功能，O-RU 负责射频收发，最终经 Backhaul 与核心网连接，如下图。DU，CU，RU都可以来自于不同供应商。

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在Open RAN的部署中：由RU进行信号覆盖，一个DU可以带多个RU，他们之间的通信被称为前传（fronthaul）；一个CU可以带多个DU，他们通过中传（Midhaul）连接。最后CU通向核心网，他们由回传（Backhaul）连接

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O-RAN中各设备功能拆分

DU/CU拆分

在将BBU拆分为DU+CU时，3GPP提出了多种拆分选项，明确在 Open RAN 架构中，哪些协议层功能属于 CU、哪些属于 DU。

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3GPP认为最适合的切分方案是Option2，即RRC+PDCP由CU负责，其他的由DU负责。这个选项数据速率需求低，相比更靠后的拆分选项（如 Option 3 及之后），Option 2 的协议开销累积更少，对前传 / 中传的数据速率要求更低；同时CU 和 DU 之间的时延容忍度更强，允许两者部署在物理位置更远的节点（如 CU 集中部署在区域机房，DU 部署在边缘机房）。

DU/RU拆分

下图展示了从Split 2 到 Split 8共 6 种 DU/RU 的拆分点，拆分点越靠前（如 Split 8），DU 承担的协议层功能越多（包含 PDCP、RLC、MAC、PHY），RU 仅负责 RF，吞吐量更高，延迟更低；拆分点越靠后（如 Split 2），DU 承担的功能越少（仅 PDCP/RLC），RU 承担 MAC、PHY、RF 等更多功能，吞吐量低，延迟更高。

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Option 8：是当前 Remote Radio Unit（RRU）的主流拆分方式（current configuration），DU 承担高层协议功能，RU 聚焦射频（RF）相关的物理层底层处理。

Option 7.2x：也是最常见选项，将物理层功能进一步划分为 “PHY-High”（归 O-DU）和 “PHY-Low + RF”（归 O-RU）。

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Option 7：是 DU/RU 拆分的 “折中方案”，相比 Option 8，对前传带宽的需求更小，在性能和部署成本间取得平衡。

O-RAN解聚合制定标准的组织

O-RAN联盟（Alliance）

O-RAN联盟在2018 年由移动网络运营商（MNOs）发起，旨在通过开放架构降低网络成本。这个联盟标准化了不同网元（O-CU、O-DU、O-RU 等）之间的接口，使得不同厂商的设备可以互相兼容，打破单一厂商垄断。

O-RAN联盟对O-CU/O-DU 拆分采用Option 2，对O-DU/O-RU 拆分采用Option 7.2x。

O-RAN联盟定义了Open Fronthaul 接口，实现 O-DU 与 O-RU 之间的标准化通信；同时引入了RAN Intelligent Controller（RIC）用于控制和优化 RAN 功能。

RIC分为：

  • 非实时 RIC（Non-Real Time RIC）：支持超过 1 秒的非实时控制，通过 “rApps” 应用实现网络策略管理、长期优化。
  • 近实时 RIC（Near-Real Time RIC）：控制动作在 1 秒内完成，通过 “xApps” 应用执行实时优化（如负载均衡、波束成形调整），并接收非实时 RIC 的策略指导、反馈执行结果

下图是O-RAN联盟定义的开放接口与3GPP接口的对比（下图中CP表示控制面，UP表示用户面）：

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  • E1：O-CU-CP 与 O-CU-UP 之间的接口。
  • F1-c/u：O-CU 与 O-DU 之间的控制面 / 用户面接口。
  • E2：Near-Real Time RIC 与 O-CU-CP、O-DU、O-eNB 之间的接口（用于智能控制指令的交互）。
  • O1：Service Management and Orchestration Framework 与 Non-Real Time RIC、O-eNB 之间的接口（用于全局策略和资源编排）。
  • Open FH M-Plane/CUS-Plane：O-DU 与 O-RU 之间的开放前传管理面 / 控制用户面接口，实现标准化的前传通信。

其他组织：SCF

Small Cell Forum（SCF）

SCF 是一个致力于推广小基站（Small Cells）应用的组织。小基站是低功率的微型基站，覆盖范围有限，可部署在家庭、办公室或室外场景，用于补充宏基站的覆盖（如解决室内信号弱、热点区域容量不足等问题）。

SCF 在其Femto API（FAPI）中采用了Split 6作为小基站的功能拆分选项。

P2.2小练习

What does NTN stand for? （a）

  • a. Non-Terrestrial Network
  • b. Non-Trusted Network
  • c. Next Technology Network
  • d. None of the above

What does the NR in 5G NR stand for? (b)

  • a. Next Revolution
  • b. New Radio
  • c. New Revolution
  • d. Nexus Radio

Which of the following are subcarrier spacing NOT supported by 5G? (b， 5G 支持的子载波间隔有 15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz )

  • a. 15 kHz
  • b. 20 kHz
  • c. 60 kHz
  • d. 120kHz

Which of the following frequency bands are NOT supported by 5G?（d, 5G的FR1-Sub6GHz频段为 410MHz-7.125GHz；FR2-mmWave为24.25GHz-71GHz）

  • a. 1-6 GHz
  • b. 25-52 GHz
  • c. 52-71 GHz
  • d. 81-90 GHz

Which of the following is NOT a usage scenario of 5G? （b, 5G 三大场景是增强移动宽带 (eMBB)、超可靠低时延通信 (URLLC)、海量机器类通信 (mMTC)）

  • a. Enhanced Mobile Broadband
  • b. Enhanced Multimedia Broadband
  • c. Ultra Reliable Low Latency Comms
  • d. Massive Machine Type Comms

The 5G feature to support IoT devices is known as （c，5G支持精简能力设备，LET-M和NB-IoT是4G的，LoRa是单独的物联网协议）

  • a. LTE-M
  • b. LoRA
  • c. RedCap
  • d. NB-IoT

在LTE中，带宽为3MHz、有15个资源块（RB）、256点快速傅里叶变换（FFT）、子载波间隔为15kHz、每个资源块12个子载波，求：i）占用子载波数（不含直流分量）； ii）保护子载波数；iii）使用了（occupied）的信道带宽

（i） $12\times15=180$，故数据占用的子载波数是180个

（ii）保护子载波数=总子载波数-占用子载波数-DC子载波。256点FFT代表有256个子载波，那么保护子载波就是$256-180-1=75$个。

（iii）使用的信道带宽是子载波间隔$\times$（使用的子载波数量+DC子载波），即$15\times(180+1)=2.715MHz$

1. RAN Disaggregation splits the RAN into CU, DU, and? （b）

  • a. BU
  • b. RU
  • c. XU
  • d. None of the above

2. Which is the 3GPP split option for CU/DU? （d）

  • a. 8
  • b. 6
  • c. 3
  • d. 2

3. Which layer is responsible for coding and modulation? （d）

  • a. RRC
  • b. RLC
  • c. MAC
  • d. Physical

4. For 5G Non-Stand Alone (NSA) configuration, which RAN technology is used for control signals? （b）

  • a. 3G
  • b. 4G LTE
  • c. 5G NR
  • d. All of the above

5. Which functional split option is the current configuration between the base station and the remote RF unit? （d）

  • a. 2
  • b. 3
  • c. 7
  • d. 8

6. Which protocol is a pure control plane protocol that does not carry user data? （d，纯控制协议包含NAS和RRC）

  • a. MAC
  • b. PDCP
  • c. SDAP
  • d. NAS