射频原理

我们社会，网络联接已变得十分普遍，人们甚至把联网看作像电力一样无处不在、无时不在。

无论是消费者还是企业，都在期盼着第5代无线连接（5G）：

1、提高下行链路和上行链路的速度

2、随时随地视频和游戏

3、提高服务质量，同时保证服务的安全可靠

4、提高制造业/行业效率

5、按需提供任何及一切东西

与此同时，无线运营提供商期望：

1、能够满足激增的移动数据需求

2、降低单数据比特成本

3、获得其他业务模式和营收流

所有这一切都能够借助5GNR（即“新空口”）架构实现，只是在这一过程中，我们还需要一些高度技术性的东西。在本章，您将认识5G蜂窝网络的过去、现在和未来，从而更好地理解5G在今天（和明天）无线通信中发挥的重要作用。

认识当前情况

像许多人预期的那样，5G将具有颠覆性，它将改变我们的生活。我们看到物联网、汽车、制造业及零售行业正在发生的无线通信创新，这让我们一窥5G连接的未来。

科研组织IDTechEx报告称，预计到2030年，5G的推出将为全球经济贡献7000亿美元。全球移动通信协会（GSMA）声称，预计到2025年，5G全球移动连接将达到14亿个。

没错，5G革命已经开始。技术建设的速度正在超出先前的预期，并且远超3G向4G的过渡速度。

以下是过去几年间发生的事情：

1、2018年韩国平昌冬奥会展示了首个运营性5G网络。

2、移动网络运营商的报告显示，截止2019年10月，韩国的5G用户已超过200万。

3、AT&T公司的5G网络是美国首个无线速度超过2吉比特的5G网络。

4、威瑞森公司已在美国职业橄榄球联盟（NFL）的全国体育场启动5G网络。

未来将会怎样？

以下是一些预测：

1、估计到2021年，手机用户（55亿）将超过自来水用户（53亿）。

2、估计到2023年，5G将为全球国内生产总值（GDP）贡献4.8万亿美元。

3、预计到2025年，全球物联网设备将达到250亿个⸺其中消费类设备将达到114亿个，工业用设备将达到137亿个。

4、一家领先的5G芯片制造商实施的一项研究项目估计，仅5G价值链将可带来3.5万亿美元的营收，在全球将支持2200万个就业岗位。

在全球向着智能化全时联网前进的过程中，5G将扮演着重要角色。世界各国及各地的承运商都在争先恐后地使用5G，而无论其能力如何。不过，像任何技术演进一样，5G的主要推动力量将是那些能够带来经济价值、商业价值和消费价值的东西。

认识5G愿景

自从5G诞生以来，话题一直主要集中以下三个用例类别：

1、增强型移动宽带（eMBB）

2、超可靠低延时

3、大规模连接性

作为5G部署者，他们首先最为关心的是为消费者的智能手机及其他移动设备提供增强型移动宽带服务⸺换句话讲，他们要能随处提供增强型移动宽带。这是实现移动网络运营商5G投资回报的最简捷路径。物联网用例集中出现在第二个和第三个类别：超低延时和大规模连接。随着物联网、窄带物联网（NB-IoT）、蜂窝型车联万物标准（C-V2X）及工业4.0的普及（参见图1-1），固定无线接入（FWA）、智能家庭和智慧城市等服务越来越引发人们的关注。

在开拓新道路时，能获得支持总是有好处的，而5G就获得了一定支持。不同于3G或4G期间的无线标准过渡，5G拥有广泛的全球支持，并被接纳为未来广域网（WAN）连接适用的唯一全球标准。

图1-1：推动5G发展的五大趋势

5G通过非独立组网（NSA）和独立组网（SA）两套实施方案，让全球承运商能够在其网络内部平滑地实施5G。第3代合作伙伴计划组织（3GPP）是一个由移动系统制造商组成的集体项目合作组织，该组织在5G标准的平滑演进和发展过程中扮演了极为重要角色。

5GNR技术利用调制方案、波形及接入技术，让网络系统能够满足高数据率服务的需要，同时带来低延时、小数据率和很长的电池寿命。2017年12月，《3GPPRelease 15 NSA 5G NR规范》获得通过，成为商用5G产品的基础。该规范包含从600MHz直至50GHz的低频、中频和高频频谱支持。2019年初，R15Late Drop版本获得通过，至此Release15标准全部完成（参见图1-2）。

图1-2：3GPP标准发布时间表

2020年发布的Release16标准将扩展5G，主要集中在垂直系统的功能和整体系统的完善。R16标准的目标是长期演进标准（LTE）、车联万物标准（V2X）之外的高级用例，还将为工业物联网和超可靠低延时通信（URLLC）提供强化功能，以替代工业以太网。另外，R16标准还将完善信号定位技术、多入多出（MIMO）技术及低系统功耗技术。

所谓“网络延时”，指一个数据包在两个点之间往返一次所需的时间。5G射频接入网络（RAN）的设计完全兼容现有的4GLTE网络。3GPPRelease 15标准允许采用多个NR部署方案，例如：3xNSA和2SA。这些方案术语来自当初为分析和建立非独立组网和独立组网的最终演进成果所实施的5G架构研究。非独立组网利用LTE锚带进行控制，利用5GNR频带提供更高的数据率。非独立组网允许承运商在不新建5G核心的情况下，提供5G的数据速度。图1-3所示为LTE向5G非独立组网和独立组网的过渡过程。根据承运商和地区的不同，承运商的使用和发布时间表也不同。

图1-3：5G部署的渐进式过渡

近期全球5G部署都采用非独立组网方案，这极大加快了5G的部署速度。5G连接演进的下一阶段将是完全成熟的独立组网5G，拥有专用核心网和射频接入网络。

无论是非独立组网方案还是独立组网方案，5G运营频谱都在高速演进。在本书中，我们借用较为熟知的、对应FR1波段的“Sub-6GHz”一词指代“Sub-7GHz”⸺后者支持的是7GHz以下的潜在频率分配。在5GNR Release 15标准中，工作频带被分为两个频率范围：频率范围1（FR1）和频率范围2（FR2）。FR1通常被称为“Sub-7GHz”，即：低于7GHz的频率范围；FR2是5G毫米波（mmWave）的频率范围（参低于7GHz的频率范围；FR是5G毫米波（mmWave）的频率范围（参见图1-4）。

虽然物理层和更高层的设计不考虑频率，但每个层面都有指定单独的射频性能需求。另外，FR1与FR2的测试方法也不同。FR1既可使用传导测试，也可使用空口测试（OTA）；FR2只需使用空口测试。

图1-4：频率范围FR1与FR2

如图1-4所示，5G的命名方案已经变更；正如4GLTE在命名中使用字母“B”指代频带，5G在命名中重新加入字母“n”，用以指代“NewRadio（即（新空口）”。5GNR使用LTE频带的，将使用相同的频带编号，只是加上“n”标识符。除了测试方法之外，FR1与FR2还有其他区别。这些区别体现在载波聚合、MIMO及子载波间隔上。