2.2 5G系统设计准则

结合4G系统设计的经验和5G实际部署的需求，3GPP在最初的5G设计时，就设定了几个重要的设计准则，包括前向兼容性、高数据速率、低时延、高可靠性和广覆盖。

2.2.1 前向兼容

在3GPP技术报告TR 38.802^[2]中指出，NR设计时要保持前向兼容性，即将来的版本引入新的特性和功能时，当前版本的业务和终端能在相同的频谱资源进行工作。

由于在当前版本设计时并不确定将来版本会具体引入哪些新的特性，所以从某种程度上来说，前向兼容性比后向兼容性^[1]更难以保证。但基于LTE系统设计的经验，NR甄别出了前向兼容性的基本准则：尽量避免引入时频域资源位置固定的公共信号。这一准则具体落实在广播信道、导频信号、控制信道和HARQ时序的设计。

NR将同步信号和广播信道打包成同步信息块（SSB），SSB在频域占用20个物理资源块（PRB），在时域占用4个OFDM符号。SSB的周期、时域和频域位置都是可配置的，关于SSB的详细介绍可参见第6.2.3小节。对比LTE，在不同双工方式下，其同步和广播信道都固定于信道带宽最中间的6个PRB，且时域占用的OFDM符号也是固定的。LTE和NR系统的广播和同步信道频域位置示意图如图2-2所示。

NR通过下行解调参考信号（DMRS）进行广播信道、控制信道和数据信道的信道估计和相干检测，DMRS总伴随着物理信道一起传输，不会单独传输；通过信道状态信息参考信号（CSI-RS）和/或SSB进行下行信道探测和测量，CSI-RS和SSB的时频域位置都是可配置的。从上述参考信号的设计上可以看出，NR没有设计位置固定且一直发送的参考信号。对比LTE，其Rel-8和Rel-9版本中的很多基本功能都基于小区公共参考信号（CRS），例如：广播信道和控制信道的解调、数据信道传输模式1～6的解调、信道质量测量等，而CRS需在整个带宽中一直发送。LTE Rel-10引入了DMRS和CSI-RS。

NR控制信道的时频域位置也是灵活可配置的。时域上可占用1、2或3个连续的OFDM符号，起始OFDM符号和频域上占用的PRB通过高层配置。相比之下，LTE的控制信道在时域上从每个传输时间间隔（TTI）的第一个OFDM符号开始发送，在频域上则为全带宽发送。

NR下行和上行数据信道都采用异步混合自动重传请求（HARQ）技术。HARQ重传通过下行控制信令进行动态调度，可以发生在不同时刻。此外，调度数据（包括初传和重传）的控制信道传输与被调度的数据信道传输的时间差、数据信道传输与HARQ的确认应答/否认应答（ACK/NACK）反馈的时间差都是灵活可配的。相比之下，LTE的下行数据信道采用异步HARQ；而上行数据信道采用同步HARQ，重传是发生在已知的固定时刻。而且，LTE调度数据的控制信道与数据信道的时间差、数据信道与HARQ ACK/NACK反馈的时间差也都是固定的。

通过上述NR的SSB、参考信号、控制信道和HARQ设计可以看出，NR各物理信道和信号的时频域资源都是可配置的，这不仅对于将来版本引入新的功能十分重要，对NR与其他制式的共存和互操作也有重要意义。

2.2.2 高速率

ITU定义5G下行峰值速率为20Gbit/s，上行峰值速率为10Gbit/s。NR主要通过大带宽、高频谱效率、多天线、高阶调制来实现相应的峰值速率目标。

在频谱方面，NR通过中高频点的大带宽获得更多的频谱资源。4G LTE授权频谱的频点最高为3.5GHz，非授权频段最高为5GHz，单载波最大带宽为20MHz。而NR不仅可以使用小于6GHz的中、低频段（FR1），还可用于24～52.6GHz^[2]的高频段（FR2）。FR1单载波最大信道带宽为100MHz，FR2单载波最大信道带宽为400MHz，且可通过载波聚合进一步扩展可用带宽。NR第一个版本就引入了载波聚合，最大支持16个载波单元的聚合，这些载波单元可以在相同或不同频段，可以是相同或不同的双工方式。在各国/区域分配的5G频谱中（见图2-3），可以看到3.5/4.9GHz中频段和28/40GHz高频段是主流的NR频段，中高频段的新频谱使得更多的可用带宽成为可能。

在频谱利用率方面，LTE频谱利用率为90%，例如20MHz信道带宽时，最多可用100个资源块，每个资源块占180kHz带宽。NR可通过基带加窗（时域）和滤波（时域/频域）技术，实现大于90%的频谱利用率，例如，在3.5GHz频点、30kHz子载波时，可利用273个资源块，实现高达98.3%的频谱利用率。NR中，不同子载波间隔（SCS）下FR1和FR2的信道带宽、可用PRB数和频谱利用率分别如表2-1和表2-2所示。

多天线指基站和终端配备多根天线，并利用这些天线同时进行数据传输。NR Rel-15定义了大规模天线基本协议框架。通过大规模天线技术，一方面可以增加同时传输的数据流的数目，例如，对于数据信道，通过多用户多输入多输出（MU-MIMO）技术在下行和上行都可实现最多12个正交流的并行传输；另一方面可以通过波束赋形技术增强有用信号功率、降低用户间干扰。NR的数据信道和广播信道都可以采用多波束进行传输。

值得一提的是，大规模天线技术不仅在标准层面得到了支持，在5G基站的商用产品中也得到了广泛应用，16、32和64通道的大规模天线将被应用于5G不同的业务场景。而且，终端的典型天线配置也从LTE时代的“1发2收”演进到NR时代的“2发4收”。

高阶调制能直接提升数据传输速率。NR在第一个版本就引入256QAM高阶调制，相比64QAM能提升33%的峰值速率。虽然LTE的后续演进中也引入了256QAM，但由于引入版本靠后，产业链的支持度相对不足。LTE Rel-8和NR Rel-15的调制方式对比如表2-3所示。

2.2.3 低时延

在时延方面，NR Rel-15定义了灵活子载波间隔配置、微时隙、终端快速处理能力、自包含帧结构和上行免调度传输等技术，实现0.5ms用户面单程空口时延。

在子载波间隔方面，对于FR16GHz以下载频，NR可支持15kHz、30kHz和60kHz的子载波间隔配置；对于FR26GHz以上载频，NR可支持60kHz、120kHz的子载波间隔配置。增加子载波间隔可以减少符号长度，从而减少单个时隙的时长，降低时延。LTE的子载波间隔为15kHz，TTI长度为1个子帧，即1ms。

在调度单元方面，与LTE最小调度单元为1个子帧不同，NR的最小调度单元为1个时隙或微时隙。NR在Rel-15就引入了微时隙，用以进一步降低传输时延。普通循环前缀（CP）时，一个完整的下/上行时隙包含14个OFDM符号；一个下行微时隙包含2、4或7个OFDM符号；一个上行微时隙包含1-14个符号。时隙与微时隙的示意图如图2-4所示。

终端处理时间包括两个方面：一是终端收到下行数据信道到反馈HARQ ACK/NACK的时间，二是终端收到上行调度的控制信令到发送上行数据的时间。NR Rel-15定义了两种终端处理能力，终端能力1为普通处理能力，终端能力2为快速处理能力。相比于LTE，这两种NR终端的处理时间都显著降低。以收到下行数据信道到反馈HARQ ACK/NACK的时间为例，LTE定义的处理时间为4ms；而NR子载波间隔为30kHz时，能力1终端的处理时间为0.36～0.46ms，能力2终端的处理时间仅为0.16ms^[3]。

基于微时隙和终端快速处理能力，可以实现自包含帧结构。自包含帧结构中，一个时隙中有下行OFDM符号、GP和上行OFDM符号。下行为主的自包含帧中，调度下行数据的控制信令、下行数据和上行HARQ ACK/NACK反馈在同一时隙完成。上行为主的自包含帧中，调度上行数据的下行控制信令、上行数据传输在同一时隙完成。自包含帧结构示意图如图2-5和图2-6所示。

上行免调度传输可减少上行调度请求和调度信令的时延，从而降低空口时延。NR Rel-15支持基站配置用户上行免调度传输，用户在没有收到上行调度信令时，可在配置的资源上发起上行数据传输。上行免调度传输示意图如图2-7所示。

2.2.4 高可靠

NR Rel-15可实现99.999%的高可靠性，主要通过物理信道重复传输、目标误块率（BLER）为10^-5的新信道质量指示（CQI）和调制与编码方案（MCS）表格、增大控制信道的聚合等级等技术实现。

为提升可靠性，NR支持物理下行共享信道（PDSCH）、物理上行控制信道（PUCCH）和物理上行共享信道（PUSCH）的多时隙重复传输，可在2、4或8个时隙上重复传输。

新的CQI/MCS表格在目标BLER为10%的CQI/MCS表格的基础上，增加了目标BLER为10^-5的新的条目，通过降低码率提升可靠性。表2-4中列出了新MCS表格中新增的低码率MCS。

物理下行控制信道（PDCCH）的聚合等级代表了用于PDCCH传输的物理资源量。聚合等级越大，则分配的物理资源越多。LTE PDCCH的聚合等级为1，2，4和8。为了进一步提升PDCCH可靠性，NR进一步引入了聚合等级16，其用于PDCCH的物理资源数为聚合等级8的2倍。

上述提升可靠性的手段都是基于增加传输资源、降低码率实现的。除此之外，NR时分双工（TDD）系统还支持发射功率为26dBm的高功率终端以增强传输的可靠性。相比发送功率为23dBm的普通终端，高功率终端可以显著改善上行传输性能。

面向增强现实/虚拟现实（AR/VR）、工业自动化、智能交通、智能电网等场景，NR Rel-16对控制和数据信道做了进一步增强，使可靠性提升到了99.9999%。需要说明的是，上述提升可靠性的技术不仅能用于URLLC场景，也能十分有效地用于eMBB场景，以弥补NR的部署频点提升后引起的覆盖问题。

2.2.5 与LTE的互操作和共存

如前文所述，2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz等TDD频段已成为NR的主流频段。相比于1.8GHz和2.1GHz等主流LTE频分双工（FDD）频段，这些TDD频段在提供大带宽的同时，也会面临覆盖方面的挑战。特别地，由于在上行链路中，终端发送功率较低，并且如果TDD上行时隙占比较低，上行覆盖的压力尤为显著。在中频NR系统的基础上补充低频系统是提升上行覆盖的有效手段，低频系统可以为LTE或NR系统，如图2-8所示。

利用低频FDD提供覆盖的典型方式包括以下3种。

1）LTE和NR双连接，利用低频FDD (e)LTE提供覆盖和控制面锚点，包括Option 3和Option 7架构，如图2-9所示。

2）在低频FDD实现LTE与NR上行/下行的频谱共享，包括静态频谱共享或动态频谱共享（DSS），如图2-10所示。其中，DSS能根据业务负载，提升4G与5G资源调度的灵活性。此外，考虑低频FDD的频谱资源有限，可进一步通过低频FDD NR和中频TDD NR的载波聚合提高NR系统的容量。

3）在低频FDD实现LTE与NR的上行频谱共享，即补充上行（SUL），而FDD下行仍全部用于LTE，如图2-11所示。