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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)
5G NR频谱分布
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"和"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。
3系，4系和7系组网
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。
2系
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。
5G帧结构
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。
调制解调
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:
调幅（ASK）:载波幅度是随着调制信号而变化的。
调频（FSK）:用数字信号去调制载波的频率。
调相（PSK）:根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。
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。
正交调制
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。
OFDM调制
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？
对比
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。
早期架构
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。
新架构
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。
5G网络切片到底切的是什么？
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。
编辑：黄飞
工商网监
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