《现代通信网络技术丛书 5G NR标准：下一代无线通信技术》
现代通信网络技术丛书
5G NR标准：下一代无线通信技术
5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology
埃里克·达尔曼（Erik Dahlman）
［瑞典］ 斯特凡·巴克浮（Stefan Parkvall） 著
约翰·舍尔德（Johan Sk?ld）
朱怀松 王 剑 刘 阳 译
序 言 一
从2012年ITU-R启动“IMT for 2020 and beyond”项目到现在，5G走过了需求规划、标准制定、研发测试及商业部署准备等困难重重但又硕果累累的历程。移动产业界对5G的愿景已达成共识：5G不仅将为用户提供增强的移动互联网服务——包括更佳的用户体验、更多样的连接方式，而且将提供面向物与物、人与物通信的物联网服务——包括大规模连接和低时延、超可靠的连接。虽然移动互联网仍是5G的主要应用之一，但对众多产业和领域进行渗透和赋能的移动物联网将是5G区别于前几代移动通信技术的显著特点。
移动通信的全球***属性和巨大的产业规模，使得全球统一的国际标准成为关键。3GPP是全球移动通信标准组织，在2G到5G国际标准的制定中扮演着越来越重要的作用。3GPP在2016年开始5G技术标准的研究工作。2018年6月14日，3GPP正式批准5G独立组网标准冻结。这意味着5G完成了第一阶段的全功能标准化工作，标志着5G具备了构建端到端全新业务的能力。3GPP 5G标准的发布是全球5G发展的重要里程碑，凝聚了来自全球的技术和标准人员的智慧和汗水。
中国与其他国家一道，在推进5G发展进程中积极做出了自己的努力和贡献。2013年，中国成立了IMT-2020（5G）推进组，组织国内外主流企业共同推进5G发展，相继开展了5G需求规划、技术标准制定、研发和国际合作等工作。2016～2018年，为加快推动5G研发及产业发展，IMT-2020（5G）推进组组织开展了5G研发技术试验。2018年年底，5G研发试验第三阶段基本完成。测试结果表明，5G基站与核心网设备均可支持非独立组网和独立组网模式，达到了预商用水平。当前，国内三家运营企业也在开展5G测试和试验活动，为即将到来的商业部署做着积极的准备。
本书以3GPP 2018年9月的版本为基础，重点对5G新空口（NR）进行了详细而又深入的解读。由于工作关系，我和本书的几位作者有过多次接触，对他们的技术领域和造诣有比较深入的了解。他们作为移动通信技术领域的专家，从2G开始就工作在移动通信技术发展的最前沿，他们之前出版的关于3G和4G的专著也已成为相关领域的畅销书和权威著作。本书的译者也是移动行业的资深人士，在各自的领域都做出了成绩。我相信本书的翻译出版会进一步推动5G在中国的普及，为中国读者提供对5G国际标准的既忠实可靠又全面系统的解读。
全球5G之旅才刚刚开始。5G真正的潜力也许要再过几年才能完全显现出来。随着5G商用的脚步越来越近，当前迫切需要挖掘能够体现5G能力、在商用初期可投入应用的创新业务，助力5G成功商用。IMT-2020（5G）推进组现已开展了“绽放杯”5G应用大赛，充分发挥引领行业需求的作用，力争孵化一批5G特色应用。希望在各行业、各领域的积极参与下，在全球移动通信产业界的通力合作、积极进取下，5G在中国的发展能够取得更大的成功！
最后，借此机会，对爱立信公司在全球和中国5G发展中做出的重要贡献表示深深的敬意和感谢！
王志勤
中国信息通信研究院副院长
IMT-2020（5G）推进组组长
序 言 二
2015年9月，3GPP举办了一次特别的研讨会。来自全球移动产业界、监管部门、研究机构的500多名专家汇聚一堂，商谈5G标准化的规划。会议达成的共识包括：5G标准化分成两个阶段，第一阶段满足早期商业部署的需要，第二阶段计划覆盖所有的应用场景，包括eMBB （enhanced Mobile Broadband）、mMTC（massive Machine Type Communications）和URLLC （Ultra Reliable and Low Latency Communications）等5G典型应用场景。这次研讨会实际上标志着3GPP 5G标准化工作的正式开始。
从那时到现在已经过去了三年，经过艰苦的努力（仅2017年一年3GPP就处理了超过10万份提案，有些工作组的参会代表人数达到了600人，这在3GPP历史上前所未有），3GPP 5G标准化的工作取得了丰硕的成果。2017年12月3GPP发布了第一个NR标准，即3GPP Release 15（针对非独立NR操作的场景）。2018年年中Release 15冻结（增加了对独立NR操作的支持）。目前，3GPP Release 16的工作也已开始，计划于2020年上半年完成。
毫无疑问，3GPP在5G标准化过程中起着重要的作用。作为一个由CCSA（中国）、ETSI（欧洲）、ARIB（日本）、TTC（日本）、ATIS（美国）、TTA（韩国）和TSDSI（印度）七个区域性和国家级标准化组织构成的全球性组织，3GPP标准化的成果综合考虑了各个国家和地区的诉求并达成一致。考虑到移动通信的特点，一个能被全球尽可能多的国家和地区所接受的5G标准对5G未来的成功起着举足轻重的作用，而3GPP为这一成功提供了有力的支撑。
中国在5G技术发展和标准化进程中的重要性也是有目共睹的。由工信部、IMT-2020（5G）推进组及信通院领导和实施的5G技术测试，对于推动中国5G研发及产业的发展起到了至关重要的作用。同时，中国移动、中国电信和中国联通等多家运营商开展的5G测试和试验，也走在了行业的前列。包括爱立信在内的网络设备商也积极参与到中国的5G测试活动中，为即将到来的5G商用做积极的准备。爱立信公司也加大了在中国的5G研发，这不仅是因为中国将是5G的最大市场，更重要的是中国已成为5G技术发展与应用探索的前沿阵地，对今后5G技术的发展影响深远。
本书作者Erik Dahlman、Stefan Parkvall和Johan Sk?ld 先生，均就职于爱立信研究院（Ericsson Research），是无线通信领域的顶级技术专家，从2G时代起就参与标准的制定工作以及无线技术预研，拥有许多发明和创新。他们之前出版的关于3G和4G无线接入的专著均得到了业内外读者的广泛认可，成为了解无线通信的技术宝典，或许读者对他们不会感到陌生。同时，相信通过译者的辛勤劳动，本书将为读者提供对5G的详细而又深入的解读。希望本书的翻译出版能为推动5G在中国的发展贡献一点力量。
5G并不仅仅是另一个新的“Generation”，5G与前面几代移动通信技术的最大区别在于它与其他行业和领域的深入和广泛的结合。在某种程度上，5G的成功与否将取决于它是否能真正赋能各个行业，是否能够真正服务于各垂直领域。可喜的是，目前我们已经看到各个行业和领域在积极探索和尝试基于5G的新应用和新服务。相信在不远的将来，5G能够真正成为当今社会数字化转型的强大引擎！
彭俊江
爱立信（中国）通信有限公司CTO
译 者 序
本书作者Erik Dahlman、Stefan Parkvall和Johan Skold对于移动通信行业的许多同行来说并不陌生。从3G时代开始他们就撰写了相关著作，4G时代又出版了基于3GPP标准的专著，这些著作受到读者好评，并成为3G和4G无线技术的畅销书。凡是参与过3GPP工作或者阅读过3GPP标准的同行，相信都对其流程的繁复、标准的丰富深有感触，迫切希望有一本深入浅出而又忠实可靠的著作能够对相关标准做一番梳理，以帮助读者尽快建立起对5G NR标准的系统性把握。
本书是一本开创性著作，对5G NR的3GPP标准做了全面解读和梳理，它提供了对5G NR标准的准确、易读的描述，以及对NR物理层结构、高层协议、射频和频谱的详细解读。不仅如此，它还提供了对5G NR标准的洞察：不仅描述技术本身，而且还揭示技术决策背后的原因，即常常萦绕在读者心头的问题——标准为什么做出这样的规定？
本书的英文版一经出版，相关的翻译工作也随即着手开始。虽然在移动通信行业工作多年，但作为译者，在翻译过程中心情还是很忐忑的。既要忠实于原著，又要尊重中文的表达方式，个中酸甜苦辣恐怕只有当事人才能体会一二。
在翻译过程中，译者得到了原作者的大力支持。同时，编辑朱捷先生和卢璐先生的耐心指导和悉心审阅，是整个翻译能够顺利完成的强有力的保障，在此我们对朱捷先生和卢璐先生表示诚挚的感谢！
尽管我们已经尽最大努力来保证译本的准确、易读，但由于时间紧、任务急，译作之中肯定存在疏漏，对此，作为译者，我们愿意承担全部责任。希望在后续版本里能够改正这些不足之处。
不同的人对于移动通信如何影响当今社会也许有不同的看法，但毋庸置疑的是，移动通信已经彻底改变了我们的生活方式，包括沟通方式。5G的引入将使得这一改变更加深入、更加彻底。我们希望本书中文版的出版能为5G事业在中国的发展尽一点力量，“他山之石，可以攻玉”，技术是为了创造更加美好的生活，Technology for good!
朱怀松 王剑 刘阳
前 言
LTE已成为迄今为止全球最成功的、服务于数十亿用户的移动宽带技术。毫无疑问，移动宽带现在是，将来也是移动通信的重要组成部分，但未来的无线网络在很大程度上将涵盖更广泛的应用和更广阔的需求。虽然LTE是一项非常强大的技术并且仍在不断发展，在未来许多年内仍将被继续使用，但是新的5G无线接入技术——（New Radio，新空口）——已经被标准化，以满足未来的需求。
本书对NR标准进行了描述。NR标准是在2018年春末由3GPP制定的新一代无线接入技术标准。
第1章对5G做了简单介绍。第2章描述了标准化的过程和相关的组织，比如3GPP和ITU。第3章介绍了可用于移动通信的频段以及发掘可用新频段的流程。
有关LTE及其演进的概述请参阅第4章。虽然本书的重点是NR，但作为后续章节的背景，对LTE做简要概述是有益的。一个原因是，LTE和NR都是由3GPP制定的，因此具有共同的背景，并且使用了某些相同的技术构件。NR中的许多设计选择也是基于LTE的经验做出的。此外，LTE还会继续与NR并行发展，仍是5G无线接入中的重要组成部分。
第5章是对NR的概述，可以单独阅读以获得对NR的宏观理解，也可以作为对后续章节的介绍。
第6章概述了NR总的协议结构，第7章描述了NR整个的时频域结构。
多天线处理和波束赋形是NR的重要组成部分。第8章概述了支持这些功能的信道探测方法，第9章总体介绍了传输信道的处理，第10章介绍了相关的控制信令。这些功能如何支持不同的多天线方案和波束赋形在第11章和第12章中描述。
重传功能和调度是第13章和第14章的主题，第15章讲功率控制，第16章讲初始接入。
与LTE的共存和互通是NR的重要组成部分，特别是在依赖LTE进行移动性和初始接入的非独立组网模式下。第17章对此进行了介绍。
考虑到大频率范围上以及多标准无线终端的频谱灵活性，第18章描述了NR对射频的要求。第19章讨论了毫米波范围内较高频段的射频实现所要考虑的问题。
最后，第20章对本书做了总结，对未来的NR版本进行了展望。
致 谢
感谢爱立信公司所有同事为本书的写作提供的帮助，包括对本书有关内容直接提供的建议和意见，以及参与开发NR和5G这一宏大的下一代无线接入项目。
标准化过程涉及来自世界各地的工作者，在此感谢无线通信业的所有同仁，特别是3GPP RAN工作组的努力。没有他们的工作和对标准化的贡献，这本书就不可能存在。
最后，非常感谢家人在撰写本书的漫长过程中给予我们的宽容和支持。
目 录
序言一
序言二
译者序
前言
致谢
2.2.3 ITU-R ?WP5D的IMT-2020流程 8
2.4.2 作为IMT-2020候选技术的3GPP 5G规范 18
第4章 LTE概述 30
4.1 LTE Release 8——基本的无线接入 30
4.2 LTE演进 32
4.3 频谱灵活性 34
4.3.1 载波聚合 34
4.3.2 授权辅助接入 35
4.4 多天线增强 36
4.4.1 扩展的多天线传输 36
4.4.2 多点协作和传输 36
4.4.3 增强的控制信道结构 37
4.5 密集度、微蜂窝和异构部署 37
4.5.1 中继 37
4.5.2 异构部署 38
4.5.3 微蜂窝开关 38
4.5.4 双连接 39
4.5.5 动态TDD 39
4.5.6 WLAN互通 39
4.6 终端增强 40
4.7 新场景 40
4.7.1 设备到设备通信 40
4.7.2 机器类型通信 41
4.7.3 降低时延——sTTI 42
4.7.4 V2V和V2X 42
4.7.5 飞行器 42
第5章 NR概览 43
5.1 高频操作和频谱灵活性 44
5.2 极简设计 45
5.3 向前兼容 45
5.4 传输方案、部分带宽和帧结构 46
5.5 双工方式 48
5.6 低时延支持 49
5.7 调度和数据传输 49
5.8 控制信道 50
5.9 以波束为中心的设计和多天线传输 51
5.10 初始接入 52
5.11 互通和与LTE共存 53
第6章 无线接口架构 55
6.1 系统总体架构 55
6.1.1 5G核心网 55
6.1.2 无线接入网 57
6.2 服务质量 59
6.3 无线协议架构 60
6.4 用户面协议 61
6.4.1 服务数据调整协议 63
6.4.2 分组数据汇聚协议 63
6.4.3 无线链路控制 64
6.4.4 媒体接入控制 65
6.4.5 物理层 73
6.5 控制面协议 74
6.5.1 RRC状态机 74
6.5.2 空闲态和非激活态的移动性 76
6.5.3 连接态的移动性 77
第7章 总体传输结构 79
7.1 传输机制 79
7.2 时域结构 81
7.3 频域结构 83
7.4 部分带宽 86
7.5 NR载波频域位置 88
7.6 载波聚合 89
7.7 补充上行 90
7.7.1 与载波聚合的关系 92
7.7.2 控制信令 92
7.8 双工方式 93
7.8.1 时分双工 94
7.8.2 频分双工 95
7.8.3 时隙格式和时隙格式指示 95
7.9 天线端口 99
7.10 准共址 100
第8章 信道探测 102
8.1 下行信道探测：CSI-RS 102
8.1.1 CSI-RS基本结构 103
8.1.2 CSI-RS配置的频域结构 106
8.1.3 CSI-RS配置的时域特性 106
8.1.4 CSI-IM干扰测量 107
8.1.5 零功率CSI-RS 108
8.1.6 CSI-RS资源集 108
8.1.7 跟踪参考信号 109
8.1.8 物理天线映射 109
8.2 下行测量和上报 110
8.2.1 上报数量 111
8.2.2 测量资源 111
8.2.3 上报类型 112
8.3 上行信道探测：SRS 112
8.3.1 SRS序列和Zadoff-Chu序列 114
8.3.2 多端口SRS 115
8.3.3 SRS时域结构 115
8.3.4 SRS资源集 115
8.3.5 物理天线映射 116
第9章 传输信道处理 117
9.1 概述 117
9.2 信道编码 118
9.2.1 每个传输块添加CRC 118
9.2.2 码块分段 118
9.2.3 信道编码 119
9.3 速率匹配和物理层HARQ功能 120
9.4 加扰 122
9.5 调制 122
9.6 层映射 123
9.7 上行DFT预编码 123
9.8 多天线预编码 123
9.8.1 下行预编码 124
9.8.2 上行预编码 125
9.9 资源映射 126
9.10 下行预留资源 128
9.11 参考信号 130
9.11.1 基于OFDM的上下行传输所使用的DM-RS 131
9.11.2 基于DFT预编码的OFDM上行传输所使用的DM-RS 137
9.11.3 相位跟踪参考信号 138
第10章 物理层控制信令 140
10.1 下行 140
10.1.1 物理下行控制信道 141
10.1.2 控制资源集 143
10.1.3 盲解码和搜索空间 148
10.1.4 下行调度分配：DCI格式1-0和1-1 151
10.1.5 上行调度授权：DCI格式0-0和0-1 154
10.1.6 时隙格式指示：DCI格式2-0 156
10.1.7 抢占指示：DCI格式2-1 156
10.1.8 上行功率控制命令：DCI格式2-2 156
10.1.9 SRS控制命令：DCI格式2-3 157
10.1.10 指示频域资源的信令 157
10.1.11 指示时域资源的信令 158
10.1.12 指示传输块大小的信令 160
10.2 上行 161
10.2.1 PUCCH基本结构 162
10.2.2 PUCCH格式0 163
10.2.3 PUCCH格式1 165
10.2.4 PUCCH格式2 166
10.2.5 PUCCH格式3 167
10.2.6 PUCCH格式4 168
10.2.7 PUCCH传输使用的资源和参数 169
10.2.8 通过PUSCH传输的上行控制信令 170
第11章 多天线传输 173
11.1 简介 173
11.2 下行多天线预编码 177
11.2.1 类型I CSI 178
11.2.2 类型II CSI 180
11.3 上行多天线预编码 180
11.3.1 基于码本的传输 181
11.3.2 基于非码本的预编码 183
第12章 波束管理 185
12.1 初始波束建立 186
12.2 波束调整 186
12.2.1 下行发送端波束调整 187
12.2.2 下行接收端波束调整 188
12.2.3 上行波束调整 188
12.2.4 波束指示和TCI 188
12.3 波束恢复 189
12.3.1 波束失败检测 190
12.3.2 新备选波束的认定 190
12.3.3 终端恢复请求和网络响应 190
第13章 重传协议 192
13.1 带软合并的HARQ 193
13.1.1 软合并 195
13.1.2 下行HARQ 196
13.1.3 上行HARQ 197
13.1.4 上行确认的定时 197
13.1.5 HARQ确认的复用 199
13.2 RLC 201
13.2.1 序列编号和分段 202
13.2.2 确认模式和RLC重传 203
13.3 PDCP 205
第14章 调度 207
14.1 动态下行调度 207
14.1.1 带宽自适应 209
14.1.2 下行抢占处理 210
14.2 动态上行调度 211
14.2.1 上行优先级处理 213
14.2.2 调度请求 215
14.2.3 缓存状态报告 216
14.2.4 功率余量报告 217
14.3 调度和动态TDD 218
14.4 无动态授权的传输 218
14.5 不连续接收 220
第15章 上行功率和定时控制 222
15.1 上行功率控制 222
15.1.1 功率控制基线 222
15.1.2 基于波束的功率控制 224
15.1.3 PUCCH功率控制 226
15.1.4 多个上行载波情况下的功率控制 226
15.2 上行定时控制 227
第16章 初始接入 229
16.1 小区搜索 229
16.1.1 SSB 229
16.1.2 SSB的频域位置 231
16.1.3 SSB的周期 231
16.1.4 SS突发集：时域上多个SSB 232
16.1.5 PSS、SSS和PBCH的详细说明 234
16.1.6 剩余系统信息 237
16.2 随机接入 237
16.2.1 前导码的发送 238
16.2.2 随机接入响应 243
16.2.3 消息3：竞争解决 244
16.2.4 消息4：竞争解决和连接建立 244
16.2.5 补充上行的随机接入 245
第17章 LTE/NR互通和共存 246
17.1 LTE/NR双连接 246
17.1.1 部署场景 247
17.1.2 架构选项 248
17.1.3 单发工作 248
17.2 LTE/NR共存 249
第18章 射频特性 252
18.1 频谱灵活性的影响 252
18.2 不同频率范围的射频要求 254
18.3 信道带宽和频谱利用率 255
18.4 终端射频要求的总体结构 257
18.5 基站射频要求的总体结构 257
18.5.1 NR基站射频传导要求和辐射要求 257
18.5.2 NR不同频率范围的基站类型 259
18.6 NR射频传导要求概述 260
18.6.1 发射机传导特性 260
18.6.2 接收机传导特性 261
18.6.3 区域性要求 262
18.6.4 通过网络信令通知特定频段的终端要求 262
18.6.5 基站等级 262
18.7 传导输出功率电平要求 263
18.7.1 基站输出功率和动态范围 263
18.7.2 终端输出功率和动态范围 263
18.8 发射信号质量 264
18.8.1 EVM和频率误差 264
18.8.2 终端带内发射 264
18.8.3 基站时间对齐 264
18.9 无用发射传导要求 265
18.9.1 实现因素 265
18.9.2 带外域的发射模板 265
18.9.3 邻道泄漏比 267
18.9.4 杂散发射 268
18.9.5 占用带宽 269
18.9.6 发射机互调 269
18.10 传导灵敏度和动态范围 269
18.11 接收机对干扰信号的敏感性 270
18.12 NR的射频辐射要求 271
18.12.1 FR2的终端辐射要求 272
18.12.2 FR1的基站辐射要求 272
18.12.3 FR2的基站辐射要求 273
18.13 研究中的NR射频要求 274
18.13.1 多标准无线基站 274
18.13.2 多频段能力基站 275
18.13.3 工作在非连续频谱 277
第19章 毫米波射频技术 279
19.1 ADC和DAC 279
19.2 本振和相位噪声 281
19.2.1 自由振荡器和锁相环的相位噪声特性 281
19.2.2 毫米波信号生成的挑战 283
19.3 功放效率和无用发射的关系 284
19.4 滤波器 286
19.4.1 模拟前端滤波器 287
19.4.2 插损和带宽 288
19.4.3 滤波器实现示例 289
19.5 接收机噪声系数、动态范围和带宽的关系 291
19.5.1 接收机和噪声系数模型 291
19.5.2 噪声因子和噪底 292
19.5.3 压缩点和增益 293
19.5.4 功率谱密度和动态范围 294
19.5.5 载波频率和毫米波技术 294
19.6 总结 296
第20章 5G的演进 297
20.1 接入和回传一体化 297
20.2 工作在非授权频谱 298
20.3 非正交多址接入 299
20.4 机器类型通信 299
20.5 设备到设备的通信 300
20.6 频谱和双工灵活性 300
20.7 结束语 302
术语表 303
参考文献 310
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