华信咨询设计研究院专家团队
5G NR物理层规划与设计
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
5G NR物理层规划与设计 / 张建国等编著. --北京：人民邮电出版社，2020.4
ISBN 978-7-115-53196-4
Ⅰ.①5… Ⅱ.①张… Ⅲ.①无线电通信 Ⅳ.①TN92
中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第291703号
◆编 著 张建国 杨东来 徐恩 严国军
责任编辑 赵 娟
责任印制 彭志环
◆ 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
三河市中晟雅豪印务有限公司印刷
◆ 开本：787×1092 1/16 彩插：7
印张：25.5 2020年1月第1版
字数：629千字 2020年1月河北第1次印刷
定价：168.00元
读者服务热线：(010)81055493 印装质量热线：(010)81055316
反盗版热线：(010)81055315
广告经营许可证：京东工商广登字20170147号
本书首先简要介绍了移动通信的发展历程，5G需求、网络架构、网络部署模式、CU-DU的切分；随后分析了5G的频谱和信道安排，以及帧结构、物理层资源和序列的产生；通过举例和图形展现的方式详细分析了5G NR下行物理信道和信号，5G NR上行物理信道和信号；最后，详细介绍了5G NR的物理层过程，包括小区初始搜索过程、随机接入过程、波束管理过程和UE上报CSI的过程。
本书内容丰富，资料翔实，架构清晰，论述严谨，特别提炼了7个章节的内容概要一览彩图，适合从事5G无线网络规划、优化的相关人员参考学习，也可供大专院校通信专业的师生阅读。
丛书策划
余征然 朱东照 汪丁鼎 肖清华 彭 宇
丛书编委（按姓氏笔画排序）
丁 巍 许光斌 汪丁鼎 张子扬 汪 伟
吴成林 张建国 严国军 肖清华 李燕春
杨东来 单 刚 周 悦 赵迎升 徐伟杰
徐 恩 徐 辉 陶伟宜 黄小光 景建新
当前，第五代移动通信（5G）技术已日臻成熟，国内外各大主流运营商均在积极准备5G网络的演进升级。促进5G产业发展已经成为国家战略，我国政府连续出台相关文件，加快推进5G技术商用，加速5G网络发展建设进程。本月初，工业和信息化部发放5G商用牌照，标志着中国正式进入5G时代。4G改变生活，5G改变社会。新的网络技术带动了多场景服务的优化，也带动了互联网技术的演进，也将引发网络技术的大变革。5G不仅仅是移动通信技术的升级换代，更是未来数字世界的驱动平台和物联网发展的基础设施，将对国民经济方方面面带来广泛而深远的影响。5G和人工智能、大数据、物联网及云计算等的协同融合点燃了信息化新时代的引擎，为消费互联网向纵深发展注入后劲，为工业互联网的兴起提供新动能。
作为信息社会通用基础设施，当前国内5G产业建设以及发展如火如荼。在5G产业上虽然中国有些企业已经走到了世界的前面，但并不意味着在所有方面都处于领先地位，还应该加强自主创新能力。我国5G牌照虽已发放，但是5G技术仍在不断的发展中。在网络建设方面，5G带来的新变化、新问题也需要不断的探索和实践，尽快找出分析解决办法。在此背景下，在工程技术应用领域，亟须加强针对5G网络技术、网络规划和设计等方面的研究，为已经来临的5G大规模建设做好技术支持。“九层之台，起于累土”，规划建设是网络发展之本。为抓住机遇，迎接挑战，做好5G建设准备工作，作者编写了系列丛书，为5G网络规划建设提供参考和借鉴。
本书作者工作于华信咨询设计研究院有限公司，长期跟踪移动通信技术的发展和演进，一直从事移动通信网络规划设计工作。作者已经出版过有关3G、4G网络规划、设计和优化的书籍，也见证了5G移动通信标准诞生、萌芽、发展的历程，参与了5G试验网的规划设计，积累了5G技术和工程建设方面的丰富经验。
在这一系列著作中，作者依托其在网络规划和工程设计方面的深厚技术背景，系统地介绍了5G无线网络技术、蜂窝网络技术、5G核心网技术以及网络规划设计的内容和方法，系统全面地提供了从5G理论技术到建设实践的方法和经验。本系列书籍将有助于工程设计人员更深入地了解5G网络，更好地进行5G网络规划和工程建设。本系列书籍的出版适逢5G牌照发放，对将要进行的5G规模化商用网络部署将会有重要的参考价值和指导意义。
2018年12月，工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通发放了第五代移动通信技术（Fifth-Generation，5G）试验网频率许可。2019年6月6日，工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照，标志着我国正式进入5G商用元年。为了建设具有竞争力的5G网络，我们需要掌握5G的基本原理，最新最权威的5G无线技术来源于第三代合作伙伴计划（Third Generation Partnership Project，3GPP）协议。本书以最新版本（V15.5.0）的3GPP协议为主，以举例子的方式，用大量的图形和表格直观地分析了5G新空口技术（New Radio，5G NR）的物理层以及物理层过程，以便读者快速全面地掌握5G NR的物理层技术。
国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布的5G白皮书定义了5G的三大场景：增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）；超可靠低时延通信（ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）；海量物联网通信（massive Machine Type Communication，mMTC）。并且对5G提出了8个关键性能指标要求，这些关键性能指标的实现需要通过物理层的设计来实现。为了支持eMBB场景的高流量需求，物理层架构设计的关键点包括：在频率设计方面，支持超高频、更大的信道带宽、更大的子载波间隔；在数据信道设计方面，上下行都采用循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CP-OFDM）、支持最高达256QAM的调制方式；在参考信号设计上，解调参考信号（Demodulation Reference Signal，DMRS）、信道状态信息参考信号（Channel State Information Resource Signal，CSIRS）、探测参考信号（Sounding Reference Signal，SRS）支持更多的天线端口，同时引入了相位跟踪参考信息（Phase Tracking Reference Signal，PT-RS）。为了支持uRLLC场景的低时延需求，物理层架构设计的关键点包括：支持更灵活的帧结构设计和双工设计，引入了自包含时隙；在数据信道设计方面，支持基于符号的调度；在控制信道设计方面，支持短符号的物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）。此外，物理层在设计上以波束管理为核心，以达到增加覆盖、减少干扰、提高系统性能的目的。
本书第一章是移动通信系统发展历程概述，主要介绍了2G、3G、4G、5G的发展历程、技术特点、关键技术以及演进，3GPP组织与3GPP组织制定规范的过程，5G的标准体系架构。第二章是5G系统概述，介绍了5G需求，5G NR物理层架构设计的要点，5G 无线接入网（Radio Access Network，RAN）的整体架构、网元功能、网络接口、无线协议架构，5G网络部署模式以及集中单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distribution Unit，DU）的切分等内容。第三章是5G频谱和信道安排，介绍了5G的工作频带、信道带宽，重点介绍了信道栅格、同步栅格、Point A的计算方法以及一部分初始小区搜索过程。第四章是帧结构、物理资源和序列产生，介绍了参数集（numerology）、帧结构、物理资源和序列的产生方法，重点介绍了时隙、CRB、PRB、BWP的配置以及信令流程。第五章是下行物理信道和信号，对SS/PBCH块（包括PBCH、PSS、SSS以及PBCH的DM-RS）、PDSCH（含PDSCH的DM-RS和PT-RS）、PDCCH（含PDCCH的DM-RS）以及CSI-RS进行了详细的分析并给出了PDSCH、PDCCH的容量能力。第六章是上行物理信道和信号，对PRACH、PUCCH（含PUCCH的DM-RS）、PUSCH（含PUSCH的DM-RS和PT-RS）以及SRS进行了详细的分析并给出了PUSCH、PUCCH的容量能力。第七章介绍了物理层过程，包括初始小区搜索过程、随机接入过程、波束管理过程和UE上报CSI的过程。
本书不仅仅是提供了5G NR物理层的知识点，更重要的是提供了学习3GPP协议的方法。读者可以单独阅读本书，也可以结合3GPP协议一起阅读。如果读者掌握了本书提供的学习方法，就可以在3GPP协议更新后，依然能快速学习和掌握3GPP后续版本引入的新功能和新特征。
在本书的编写过程中，得到了华信咨询设计研究院有限公司朱东照、万俊青、徐恩、汪丁鼎、彭宇、张守国、严国军等人的大力支持，在此表示感谢。
衷心感谢人民邮电出版社的编辑对本书出版工作的大力支持！
由于作者水平有限，加上5G NR技术标准与设备也在不断研发和完善中，书中难免存在疏漏和错误之处，敬请各位读者和专家批评指正。
张建国
2019年9月于杭州
导读
本章节首先回顾了2G、3G、4G、5G的发展历程、技术特点、关键技术以及演进过程。回顾移动通信发展历程有助于读者了解移动通信的发展历史并对5G产生兴趣。通信标准的编制过程介绍了3GPP组织和3GPP制定规范的过程。
本章讲述的重点是5G NR标准体系架构，以及本书后续章节使用的3GPP 38系列协议的规范号、简介。需要重点关注的是，38.104、38.211、38.212、38.213、38.214、38.300、38.321、38.331这8个协议，建议读者可以粗略地翻阅这8个协议（V15.5.0版本）的目录以掌握各个知识点分布在哪些协议中。本节最后给出了3GPP协议的版本号、技术规范和技术报告的区别、修改历史等内容，掌握这些阅读技巧可以达到事半功倍的效果。
通信系统包括通信网络和用户设备两大部分。通信网络由交换机等设备组成，还包括传输、接入网等。用户设备通常被称为用户终端，用户利用用户终端得到通信网络的服务。根据用户终端的不同，通信系统分为固定通信系统和移动通信系统。固定通信系统中用户终端的位置是固定的；移动通信系统中用户终端的位置是可移动的。
移动通信系统中的用户终端利用无线电波来传递信息，帮助人们摆脱了电话线的束缚，用户可以行动自如地使用通信网络，大大拓展了活动空间。移动通信系统有很多，如陆地上使用的移动电话和海洋上使用的海事卫星电话等，本书介绍的是陆地上使用的移动通信系统。
1979年，美国开通了模拟移动通信系统，开创了移动通信的先河。模拟移动通信系统是第一代移动通信系统，简称1G（Generation）。模拟移动通信系统基本实现了移动用户之间的通信，具有划时代的意义。但是模拟移动通信有安全保密性差、系统容量小、终端功能弱等明显缺点，于是人们开始研究新的移动通信系统——数字移动通信系统。数字移动通信系统经历了第二代、第三代、第四代，目前，各国正在部署的是第五代移动通信系统。数字移动通信发展历程如图1-1所示。
第二代移动通信系统简称2G，在20世纪90年代初，欧洲完成了全球移动通信系统（Global System For Mobile Communications，GSM）标准并成功实施；美国在同期发展了窄带码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）（空中接口是IS-95A）。第二代移动通信是非常成功的移动通信系统，比较完美地解决了移动中的语音通信需求并提供了一些数据业务。
GSM的原意是“移动通信特别小组”，而随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为泛欧数字蜂窝移动通信系统的代名词。欧洲的专家将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communications”，使之成为“全球移动通信系统”的简称。
GSM的相关工作由欧洲电信标准组织（European Telecommunication Standards Institute，ETSI）承担，在评估了20世纪80年中期提出的基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、CDMA和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）提案之后，最终确定GSM标准的制定基于TDMA技术。GSM是一种典型的开放式结构，具有以下四大特点。
·GSM系统由几个分系统组成，各分系统之间有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互联。同时，GSM系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使GSM系统可以与各种公用通信网实现互联互通。
·GSM系统除了可以承载基本的语音业务外，还可以承载数据业务。
·GSM系统采用TDMA/FDMA及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同时它具有灵活方便的组网结构，可以满足用户的不同容量需求。
·GSM系统的抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。
20世纪90年代中后期，GSM引入了通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS），实现了分组数据在蜂窝系统中的传输，GPRS采用与GSM相同的高斯最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）调制方式，GPRS通常被称为2.5G。
GSM的增强被称为GSM演进的增强型数据速率（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE），通常称为2.75G。EDGE通过在GSM系统内引入更为先进的无线接口来获得更高的数据速率，包括高阶调制（8 Phase Shift Keying，8PSK）、链路自适应等，既针对电路交换型业务，也包括GPRS分组交换型业务。
3GPP组织成立之后，GSM/EDGE的标准化工作由ETSI转移到3GPP，其无线接入部分称为GSM/EDGE无线接入网络（GSM/EDGE Radio Access Network，GERAN）。
演进的GERAN复用了现有的网络架构，并对基站收发信机（Base Transceiver Station，BTS）、基站控制器（Base Station Controller，BSC）和核心网络硬件的影响降为最小，同时在频率规划和遗留终端共存方面实现与现有GSM/EDGE的后向兼容。演进的GERAN还具有一系列的性能目标，包括改进频谱效率、提高峰值数据速率、改善网络覆盖、改善业务可行性以及降低传输时延等。所考虑的技术包括双天线终端、多载波EDGE、减小的传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）和快速反馈、改进的调制和编码机制、更高的符号速率。
GSM/EDGE的网络结构如图1-2所示。基站子系统（Base Station Subsystem，BSS）包括BTS和BSC。BTS主要负责无线传输，通过空中接口Um与移动台（Mobile Station，MS）相连，通过Abis接口（BTS与BSC之间的接口）与BSC相连。BSC主要负责控制和管理，通过BTS和MS的远端命令管理所有的无线接口，主要进行无线信道的分配、释放以及越区切换的管理等，是BSS系统中的交换设备；同时，BSC通过A接口（MSC/VLR与BSC之间的接口）与网络与交换子系统（Network and Switch Subsystem，NSS）相连，提供语音业务等功能，通过Gb接口（SGSN与BSC之间的接口）与GPRS核心网相连，提供分组数据业务功能。
窄带CDMA空中接口规范由美国电信产业协会（Telecommunication Industry Association，TIA）制定。TIA于1993年完成了窄带CDMA空中接口规范 IS-95A的制定工作，1995年最终定案。1997年，TIA在IS-95A规范的基础上完成了IS-95B规范，增加了64kbit/s的传输能力，IS-95A和IS-95B是窄带CDMA的空中接口标准。
窄带CDMA的网络结构如图1-3所示，与GSM的网络结构相似。CDMA系统主要由以下三大部分组成：网络子系统NSS、基站子系统BSS和用户终端MS。NSS含有CDMA系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能；BSS由BTS和BSC组成；MS定义为移动台（终端）。
CDMA空中接口的关键技术主要包括扩频技术、功率控制技术、分集接收和切换。
·扩频技术
扩频通信的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽，在CDMA系统，信号速率为9600bit/s，而带宽达到了1.23MHz，是信号速率的100多倍，因此可以降低对接收机信噪比的要求，可带来的好处有：抗干扰性强、误码率低；易于同频使用、提高了无线频谱利用率；抗多径干扰，自身具有加密功能、保密性强。
·功率控制技术
CDMA系统中各个设备使用同一频率，形成了系统内部的互相干扰，为了减少距离基站较近的终端对距离基站较远的终端的干扰，CDMA系统需要调整终端的发射功率，使各个终端到达基站的功率基本相同，这就需要功率控制。终端功率控制有开环功控和闭环功控两种：开环功控只涉及终端；闭环功控需要基站和终端共同参与，闭环功控进一步可细分为内环功率控制和外环功率控制。
·分集接收
为了对抗信号衰落，CDMA使用多种分集技术，包括频率分集、空间分集和时间分集三种。时间分集也就是通常所说的Rake接收，即同时使用多个解调、解扩器（Finger）对接收信号进行解调、解扩，然后将结果合并，从而达到提高信号的信噪比、降低干扰的目的。
·切换
CDMA系统支持多种切换方式，包括同一个载频间的软切换和更软切换以及不同载频间的硬切换。软切换和更软切换是CDMA系统特有的切换方式。软切换的定义是终端在切换时同时和相邻的几个基站保持联系；更软切换的定义是终端在同一个基站的几个扇区内切换。（更）软切换建立在Rake接收的基础上，具有切换成功率较高，可避免乒乓效应等优点。
面向第三代（3G）移动通信系统的研究工作起步于1990年初，1996年ITU命名第三代移动通信系统为国际移动通信系统-2000（IMT-2000），这个命名有3层含义：系统工作在2000MHz频段；最高业务速率可达2000kbit/s；预计在2000年左右实现商用。
IMT-2000最主要的工作是确定第三代移动通信系统的空中接口，1999年，最终确定在第三代移动通信系统中使用5种技术方案。其中，WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大流派采用CDMA技术，这是3G的主流技术。WCDMA和TD-SCDMA由3GPP组织制定，CDMA2000由3GPP2组织制定。SC-TDMA和MC-TDMA采用了TDMA技术。因为SC-TDMA和MC-TDMA与中国没有关系，所以本书集中讨论CDMA技术。
IMT-2000定义的第三代移动系统的需求主要包括以下8项内容。
·最高可达2Mbit/s的比特速率。
·根据不同的带宽需求支持可变的比特速率。
·支持不同服务质量要求的业务，例如，语音、视频和分组数据复用到一条单一的连接中。
·时延要求涵盖了从时延敏感型的实时业务到比较灵活的尽力而为型的分组数据。
·质量要求涵盖从10%的误帧率到10-6的误比特率。
·与2G系统的共存，支持为增加覆盖范围和负载均衡而要在两种系统之间进行切换的其他功能。
·支持上、下行链路业务不对称的服务。
·支持FDD、TDD两种模式的共存。
日本和欧洲分别于1997年和1998年选择了WCDMA空中接口技术。全球WCDMA技术规范活动归并为3GPP的目的是，要在1999年底制定首套技术规范，史称Release 99。WCDMA的无线接入方式称为UMTS陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN），UTRAN是通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）中最重要的无线接入方式，使用范围最广。
UTRAN的网络结构如图1-4所示。UTRAN包含一个或多个无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）。RNS是UTRAN内的一个子网，它包括一个无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）、一个或多个NodeB。RNC通过Iur接口彼此互联，而RNC和NodeB通过Iub接口相连。RNC是负责控制无线资源的网元，其逻辑功能相当于GSM的BSC，RNC通过Iu CS接口连接到电路交换（Circuit Switched，CS）域的移动业务交换中心（Mobile Switching Centre，MSC），通过Iu PS连接到分组交换（Packet Switched，PS）域的SGSN。NodeB的主要功能是进行空中接口物理层的处理（如信道编码和交织、速率匹配、扩频等），它也执行一些基本的无线资源管理工作。例如，内环功率控制，从逻辑上讲，NodeB对应GSM的BTS。
WCDMA空中接口的主要特征包括以下7项。
·WCDMA是一个宽带直接序列码分多址（Direct Sequence-Code Division Multiple Access，DS-CDMA）系统，即通过由CDMA扩频码产生的伪随机比特（称为码片）与用户数据相乘，从而把用户信息比特扩展到较大的带宽上去。
·使用3.84M chip/s的码片速率需要大约5MHz的载波带宽，WCDMA所固有的宽载波带宽使其能支持的用户数据速率较高以及支持多径分集增强。
·WCDMA支持两种基本的工作模式：频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）和时分双工（Time Division Duplex，TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用单独的5MHz的载波；在TDD模式下，只使用1个5MHz的载波，在上下行链路之间分时共享。
·WCDMA支持异步基站工作模式，不需要使用一个全局的时间基准。因为不需要接收GPS信号，所以室内小区和微小区的部署变得简单了。
·WCDMA在设计上要与GSM协同工作，因此，WCDMA支持与GSM之间的切换。
·由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径衰落信号，WCDMA使用快速功率控制和Rake接收机在内的分集接收能力缓解信号功率衰落的问题。
·WCDMA支持软切换和更软切换，可以有效地减轻远近效应造成的干扰。
Release 99版本刚完成，研究组的工作就开始集中到对Release 99做必要的修改和确定一些新特性上。由于版本的命名方式有所调整，2001年3月发布的版本称为Rel-4，Rel-4只对Release 99版本做了细微的调整。相对Rel-4版本，Rel-5版本则有较多的补充，包括高速下行分组接入（High-Speed Downlink Packet Access，HSDPA）和基于IP的传输层。Rel-6版本引入了高速上行分组接入（High-Speed Uplink Packet Acces，HSUPA）和多媒体多播广播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）。Rel-5和Rel-6版本对移动宽带接入定义了基准要求，而在Rel-7、Rel-8和Rel-9版本中，高速分组接入（High-Speed Packet Access，HSPA）的演进进一步提升了HSPA的能力，并且在Rel-10和Rel-11版本中有所发展。
WCDMA版本演进的一个显著特征是通过高阶调制方式、多载波技术和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，实现了更高的峰值速率。Rel-6版本中下行链路的峰值比特速率为14Mbit/s，上行链路的峰值比特速率为5.76Mbit/s。随着双小区HSPA技术（DC-HSPA）以及3载波和4载波的使用，加之更高阶调制方案的实施（下行链路为64QAM，上行链路为16QAM）和多天线解决方案（即MIMO技术），下行链路和上行链路的数据速率都有明显的提升。Rel-9版本中的下行链路峰值比特速率为84Mbit/s，上行链路的峰值比特速率为24Mbit/s。图1-5所示的为HSPA极限峰值速率的演进路线，并给出了达到极限峰值速率的条件。
时分同步码分多址（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TDSCDMA）的技术细节由3GPP完成，1999年12月，在3GPP RAN第7次全会上，正式确定了TD-SCDMA和UTRA TDD标准的融合原则。在2001年3月的3GPP RAN第11次全会上，TD-SCDMA被正式列入3GPP关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3GPP Rel-4版本中。TD-SCDMA的行业标准由中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）的第五技术委员会（TC5）制定，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细技术规范，并由原信息产业部在2006年1月20日正式颁布。
除了双工方式采用TDD而非FDD之外，TD-SCDMA与WCDMA/HSPA的主要差别在于低码片速率（1.28M chip/s）以及由此导致的大约1.6MHz载波带宽，以及可选的高阶调制方式（8 PSK）和不同的5ms时隙帧结构。
TD-SCDMA反映到3GPP标准中的一些功能都源自CCSA内部的工作，这些功能包括以下两项具体内容。
·多频点操作
在此模式下，单小区可支持多个1.28M chip/s的载波。只在主载波频点上发送广播信道（Broadcast Channel，BCH）以便降低小区间的干扰，主频点上的载波包含所有公共信道，而业务信道既可以在主载波上传输，也可以在辅载波上传输，各终端只能在单个1.6MHz载波上运行。
·多载波HSDPA
在采用多载波HSDPA的小区中，高速下行共享信道（High Speed-Downlink Shared Channel，HS-DSCH）可以在多于一个载波上发送给终端，规范还为最多6个载波定义了一个UE能力级。
CDMA 2000是在IS-95的蜂窝移动通信标准下演进而成的，当成为更为全球化的IMT-2000技术时，更名为CDMA 2000，并且其标准化工作也由TIA转移到3GPP2，3GPP2是3GPP的姐妹组织，3GPP2致力于CDMA 2000的规范工作。CDMA标准经历了与WCDMA/HSPA类似的演进过程，在其不同的演进过程中，与WCDMA/HSPA一样，关注的焦点从语音和电路交换型数据逐步转移到数据和宽带数据，所采用的基本原理与HSPA非常类似。
CDMA 2000的演进路线如图1-6所示。CDMA 20001X标准正式被ITU接纳为IMT2000之后，为更好地支持数据业务而启动了两条并行的演进路线，第一条称为演进-只支持数据（EVolution-Data Only，EV-DO）继续作为演进主线，也称为高速分组数据（High Rate Packet Data，HRPD）；另一条并行路线为演进-集成数据与语音（EVolution-Data and Voice，EV-DV），以便在同一载波上同时支持数据和电路交换业务，现在EV-DV已经不在3GPP2继续演进。
图1-6还展示了超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB），一个基于OFDM的标准，包括支持多天线传输和最高达20MHz的信道带宽等。UMB与LTE所采用的技术和功能类似，其中一个主要的区别在于UMB在上行链路上使用OFDM，而LTE采用单载波调制，UMB不支持CDMA2000的后向兼容。目前，虽然UMB没有得到应用，也不在3GPP2进一步发展，但是来自UMB的一些功能，最著名的是基于OFDM的多天线方案已被采纳，同时此方案作为EV-DO版本C中相应功能的基础。
为了应对宽带接入技术的挑战，同时为了满足新型业务需求，3GPP标准组织在2004年底启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术（也称为Evolved UTRAN，E-UTRAN）和系统架构演进（System Architecture Evolution，SAE）的标准化工作。在LTE系统设计之初，其目标和需求就已非常明确。
·带宽
支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz的信道带宽，支持成对的和非成对的频谱。
·用户面时延
系统在单用户、单流业务以及小IP包的条件下，单向用户面时延小于5ms。
·控制面时延
空闲态到激活态的转换时间小于100ms。
·峰值速率
下行峰值速率达到100Mbit/s（2天线接收）、上行峰值速率达到50Mbit/s（1天线发送），频谱效率达到3GPP Rel-6的2～4倍。
·移动性
在低速（0～15km/h）的情况下，其性能最优；遇到高速移动（15～120km/h）的情况，仍支持较高的性能；系统在120～350km/h的移动速度下，依然可用。
·系统覆盖
在小区半径5km的情况下，系统吞吐量、频谱效率和移动性等指标符合需求定义要求；小区半径在30km的情况下，上述指标略有降低；系统能够支持100km的小区。
2008年12月，3GPP组织正式发布了LTE Rel-8版本，它定义了LTE的基本功能。
在无线接入网架构方面，为了达到简化流程和缩短时延的目的，E-UTRAN舍弃了UTRAN传统的RNC/NodeB两层结构，完全由多个eNodeB（简称eNB）的一层结构组成，E-UTRAN的网络架构如图1-7所示。eNodeB之间在逻辑上通过X2接口互相连接，也就是通常所说的Mesh型网络，可以有效地支持UE在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。每个eNodeB通过S1接口与MME/S-GW相连接，1个eNodeB可以与多个MME/S-GW互联。与UTRAN系统相比，E-UTRAN将NodeB和RNC融合为一个网元eNodeB。因此系统中将不再存在Iub接口，而X2接口类似于UTRAN系统中的Iur接口，S1接口类似于UTRAN系统中的Iu接口。
eNodeB是在UMTS系统NodeB原有的功能基础上，增加了RNC的物理层、MAC层、RRC层，以及调度、接入控制、承载控制、移动性管理和小区间无线资源管理等功能。也就是说，eNodeB实现了接入网的全部功能。MME/S-GW则可以看成一个边界节点，作为核心网的一部分，类似UMTS的SGSN。
E-UTRAN无线接入网的结构可以带来的好处体现在以下3个方面。
（1）网络扁平化使系统的时延减少，从而改善了用户体验，可开展更多业务。
（2）网元数目减少，使网络部署更为简单，网络维护更加容易。
（3）取消了RNC的集中控制，避免单点故障，有利于提高网络稳定性。
在物理层方面，LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。
LTE下行传输方案采用传统的带循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的OFDM，每个子载波间隔是15kHz（MBMS也支持7.5kHz），下行数据主要采用QPSK、16QAM、64QAM这3种调制方式，业务信道以Turbo编码为基础，控制信道以卷积码为基础。MIMO被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术，是LTE提高系统效率的最主要手段。下行MIMO天线的基本配置为：基站侧有2个发射天线，UE侧有2个接收天线，即2×2的天线配置。
LTE的上行传输方案采用带循环前缀的峰均比较低的单载波FDMA（Single CarrierFDMA，SC-FDMA），使用DFT获得频域信号，然后插入零符号进行扩频，扩频信号再通过IFFT，这个过程也简写为DFT扩频的OFDM（DFT Spread OFDM，DFT-S-OFDM）。上行调制主要采用QPSK、16QAM、64QAM。上行信道编码与下行相同。上行单用户MIMO天线的基本配置为：UE侧有1个发射天线，eNodeB有2个接收天线，上行虚拟MIMO技术也被LTE采纳，作为提高小区边缘数据速率和系统性能的主要手段。
Rel-8和Rel-9是LTE的基础，提供了高能力的移动宽带标准，为了满足新的需求和期望，在Rel-8/Rel-9版本的基础上，LTE又进行了额外的增强，并增加了一些新的特征，LTE版本的演进如图1-8所示。
Rel-10版本在2010年底完成，标志着LTE演进的开始，Rel-10无线接入技术完全满足IMT-Advanced的需求，因此Rel-10及其后的版本也被命名为LTE-Advanced，简称LTE-A。Rel-10支持的新特征包括载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、中继（Relay）、异构网络（Heterogeneous Network，HN），同时对MIMO技术也进行了增强。
Rel-11版本进一步扩展了LTE的性能和能力，在2012年年底冻结，Rel-11支持的新特征包括协作多点（Coordinated Multiple Point，CoMP）传输和接收，引入了新的控制信道ePDDCH，支持跨制式（即FDD和TDD）的载波聚合。
Rel-12版本在2014年完成，主要聚焦在小基站（small cell）的特征。例如，双连接、小基站开/关、动态（或半动态）TDD技术，引入了终端直连（Device-to-Device，D2D）通信和低复杂度的机器类通信（Machine Type Communications，MTC）。
Rel-13版本在2015年冻结，标志着LTE Advanced Pro的开始。在某些时候，Rel-13也被称为4.5G技术，被认为是第一个LTE版本和5G NR空口的中间技术。作为对授权频谱的补充，Rel-13引入了授权频谱辅助接入（License Assisted Access，LAA）以支持非授权频谱，改善了对机器类通信的支持（即eMTC和NB-IoT），同时在载波聚合、多天线传输、D2D通信等方面进行了增强。
Rel-14版本在2017年第一季度完成，除了在非授权频谱等方面对前面的版本进行增强外，Rel-14支持车辆对车辆（Vehicle-to-Vehicle，V2V）通信和车辆对任何事（Vehicleto-everything，V2X）通信，以及使用较小的子载波间隔以支持广域广播通信。
Rel-15版本在2018年年中完成，减少时延（即短TTI）和无人机通信是Rel-15的两个主要特征。
总之，除了传统的移动宽带用户案例（Use Case）外，后续版本的LTE也在支持新的用户案例并且在未来继续演进。LTE支持的用户案例也是5G的重要组成部分，LTE支持的功能仍然是非常重要的，同时也是5G无线接入的非常重要的组成部分。
从2012年开始，ITU组织全球业界开展5G标准化前期研究工作，2015年6月，ITU正式确定IMT-2020为5G系统的官方命名，并明确了5G的业务趋势、应用场景和流量趋势，ITU的5G标准最终将在2020年年底发布。
5G标准的实际制定工作由3GPP组织负责，3GPP组织最早提出5G是2015年9月在美国凤凰城召开的关于5G的RAN工作组会议上。这次会议旨在讨论并初定一个面向ITU IMT-2020的3GPP 5G标准化时间计划。根据规划，Rel-14主要开展5G系统框架和关键技术研究，Rel-15作为第一个版本的5G标准，满足部分5G需求，Rel-16完成第二版本5G标准，满足ITU所有IMT-2020需求，并向ITU提交。5G的空中接口技术英文称为New Radio，即NR；5G核心网标准称为5G Core网，即5GC。
3GPP成立于1998年12月，多个电信标准组织伙伴签署了《第三代伙伴计划协议》。3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用技术规范。第三代移动通信系统（3G）基于的是演进的GSM核心网络和它们所支持的无线接入技术，主要是UMTS。随后3GPP的工作范围得到了改进，增加了对第四代移动通信系统（4G）和第五代移动通信系统（5G）的研究和标准制定。
目前，欧洲的欧洲电信标准组织（European Telecommunication Standards Institue，ETSI）、美国的电信产业协会（Telecommunications Industry Association，TIA）、日本的电信技术委员会（Telecommunications Technology Committee，TTC）和无线行业企业协会（Assocication of Radio Industries and Businesses，ARIB）、韩国的电信技术协会（Telecommunications Technology Association，TTA）、印度的印度电信标准发展协会（Telecommunications Standards Development Society India，TSDSI）以及中国通信标准化协会（China Communications Stardards Association，CCSA）是3GPP的7个组织伙伴。此外，3GPP还有5G Americas、5G汽车通信技术联盟（5G Automotive Association，5GAA）、全球移动供应商联盟（Global Mobile Suppliers Association，GSA）、GSM联盟（GSM Association，GSMA）、下一代通信网络联盟（Next Generation Mobile Networks Alliance，NGMN）、小基站论坛（Small Cell Forum，SCF）等19个市场伙伴。这些市场伙伴会在各自的网站上发布一些白皮书或技术报告等文档，阅读这些文档有助于大家更好地理解移动通信发展的趋势。
3GPP组织负责制定移动通信技术规范的工作，也就是3GPP组织负责制定2G GSM、3G WCDMA（TD-SCDMA）/HSPA、4G LTE和5G NR的规范。3GPP技术已经在全球各地广泛部署。
移动通信的标准制定不是一次性的工作，而是一个长期延续的过程，标准化论坛不断演进标准以便满足移动通信业务和功能的新需求，不同的标准化论坛有不同的标准化进程，但是通常包括4个阶段，标准化的阶段与交互过程如图1-9所示。
这些阶段是相互交叠且循环往复的。如在后面的阶段中，由于技术解决方案的需要，可以增加、修改或放弃某些需求。同样，由于测试和验证阶段发现的问题，也可以修改具体规范中的技术解决方案。每个阶段的具体工作内容如下所述。
这个阶段是确定标准的制定所要达到的目的。规范的制定从需求阶段开始，该阶段的持续时间通常很短。
这个阶段是确定主要的组成模块和接口，以及确定要达到的目标。架构设计的原则是如何满足需求，如在制定4G LTE规范的时候，为了满足单向用户面的空口时延小于5ms和简化信令流程的需求，取消了3G WCDMA（TD-SCDMA）系统的RNC，把RNC的大部分功能转移到eNodeB上。该阶段通常会持续很长时间且有可能修改需求。
这个阶段是制定每个接口的详细规范。该阶段是在架构阶段之后，在这个过程中，有可能需要修改前期的架构阶段甚至需求阶段的决定。
这个阶段是证明接口规范可以在真实的设备上工作。这个阶段通常不是由标准化主体来完成，而是由设备商的并行测试和设备商之间的互通性测试来实现的。这个阶段是规范标准的最后验证。在这个阶段，仍有可能发现标准的错误，这些错误有可能修改具体的规范标准。虽然这种现象不常发生，该阶段也可能需要修改架构或者需求。为了验证标准，需要实际的设备，因此产品的实现通常在标准细化阶段或者细化阶段之后。当有稳定的测试规范可以证明设备能够满足规范的需求时，测试和验证阶段也就结束了。
通常标准从制定到商用产品推向市场一般需要一到两年时间。如果标准的制定是零起点，商用产品的面世可能需要更长的时间，因为它是在没有稳定的部件基础上建立起来的。
3GPP共有3个技术规范组（Technical Specification Group，TSG），分别是无线接入网（Radio Access Network，RAN）TSG RAN、业务与系统（Service and System Aspects，SA）TSG SA、核心网与终端（Core Network and Terminal，CT）TSG CT。每个TSG又分为多个工作组（Working Group，WG），3GPP组织架构如图1-10所示。其中，TSG RAN主要负责无线接入的功能、需求和接口的定义，TSG RAN包括以下6个工作组。
·RAN WG1
主要负责物理层的规范。
·RAN WG2
主要负责无线接口层2和层3的规范。
·RAN WG3
主要负责固定的RAN接口。例如，RAN节点之间的接口，以及RAN和核心网之间的接口。
·RAN WG4
主要负责射频（Radio Frequency，RF）和无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）的性能需求。
·RAN WG5
负责终端一致性测试。
·RAN WG6
负责GSM/EDGE（此前是个独立的TSG，称为GERAN）和HSPA（UTRAN）的规范制定。
3GPP按照ITU-R的相关建议开展工作，并且把工作成果提交给ITU-R，作为IMT2000、IMT-Advanced和IMT-2020（NR）的组成部分。组织伙伴有义务识别出各地区的需求，如各地区不同的频带以及特有的地区保护需求，这些需求可能成为标准的选项。规范的发展需要以实现全球漫游和终端自由移动为前提，这意味着地区性的需求在本质上也是全球性的需求，因为漫游的终端需要满足所有地区需求中最严格的需求。地区性的选项将更多地体现在基站的规范中，而不是终端的规范中。
3GPP制定的协议规范以Release（版本）为基础进行管理，平均一到两年就会完成一个新版本的制定，相较于前一个版本，每个新版本都会加入一些新的特征，从建立之初的Rel-99版本到Rel-4版本，再发展到目前的Rel-15版本。其中，LTE从Rel-8版本开始，NR从Rel-15开始。但是在每次的TSG会议后，所有版本的规范都有可能更新，TSG会议通常每年举行4次。
3GPP技术规范由多个系列组成，编号为TS XX.YYY。其中，XX代表的是规范系列号；YYY代表的是该系列内的规范号。在3GPP中，以下系列定义的是与无线接入网相关的规范。
·25系列：UTRA（WCDMA/HSPA/TD-SCDMA）的无线部分。
·45系列：GSM/EDGE的无线部分。
·36系列：LTE、LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro的无线部分。
·38系列：NR的无线部分。
在5G NR的学习过程中，查看3GPP协议是一个必须掌握的技能，这是因为3GPP协议是NR的最全面和最权威的资料。但是3GPP协议中有些内容的表述是不容易理解的，为了更全面地理解协议制定者的意图，有时还需要查看制定协议过程中提交的提案或技术报告，这样才能更容易理解协议的内容。3GPP协议和技术报告可以通过3GPP网站下载；3GPP的提案也可以通过3GPP网站下载。其中，常用的有TSG RAN的提案（文件名以RP开头）、RAN WG1的提案（文件名以R1开头）、RAN WG2的提案（文件名以R2开头）、RAN WG3的提案（文件名以R3开头）、RAN WG4的提案（文件名以R4开头）。
为了更好地推动NR标准的发展，3GPP组织将38系列协议编号分配给NR专用。其中，38.1XX是射频部分的协议；38.2XX是物理层协议；38.3XX是L2和L3层协议；38.4XX是接口协议；38.5XX是终端一致性协议。
38.1XX是射频部分的协议，主要包括以下2个协议。
TS 38.101用户设备（UE）无线传输和接收（User Equipment（UE） Radio Transmission and Reception，UERTR）分为FR1 SA，FR2 SA，FR1和FR2与其他无线接入技术（Radio Access Technology，RAT）的互操作，性能需求等4个部分。
TS 38.104基站（BS）无线传输和接收（Base Station（BS）Radio Transmission and Reception，BSRTR）描述了NR基站最低的RF特性和最低的性能需求，包含FR1和FR2。其中，FR1定义了传导和空间辐射两种要求，FR2仅定义了空间辐射要求。TS 38.104包括工作频段和信道安排、发射端和接收端特性、性能需求等。
TS 38.2XX是物理层部分的协议，主要包括以下7个协议。
物理层概述（Physical Layer；General Description，PLGD）描述的是物理层在协议架构中的位置和功能、物理层其他6个协议的主要内容和相互关系等。
物理层提供的物理层服务（Physical Layer Services Provided By the Physical Layer，PLSP-PL）包括物理层的服务和功能、UE的物理层模型、物理层信道和探测参考信号（Sounding Reference Signal，SRS）同时并行传输以及物理层提供的测量等。
物理信道和调制（Physical Channels and Modulation，PCM）包括帧结构和物理层资源，调制方法、序列产生方法、物理层信号的产生方法、扰码调制和上变频、层映射和预编码，上行和下行物理层信道和参考信号的定义和结构，同步信号的定义和结构等。
复用和信道编码（Multiplexing and Channel Coding，MCC）描述的是传输信道的数据处理过程，包括复用、交织、速率匹配、信道编码。另外，此部分也包括上行控制信息格式和下行控制信息格式等。
控制信道的物理层过程（Physical Layer Procedures for Control，PLPC）包括同步过程、上行功率控制过程、随机接入过程、UE报告控制信息的过程和UE接收控制信息的过程以及组公共信令、BWP操作等内容。
数据信道的物理层过程（Physical Layer Procedures for Data，PLPD）包括下行信道的功率分配、物理下行共享信道的相关过程、物理上行共享信道的相关过程。
物理层测量（Physical Layer Measurements，PLM）包括控制UE/NG-RAN的测量，NR的测量能力等。
TS 38.3XX是L2和L3层的协议，主要包括以下7个协议。
NR和NG-RAN总体描述（NR and NG-RAN Overall Description，NR-NG-RANOD）包括无线网络架构、协议架构、各功能实体功能划分、无线接口协议栈、物理层框架描述、空口高层（L2和L3）协议框架和功能、相关的标识、移动性以及状态转移、调度机制、节能机制、服务质量（Quality of Service，QoS）、安全、UE能力等，同时增加了对垂直功能的支持。
用户设备（UE）在空闲模式和RRC非激活模式下的过程（User Equipment（UE） Procedures in Idle Mode and RRC Inactive State，UEPIMRRCIS）。此部分内容描述了UE在空闲模式和RRC非激活模式下的接入层部分，包括PLMN选择、小区选择和重选、小区保留和接入限制、跟踪区注册、RAN区注册、广播消息接收和寻呼消息接收等。
用户设备（UE）无线接入能力（User Equipment（UE） Radio Access Capabilities，UERAC）包括UE支持的最大速率、SDAP层参数、RLC层参数、MAC层参数、物理层参数、RF参数、测量参数、RAT之间的互操作参数等。
媒体接入控制（MAC）层协议规范（Medium Access Control（MAC） Protocol Specification，MACPS）包括MAC层框架、MAC实体功能、MAC层过程、BWP的相关操作、MAC PDU格式和定义、MAC CE格式和参数定义。
无线链路控制（RLC）层协议规范（Radio Link Control（RLC） Protocol Specification，PLCPS）包括RLC层框架、RLC实体功能、RLC层过程、RLC PDU格式和参数定义。
分组数据汇聚协议（PDCP）层规范（Packet Data Convergence Protocol（PDCP） Specification，PDCPS）包括PDCP层框架、PDCP实体功能、PDCP层过程、PDCP PDU格式和参数定义。
无线资源控制（RRC）层协议规范（Radio Resource Control（RRC） Protocol Specification，RRCPS）包括RRC层框架、RRC层对上下层提供的服务、RRC层过程、系统消息的定义、连接控制、承载控制、RAT之间的移动性、RRC测量、RRC消息及参数定义，网络接口间传输的RRC的消息定义等。
TS 38.4XX是接口协议，主要包括以下4个协议。
架构描述（Architecture Description，AD）包括NG-RAN的整体架构、整体功能描述、信令和数据传输的逻辑划分、gNB-CU/gNB-DU 框架的整体过程，NG、Xn和F1接口以及这些接口与无线接口的交互等内容。
NG应用协议（NG Application Protocol，NGAP）。TS 38.413是NG接口的最主要协议，包括NGAP的功能描述、NG接口相关的信令过程、NGAP过程、NGAP的消息定义。
Xn应用协议（Xn Application Protocol，XnAP）。TS 38.423是Xn接口最主要的协议，包括XnAP的功能描述、Xn接口相关的信令过程、XnAP过程、XnAP的消息定义。
F1应用协议（F1 Application Protocol，F1AP）包括F1AP的功能描述、F1接口相关的信令过程、F1AP过程、F1AP的消息定义。
在阅读3GPP协议的时候，需要注意以下5个方面的内容。
（1）3GPP协议的版本号由3个数字组成，如V15.5.0。其中，最前面的数字15是大版本号，表示技术上的重大修改，如果这部分的版本号数值变大了，表明技术上的改动较大。我们通常所说的协议版本，指的就是大版本号；中间的数字5表示技术上有小的修改，如果该部分的版本号数值变大了，表明与上一版本相比，技术上有小的修改；最后一个数字0表示一些编辑错误的修订，如果只是该版本号发生了变化，就表明几乎没有必要重新阅读新版本的协议。
（2）目前3GPP协议有两类：一类是技术规范（Technical Specification，TS），这类规范必须遵守；另一类是技术报告（Technical Report，TR），是一些厂家做的技术报告，仅作参考，这类规范不一定遵守，但是这类规范对理解和掌握TS很有帮助。
（3）如果刚刚看过某一版本的协议，又发现有新版本的协议了，不需要将整个新协议重新阅读一遍，只需要看协议最后的修改历史，就可以知道协议在哪些方面进行了修改，重新阅读修改的部分即可。
（4）协议的附录有两种，标准的与提供信息的，标准的附录是协议的一部分，具有与协议正文内容同等的意义，是需要执行的标准。提供信息的附录只是为了读者理解该协议而附加的附录，不是协议标准的一部分，实现时可以不完全遵守。
（5）每个知识点的内容是分散在多个协议中的，单独阅读一个协议是不够的，因此在阅读协议的时候，要把与某个知识点相关的几个协议都打开进行阅读，以便做到全面深刻理解该知识点。把NR相关的各个知识点攻克了，就能全面理解NR的标准了，即使后续协议有更新，读者也可以快速地掌握新增加的知识点。
