第一章 NR系统概述
写在前面：
本次专题分享的重点在于NR物理层相关内容，NR整体的系统概述这一部分并不是分享的重点，只是稍微简略地说一下，这部分内容在前篇博客所提的书籍中有大量的篇幅介绍，以及绝大部分5GNR科普的文章中也有很多介绍，所以在此简单提过。有需要进一步了解者请留言，多谢。(公众号：手搓物理层)
1.1 NR（5G）发展历程
1.1.1 3GPP与规范协议组
3GPP（第三代合作伙伴计划）成立于1998年12月，最初为第三代移动通信系统制定全球统一的技术规范。随着技术演进，3GPP的工作范围逐步扩展到4G（LTE/LTE-Advanced）、5G（NR）以及当前的6G预研，成为全球移动通信标准的核心制定组织。
3GPP的组织结构分为两层：
PCG（项目协调组）：最高管理机构，负责总体协调、时间计划和工作分配。
TSG（技术规范组）：负责具体技术规范制定，目前包含三个组：
RAN（无线接入网）：负责NR、LTE等无线接口协议，与你关注的物理层直接相关。
SA（系统和业务）：负责网络架构、业务能力、安全等。
CT（核心网与终端）：负责核心网接口、终端协议等。
RAN组下设多个工作组（WG），其中(部分列举)：
RAN1：负责物理层设计，是本专题分享的核心来源；
RAN2：负责层二/层三协议；
RAN4：负责射频性能与频段定义
1.1.2 Release演进：从R14到R19
3GPP以Release（版本）为单位推进标准，每个版本约12~18个月发布一次。与5G NR相关的关键版本如下：
| Release | 冻结时间 | 关键内容 |
|---|---|---|
| R14 | 2017年6月 | 启动5G研究项目（SI），完成“5G需求”和“技术可行性”研究 |
| R15 | 2019年3月（物理层） | 首个可商用的5G NR标准，支持eMBB和基本URLLC，引入FR1/FR2、灵活参数集、SSB、LDPC/Polar等 |
| R16 | 2020年7月 | 增强URLLC、IAB（集成接入回传）、NR-V2X、省电增强，进一步完善mMTC基础 |
| R17 | 2022年3月 | RedCap（轻量化5G）、非地面网络（NTN）、多播广播（MBS） |
| R18 | 2024年3月 | 5G-Advanced第一阶段，引入AI/ML空口增强、全双工、网络节能、增强NR覆盖 |
| R19 | 2024年12月（物理层冻结） | 5G-Advanced第二阶段，进一步增强AI/ML、无源物联网、非地面网络演进等 |
| R20 | 预计2026年 | 持续演进，部分6G技术预研 |
1.2 NR需求及架构
1.2.1 New Radio：从物理层看“新”在何处
NR之所以称为New Radio，并非简单的“LTE升级”，而是在物理层做了颠覆性设计，以支撑多样化的场景需求：
| 特性 | NR设计 | 解决的问题 |
|---|---|---|
| 频率范围 | FR1（410MHz–7.125GHz）、FR2（24.25GHz–71GHz） | 兼顾广覆盖与超大带宽 |
| 信道带宽 | FR1最大100MHz，FR2最大400MHz（随版本增至800MHz/1.2GHz） | 支撑eMBB峰值速率 |
| 参数集（Numerology） | 子载波间隔：15/30/60/120/240 kHz，可灵活配置 | 支持从高速移动（大子载波）到超低时延（短时隙）的不同需求 |
| 帧结构 | 时隙长度随子载波间隔变化，支持微时隙（mini-slot） | 实现URLLC毫秒级时延 |
| BWP（带宽部分） | 终端可在宽载波内动态使用部分带宽 | 降低终端功耗，适配不同设备能力 |
| 波形 | 上行支持CP-OFDM（与下行一致）和DFT-s-OFDM（覆盖受限场景） | 兼顾峰值速率与覆盖 |
| 信道编码 | 数据信道：LDPC；控制信道：Polar | 逼近香农极限，支持高吞吐和可靠传输 |
| 波束管理 | 引入SSB波束扫描、CSI-RS波束测量与上报、波束失败恢复 | 解决FR2高频覆盖问题 |
| 参考信号 | DMRS、SRS、CSI-RS、PT-RS等，按需配置 | 支持高维MIMO、信道跟踪、上行探测等 |
这些设计共同构成了NR物理层的“灵活性”基因，后续各信道的协议细节都是在这个框架下展开的，具体可以参考下图
1.2.2 三大应用场景及其对物理层的要求
ITU在IMT-2020愿景中定义了5G三大场景，直接决定了NR物理层的设计目标：
eMBB（增强型移动宽带）
目标：峰值速率下行20Gbps，上行10Gbps；用户体验速率下行100Mbps，上行50Mbps。
物理层支撑：大带宽（FR2）、高阶MIMO（最高支持32端口）、高阶调制（256QAM）、LDPC高速编码。
uRLLC（超高可靠低时延通信）
目标：空口时延1ms，可靠性99.999%（1ms内）。
物理层支撑：灵活参数集（如60kHz子载波+微时隙）、免调度传输、低码率MCS、短PRACH格式、上行抢占指示。
mMTC（海量机器类通信）
目标：连接密度100万设备/km²，终端功耗极低（续航10年）。
物理层支撑：窄带BWP、低峰均比波形（DFT-s-OFDM）、扩展DRX、RedCap后续演进。
1.2.3 NG-RAN架构与组网选项
NG-RAN（下一代无线接入网）是5G基站的统一架构，包含：
gNB：5G基站，提供NR用户面和控制面。
ng-eNB：增强型LTE基站，可连接5GC（5G核心网）
组网方式：
SA（独立组网）：无线侧使用gNB，核心网使用5GC。是5G目标架构，支持所有5G新特性（如网络切片、URLLC、FR2）。
NSA（非独立组网）：无线侧由LTE eNB和NR gNB共同提供，控制面锚定在LTE，核心网初期使用EPC（4G核心网）。主要用于初期快速部署。
3GPP定义了多种部署选项，常见的有：
SA：Option2（纯NR+5GC）、Option5（ng-eNB+5GC
- NSA：Option1(传统LTE)、 Option3/3a/3x、 Option4/4a、 Option6和Option7/7a/7x是NSA架构
1.3 NR频段及Band
1.3.1 FR1与FR2
3GPP将5G工作频率划分为两个范围，以便区分设计特性和射频要求：
| 频率范围 | 定义范围 | 主要特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| FR1 | 410 MHz – 7.125 GHz | 延续传统蜂窝频段，覆盖与容量均衡 | 城市广覆盖、高速移动、室内浅层覆盖 |
| FR2 | 24.25 GHz – 71 GHz | 毫米波频段，大带宽，但覆盖和穿透能力弱 | 热点高容量、场馆、FWA（固定无线接入） |
其中FR2又细分为：
FR2-1：24.25 GHz – 52.6 GHz（早期定义）
FR2-2：52.6 GHz – 71 GHz（R17引入，需额外考虑相位噪声和链路预算）
1.3.2 常用NR Band
3GPP TS 38.104定义了具体的NR工作频段，5G NR针对FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)和TDD(Time Division Duplex，时分双工)划分了不同的频段，部分工作频段如下所示
| Band | 上行（MHz） | 下行（MHz） | 双工 | 常见名称/应用 |
|---|---|---|---|---|
| n1 | 1920 – 1980 | 2110 – 2170 | FDD | 2.1GHz，重耕UMTS/LTE |
| n3 | 1710 – 1785 | 1805 – 1880 | FDD | 1.8GHz，广泛用于LTE重耕 |
| n5 | 824 – 849 | 869 – 894 | FDD | 850MHz，覆盖优势 |
| n7 | 2500 – 2570 | 2620 – 2690 | FDD | 2.6GHz，容量层 |
| n8 | 880 – 915 | 925 – 960 | FDD | 900MHz，广覆盖 |
| n20 | 832 – 862 | 791 – 821 | FDD | 800MHz，欧洲广覆盖 |
| n28 | 703 – 748 | 758 – 803 | FDD | 700MHz，广覆盖+室内穿透 |
| n41 | 2496 – 2690 | 2496 – 2690 | TDD | 2.6GHz，大带宽（中国移动主力） |
| n78 | 3300 – 3800 | 3300 – 3800 | TDD | 3.5GHz，全球5G主力频段，大带宽 |
| n79 | 4400 – 5000 | 4400 – 5000 | TDD | 4.9GHz，补充容量 |
| n77 | 3300 – 4200 | 3300 – 4200 | TDD | 3.3–4.2GHz，北美/欧洲5G频段 |
FR2典型频段：
n257（26.5–29.5 GHz，TDD）：北美、韩国等毫米波主力。
n258（24.25–27.5 GHz，TDD）：欧洲、日本等。
n260（37–40 GHz，TDD）：美国毫米波频段。
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