既會用也了解：最新一代 5G 核心技術加強版

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既會用也了解：最新一代 5G 核心技術加強版

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內容描述

★由 40 多位全球領先手機製造商 3GPP 標準代表親筆撰寫
★5G✕萬物互聯✕智慧載體✕全球高速覆蓋✕元宇宙✕無線取代有線
台灣在邁向 IT 科技主導國家政策的今日，
通訊將會是和半導體相同重要的技術，
在真正進入全球高速覆蓋的將來，
5G 與 5G 增強技術等終將成為你最紮實的硬知識基礎。
今日 5G 選擇的技術選項，
是在特定的時間、針對特定的業務需求的成熟技術，
當未來業務需求改變、裝置能力提升，
以這些技術為基礎，在設計下一代系統（如 6G）時，
有機會構思出更好的設計。
◎想要透過資深工程師視角第一線深入推動大部分 5G 技術設計的形成嗎？
——如果你想從第一線大廠的工程師中一窺 5G 的奧祕，
知悉諸多現行 5G 技術方案、各個方向的技術遴選、特性取捨、系統設計的過程，
或是想了解 5G 技術 3GPP - R15／R16／甚至是 R17 最關鍵技術未來指引，
本書將會是你最好的選擇！
你將在本書學會…
～5G 技術 R15 至 R16 最關鍵技術與標準化選項最完整說明～
● R15 標準的關鍵技術：核心針對 eMBB 應用場景，並為物聯網產業提供了可擴充的技術基礎
● R16 版本增強技術特性

• URLLC
• NR V2X
• 非授權頻譜通訊
• 終端節能……等
  ● 5G 標準化選項
• 性能因素
• 裝置實現的複雜度
• 訊號設計的簡潔性
• 對現有標準的影響程度……等
  ● 簡單介紹 R17 版本中 5G 將要進一步增強的方向
   
  序/導讀
      行動通訊系統十年一代，從1G到4G，歷經了「模擬、數位、資料、寬頻」四次技術變革，為全世界的億萬使用者帶來了「前所未有」的嶄新感受。尤其是4G技術開啟了行動網際網路時代，深刻改變了人們的生活方式。正當大家滿足於臉書IG、視訊抖音、點餐購物、行動支付、手機遊戲等4G帶來的豐富的行動網際網路應用和便利生活時，行動通訊產業已經將目標從「2C」（針對使用者）轉向「2B」（針對企業），試圖用5G NR（新空中介面）技術推動千行百業向「數位化、行動化、自動化」發展。因此，相較4G「吃喝玩樂神器」的定位，5G技術由於著重增加了對「行動物聯網」的支持，在更大廣度和更多維度上獲得了更廣泛的關注，其意義甚至上升到了國家間高科技競爭主要主導地位的高度，一定程度上也超出了5G技術的開發者們的預料。5G技術的核心是什麼？5G引入了哪些創新？和4G技術上有什麼區別？5G能達到什麼樣的技術能力？相信這些問題是讀者們都很關心的。在筆者看來，5G並不是什麼神奇的、無所不能的技術，它很大程度上繼承了3G、4G的系統設計理念，引入了一系列必要的創新技術，針對各種垂直應用作了一系列專門的最佳化。這些創新和最佳化絕大多數並不是幾個詞、幾句話就能說明白了的「大概念」，而是由很多細緻、精巧的工程改進組成的。本書的目的，就是將這些5G的創新點和最佳化點剖析開，講解給讀者。

    某些「唯技術論」的觀點可能認為5G照搬了4G的核心技術，不過是「寬頻版4G」。誠然，從理論基礎上講，5G沿用了4G LTE的OFDMA（正交分頻多址）+MIMO（多輸入多輸出）核心技術架構。但相比LTE的「簡化版」OFDMA，5G系統設計在時域和頻域上都實現了更大靈活性，能夠充分發揮OFDMA系統的技術潛力，有效支援eMBB（增強行動寬頻）、URLLC（高可靠低延遲通訊）、mMTC（大規模物聯網）等豐富的5G應用場景。同時，5G系統設計也遠比4G要精細、複雜，在LTE設計的基礎上做了很多修改、增強和擴充。所以，本書是以LTE標準為基礎，假設讀者已經了解LTE的基礎知識，著重介紹在5G NR採用的全新和增強的系統設計，解讀5G NR相對4G LTE的「增量」。

    與大部分5G書籍不同，本書採用了「剖析5G標準化過程」的寫法。本書的核心作者在2008年曾撰寫了《3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計》一書。該書的特色，使不僅介紹了LTE標準，而且介紹了「從無到有、從粗到細」的4G系統設計和標準起草過程，出版後受到讀者們的歡迎，被稱為「4G紅寶書」。這說明讀者們對這種寫法的認可。時隔十二年，本書再次採用了這種寫法。本書的四十幾位作者都是OPPO公司的3GPP標準代表，在第一線深入參與、推動了絕大部分5G技術設計的形成，他們提出的很多技術方案也被接受，成為5G標準的一部分。由他們說明各個方向的技術遴選、特性取捨、系統設計的全過程，對讀者是最好的選擇。5G作為一個複雜的系統，每個環節上的技術方案選擇都不是孤立的，單點技術上的最佳方案不一定是對整體系統性能貢獻最大的方案，系統設計的目標是選擇互相轉換、整體最佳的均衡的技術組合。本書在大部分章節中回顧了5G標準化中出現的多種技術選項，介紹各種選項的優缺點，儘量解讀3GPP從中篩選出最終方案的原因和考慮。這不僅包括性能因素，也包括裝置實現的複雜度、訊號設計的簡潔性、對現有標準的影響程度等。如果只是「照本宣科」的對英文技術規範的最終版本進行翻譯和解讀，其實是大可不必非如此周章的。但筆者希望透過說明這一推理、選擇的過程，幫助讀者「既至其然，也知其所以然」，一窺無線通訊系統設計的原則、方法和手段。

    從另一個角度說，今天我們為5G選擇的這些技術選項，只是在特定的時間、針對特定的業務需求、考慮近期的產品研發能力，作出的選擇。未來業務需求變了，裝置能力更強了，今天被淘汰的「次優」選項就有可能變成「最佳」，重新回到我們的視野，成為我們新的選擇。3GPP標準只是指導產品研發的「工具性檔案」，並不具備解讀技術原理和設計思想的功能。如果只把標準化的最終結果展示給讀者，讓讀者誤以為這些設計都是「天經地義的唯一選擇」，仿佛過程中的「優劣比較，糾結取捨」都不曾發生過，呈現給讀者的就只能是一個「片面的5G」。讀者在很多境況下也會感到費解——為什麼偏偏設計成這樣？難道沒有別的選擇嗎？這麼設計有什麼好處呢？。如果是這樣，作為經過了這一過程的標準化親歷者，筆者也覺得是一個很大的遺憾。相反，如果今天的年輕讀者能夠透過這些技術選擇過程批判的、客觀的看待5G標準，在他們設計下一代系統（如6G）的時候，充分汲取5G標準化中的經驗教訓，有機會構思出更好的設計，筆者在本書中的這些回顧、分析和複習工作就是很有意義的了。由於具備這個特色，相信本書不僅可以作為5G研發人員在工作中查閱的一本工具書，也可以成為對廣大通訊專業的大專院校老師學生學習5G的較好的參考書。

    本書分為20個章，除第1章概述之外，第2至第14章可以看作是對5G標準的基礎、核心部分的介紹，這些內容主要是在3GPP R15版本中定義的，其核心還是針對eMBB應用場景，並為物聯網業務提供了可擴充的技術基礎。而從第15章到第19章，我們介紹了在R16版本中定義的「5G增強」技術特性，包括URLLC、NR V2X、非授權頻譜通訊、終端節能等，很多是5G技術不可分割的必要部分。這也是本書沒有在R15 5G標準完成的2019年出版，而是等到R16版本也完成後的2020年再出版的原因。正如前面提到的，5G相對4G等以前的行動通訊系統的最大不同，是增加了對各種物聯網和垂直產業應用的支持。如果只介紹支持eMBB的R15，缺失了R16中的URLLC、V2X、非授權頻段通訊等重要垂直技術，無疑是無法表現5G技術的全貌的。在最後的第20章中，我們還簡單介紹了R17版本中5G將要進一步增強的方向，以及我們對B5G和6G發展趨勢的粗淺看法。

    寫在本書每一章開頭的作者，都是筆者在OPPO標準研究部的同事，他們都是各個技術領域的5G標準專家，其中很多也都曾參加了4G LTE的標準化。在這裡感謝他們為5G國際標準化作出的貢獻。當讀者們使用5G手機的時候，其中有一部分硬體或軟體設計（雖然可能只是很小一部分）也是基於他們的創新和付出。同時也感謝OPPO產學研交易部的秦征、陳義旎為本書的出版作出的貢獻。最後，還要感謝北京清華大學出版社的大力支持和高效工作，使本書能儘早與讀者見面。

    本書是基於作者的主觀角度和有限學識對標準化討論過程和結果的了解，觀點難免有欠周全之處，敬請讀者諒解，並提出寶貴意見。聯繫電子郵件：sj@oppo.com。
——作者

目錄大綱

第 1 章 概述
蘇進喜 沈嘉 著
1.1  NR相比LTE的增強演進
1.2  NR對新技術的取捨
1.3  5G技術、器件和裝置成熟度
1.4  R16增強技術
1.5  小結
第 2 章 5G 系統的業務需求與應用場景
田文強 著
2.1  業務需求與驅動力
2.2  5G系統的應用場景
2.3  5G系統的性能指標
2.4  小結
第 3 章 5G 系統架構
劉建華 楊寧 著
3.1   5G系統側網路架構
3.2   無線側網路架構
3.3   小結
第 4 章 頻寬分段（BWP）
沈嘉 著
4.1  BWP（頻寬分段）的基本概念
4.2  BWP的設定方法
4.3  BWP切換
4.4  初始連線過程中的BWP    
4.5  BWP對其他物理層設計的影響
4.6  小結
第 5 章 5G 靈活排程設計
林亞男 沈嘉 趙振山 著
5.1  靈活排程的基本思想
5.2  5G NR的資源設定設計
5.3  碼區塊組（CBG）傳輸
5.4  NR下行控制通道（PDCCH）設計
5.5  上行控制通道（PUCCH）設計
5.6  靈活TDD    
5.7  PDSCH速率匹配（RATE MATCHING）
5.8  小結
第 6 章 NR 初始連線
徐偉傑 賀傳峰 田文強 胡榮貽 著
6.1  社區搜索
6.2  初始連線相關的公共控制通道
6.3  NR隨機連線
6.4  RRM測量
6.5  RLM測量
6.6  小結
第 7 章 通道編碼
陳文洪 黃瑩沛 崔勝江 著
7.1  NR通道編碼方案概述
7.2  POLAR碼
7.3  LDPC碼
7.4  小結
第 8 章 多天線增強和波束管理
史志華 陳文洪 黃瑩沛 田傑嬌 方昀 尤心  著
8.1  NR MIMO回饋增強
8.2  R16 碼本增強
8.3  波束管理
8.4主社區波束失敗恢復
8.5  輔社區波束失敗恢復
8.6  多TRP協作傳輸
8.7  小結
第 9 章 5G 射頻設計
邢金強 張治 劉啟飛 詹文浩 邵帥 著
9.1  新頻譜及新頻段
9.2  FR1射頻技術
9.3  FR2射頻及天線技術
9.4  NR測試技術
9.5  NR射頻實現與挑戰
9.6  小結
第 10 章 使用者面協定設計
石聰 尤心 林雪 著
10.1  使用者面協定概述
10.2  SDAP層
10.3  PDCP層
10.4  RLC層
10.5  MAC層
10.6  小結
第 11 章 控制面協定設計
杜忠達 王淑坤 李海濤 尤心 著
11.1    系統訊息廣播
11.2    尋呼
11.3 RRC連接控制
11.4 RRM測量和行動性管理
11.5小結
第 12 章 網路切片
楊皓睿 許陽 著
12.1  網路切片的基本概念
12.2  網路切片的業務支持
12.3 網路切片壅塞控制
12.4 漫遊場景下的切片使用
12.5  小結
第 13 章 QOS 控制
郭雅莉  著
13.1  5G QOS模型的確定
13.2  點對點的QOS控制
13.3  QOS參數
13.4  反向映射QOS    
13.5  QOS通知控制
13.6  小結
第 14 章 5G 語音
許陽 劉建華 著
14.1  IMS介紹
14.2  5G語音方案及使用場景
14.3 緊急呼叫
14.4  小結
第 15 章 超高可靠低延遲通訊（URLLC）
徐婧 林亞男 梁彬 沈嘉 著
15.1  下行控制通道增強
15.2  上行控制資訊增強
15.3  終端處理能力
15.4  資料傳輸技術
15.5  免排程傳輸技術
15.6  半持續傳輸技術
15.7  使用者間傳輸衝突
15.8  小結
第 16 章 超高可靠低延遲通訊（URLLC）-高層
付喆 劉洋 盧前溪 著
16.1 工業乙太網時間同步
16.2 使用者內上行資源優先順序處理
16.3. 週期性資料封包相關的排程增強
16.4 PDCP資料封包複製傳輸增強
16.5 乙太網封包表頭壓縮
16.6  小結
第 17 章 5G V2X    
趙振山 張世昌 丁伊 盧前溪 著
17.1   NR-V2X時間槽結構和物理通道
17.2  側行鏈路資源設定
17.3  側行鏈路物理過程
17.4  高層相關過程
17.5  小結
第 18 章 5G 非授權頻譜通訊
林浩 吳作敏 賀傳峰 石聰 著
18.1  簡介
18.2  通道監聽
18.3  初始連線
18.4  資源區塊集合概念和控制通道
18.5  HARQ與排程
18.6  NR-U系統中免排程授權上行
18.7  小結
第 19 章 5G 終端節能技術（POWER SAVING）
左志松 徐偉傑 胡奕 著
19.1 5G終端節能技術的需求和評估
19.2 節能喚醒訊號設計及其對DRX的影響
19.3 跨SLOT排程技術
19.4 多天線層數限制
19.5 輔社區（載體）休眠
19.6 RRM測量增強
19.7 終端側輔助節能資訊上報
19.8 小結
第 20 章 R17 與 B5G/6G 展望
杜忠達 沈嘉 著
20.1    RELEASE 17簡介
20.2    B5G/6G展望
20.3    小結

作者介紹

OPPO 研究院
OPPO 研究院成立於 2018 年 3 月，是引領前沿技術研究，代表 OPPO 公司在學術、標準和應用研究方面最高水準的組織。OPPO 研究院總部位於中國深圳，包括分設於中國、美國、日本、以色列的六大研究所。在語音語義、電腦視覺、資料智慧、情境智慧、材料科學、電源科技、標準協定、軟體架構、硬體架構九大技術領域開展前端研究。其使命是洞察用戶未來生活方式，構建 OPPO 公司的核心技術能力，成就怦然心動的產品與服務體驗。
OPPO 研究院標準研究部是 OPPO 研究院的二級部門，負責標準協議研究，方向涉及 5G/B5G/6G、短距離技術、物聯網平臺技術、影音編解碼等多個關鍵領域。累計向 3GPP 提交標準文稿超過 5,000 篇，對 5G 標準制定做出了貢獻。在全球 20 多個國家和地區申請了超過 3,300 族 5G 發明專利，在 ETSI 已聲明超過 1,000 族 5G 標準專利。
沈　嘉
OPPO 研究院標準研究部資深研究員。自 2005 年開始參與 4G、5G 國際標準化工作，作為主要完成人之一的項目《第四代移動通信系統（TD-LTE）關鍵技術與應用》獲 2016 年度國家科技進步獎特等獎，出版有《3GPP 長期演進（LTE）技術原理與系統設計》一書。
杜忠達
OPPO 研究院標準研究部資深研究員，高級工程師。自 2005 年開始參與 4G、5G國際標準化工作。和他人合著的《5G 無線系統設計與國際標準》一書獲中國工信出版傳媒集團 2020 年優秀出版物專業類一等獎。
張　治
OPPO 研究院標準研究部資深研究員。香港大學博士，有超過 10 年的 3GPP  標準化和研究工作經驗，作為 OPPO 公司的主要代表全程參與了 5G NR RAN1、RAN4 標準化過程。
楊　寧
OPPO 研究院標準研究部部長。北京郵電大學博士，高級工程師，從事 5G 核心標準以及相應增強技術的研究工作，輸出數百項專利及標準化提案。
唐　海
OPPO 研究院副院長。曾就職於大型運營商和通信網路設備商，自 2005 年開始參與 4G、5G 國際標準化工作，曾任 3GPP RAN 全會副主席。