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为了满足ITU提出的5G性能指标需求（见第2章），顺应移动互联网和垂直行业的发展潮流，5G系统需要在技术框架上进行新的设计 [8] 。
4.4.1 更高的技术指标
技术需求导致的技术框架变化主要体现在以下几个方面。
（1） 高速率： 与4G系统相比，5G需要极大地提高系统速率，达到下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s的峰值速率。为此，5G系统需要通过大规模天线、多流数据传输及支持更大带宽来满足这一需求。
（2） 大带宽 ：4G系统单载波仅支持20 MHz系统带宽，在需要满足更高数据率和系统容量的场景下，需通过载波聚合技术才能实现更大带宽。5G NR标准在设计之初就考虑了更大带宽的需求，在6 GHz以下频段业务信道最大可支持100 M Hz单载波带宽。网络侧和终端侧带宽可以不对等，即基站配置大带宽而终端配置小带宽，网络侧可根据需求灵活配置终端工作在小带宽模式。
（3） 更大的频率适用范围： 5G 对移动通信的可用频率提出了更高的需求，这就要求 5G 系统除支持现有的可用移动通信频率之外，还必须能够灵活地支持新的可用频率。为此，5G NR引入灵活的系统参数设置以支持灵活的可用频率范围。例如，在6 G Hz以下频段，5G N R可支持15 kHz、30 kHz和60 kH z的子载波间隔，可以支持400 MHz～6 GHz的频率使用；而在6 GHz以上频段，则可以支持120 kHz、240 kHz等子载波间隔，从而可以支持26～28 GHz、39 GHz，甚至60 GHz的频率使用。
目前，3GPP也已经开始研究支持60 GHz以上频段的技术标准。
（4） 低时延 ：与4G相比，5G N R提出了更高的时延需求，3GPP定义5G N R控制面时延降至10 ms；用户面时延（单向空口时延）更是降至0.5 ms，以满足URLLC等低时延、高可靠场景的业务需求。针对用户面，5G在帧结构设计上，除了通过更大的子载波间隔降低时隙和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）符号长度，还支持时域上符号级的数据调度，并通过半静态和动态指示两级设计，引入更多上下行转换点，降低用户面时延；在调度流程方面，5G N R设计了上行免调度的传输方式，灵活可配置的传输可进一步降低用户面时延。针对控制面，在空闲态和连接态的基础上引入第三种Inactive（非激活）态。非激活态是位于空闲态和连接态之间的一种中间状态，既节省了终端功耗又能快速进行控制面状态的转换。此外，还可以通过 MEC 方法，实现本地业务分流、本地内容缓存，可以进一步降低端到端业务时延。
（5） 高频谱效率 ：5G NR频谱效率要求，下行峰值为30 bit/s/Hz，上行峰值为15 b it/s/Hz。为此，5G NR 需要采用大规模天线、新波形、新编码、降低开销等多种技术手段，提高系统频谱效率。在大规模天线方面，5G可支持到32端口CSI-RS （Channel State Information Reference Signal，信道状态信息参考信号）设计，支持最大12流正交多用户传输等，提高多用户复用能力和平均频谱效率；在新波形方面，可降低子载波间干扰，将5G NR系统的带宽利用率提高到90%以上，甚至达到98%的带宽利用率；在新编码方面，业务信道采用LDPC（Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码）编码、控制信道采用Polar编码（极化编码），有效提升编译码性能；在降低开销方面，5G NR不再支持全带宽、每子帧周期发送CRS（Cell-Specific Reference Signal，小区特定的参考信号），支持参考信号的按需传输，减少了干扰和开销，进一步提升了频谱效率。
（6） 高可靠性 ：面向5G U RLLC场景（如车联网应用），对高可靠性的需求日渐增高。为实现高可靠传输，5G N R 支持对数据的多次重复传输和灵活资源分配，以保证URLLC业务的可靠性。此外，通过基站向eMBB用户下发信令告知eMBB用户哪些资源被URLLC抢占，以保证eMBB数据传输的可靠性。
（7） 高移动性： 5G系统对移动性的支持大幅提升至500 k m/h，由此带来多普勒频偏增大、信道时变快、抖动大、小区快速切换等挑战。5G在空口物理层设计方面，可通过提供更大的子载波间隔、更高时域密度的参考信号、扩展循环前缀等技术手段应对高铁等特殊场景的挑战。
4.4.2 更高效的协议流程
5G的高层协议流程以4G为基础，在以下几个方面有较大改进。
（1） 系统消息： 引入了按需发送系统消息的方式，必需的系统信息总是周期广播，而对于其他不是所有终端都必需的系统信息，网络可能只在终端有请求的时候才发送。此外，从终端接收角度提出了基于地理区域的系统信息接收方式。例如，某个系统信息在一个特定区域内广播的内容相同，终端在该特定区域内移动或再次进入该区域时，如果相应的系统信息对应的valueTag（值标签）未发生改变，那么终端可以认为之前存储的系统信息依然有效，无须再读取该系统信息。
（2） 随机接入： 由于波束管理技术的引入，随机接入资源（如随机接入前导码和随机接入时频资源）可以与不同的波束相绑定，以便基站选择下行波束发送后续的Msg（消息）2和Msg4。此外，由于引入SUL（Supplemental Uplink，补充上行），终端可根据对 5G 下行载波的测量结果，在两个上行发送载波中选择一个做随机接入，基站在回复随机接入响应时也需要考虑对两组终端分别回应。
（3） 移动性管理： 引入了波束相关的增强机制，在测量配置、小区质量计算、测量上报、切换请求、切换命令等消息中都增加了与波束相关的内容。
（4） 终端状态转换： 由于4G状态转换时延较长，无法满足5G的10 ms控制面时延需求，5G提出一种新的终端状态——去激活态。终端处于去激活态时断开与无线网的连接，但保持与核心网的连接，从而保证终端节点同时实现低时延、低信令开销的快速状态转换。由于去激活态的引入，终端数据发送到基站，通过基站触发寻呼机制，在RAN寻呼区寻呼终端。
（5） 双连接： 5G支持与4G之间的不同制式间的双连接，且新增了不同的控制面、用户面承载，这既能有效利用已有 4G 网络的广覆盖，提高信令的可靠性，又可以有效利用5G网络的高速率、低时延等特点，满足5G不同的技术场景下的特定需求。
（6） 业务QoS保障： 与4G基于SDF（Service Data Flow，业务数据流）的QoS管理不同，5G提供基于QoS流的管理机制，包含两层映射机制。NAS（Non-Access Stratum，非接入层）负责SDF到QoS流的映射，AS（Access Stratum，接入层）负责QoS流到DRB（Data Radio Bearer，数据无线承载）的映射，两层映射相互独立。RAN可以根据NGC的NAS层所提供的QoS Profile（配置文件）灵活地决定对于QoS流的空口处理方式。
4.4.3 4G现网问题的优化
从4G系统的发展历程可以看出，TDD和FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）的帧结构融合，为4G一统全球产业链奠定了坚实的基础。但是从4G的商用部署经验来看，依然暴露出一些问题和局限性，4G的运营经验为全新的5G系统设计提供了重要借鉴，使得 5G 系统设计更加贴近未来应用需求，标准协议的制定更加全面和完善。
（1） 更灵活的资源利用： 4G T DD系统有7种上下行时隙配置，且每种上下行时隙对应的特殊子帧配置方式都比较受限。在现网部署中，针对4G TDD远端基站的干扰问题，仅能通过特殊子帧配置调整GP（Guard P eriod，保护间隔）的长度，且GP可调整的范围也有限，无法灵活有效地解决远端基站干扰问题。此外，4G仅能通过MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播广播单频网络）子帧配置实现部分资源的预留，无法针对前向兼容性灵活预留更多资源。
5G的帧结构设计必须着眼于满足未来不同的应用场景和业务需求，面向多场景支持灵活的系统参数及帧结构配置，具有灵活的前向兼容资源配置能力，以克服上述4G系统帧结构的不足。
（2） 更小的网络干扰： 4G系统中的CRS是始终在每个子帧发送（Always-on）的并且占用全带宽，相邻小区之间的CRS资源位置根据小区ID（Identification，标识）号进行模6频率偏移。因此，在4G全网连续覆盖的场景下，由于CRS参考信号的发送会导致小区间的干扰，尤其是对小区边缘用户的干扰较为严重。同时，CRS参考信号占用了4G系统将近14%的开销，可能造成传输资源的浪费。
在 5G N R 系统中取消了 CRS 的传输，将 CRS 的功能用 CSI-RS、DMRS （Demodulation R eference Signal，解调参考信号）、TRS（Tracking R eference Signal，跟踪参考信号）等带宽和时间可灵活配置的参考信号代替，规避了参考信号Always-on 的传输机制，实现了参考信号的按需传输，可有效降低小区间干扰，提升频谱效率。
（3） 更好的业务信道和控制信道的覆盖匹配： 我国的4G TD-LTE建设飞速发展，截至2018年年底，中国移动4G TD-LTE基站数已经达到241万个。4G网络现有部署站点已达相当规模，且新增站址难度增大，而 5G 商用部署初期主力频段为中频段（如2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz等），普遍比4G所使用的频段高，信号的传播损耗和穿透损耗也更加严重，为了保证5G商用部署在尽可能利用现有4G站址的情况下达到与4G网络基本相同的覆盖能力，针对5G系统控制信道和业务信道的覆盖增强技术是5G系统设计的重要因素。
在5G NR的设计中，从以下几个方面对系统的覆盖进行了增强。
· 广播信道和公共控制信道的波束扫描 ：5G N R在大规模天线系统的设计方面，针对广播信道和公共控制信道传输引入了波束扫描机制，利用波束赋形增益对抗频段升高带来的传播损耗，从而弥补了4G中仅有用户专属业务信道可以获取波束赋形增益导致的控制信道和业务信道覆盖不匹配的缺陷。
· 更高聚合等级的控制信道 ：与4G相比，5G NR在公共控制信道搜索空间的配置上提供更高聚合等级的选项，如16 CCE（Control Channel Element，控制信道单元）聚合等级，进一步保证了公共控制信道的覆盖范围。
· 更长的随机接入信道和上行控制信道 ：为了增强上行覆盖，5G N R在随机接入信道和上行控制信道设计上，支持多次重复的随机接入序列格式，以及上行控制信道长格式，通过时间能量累积达到覆盖增强的效果。
（4） 网络功能部署更灵活： 随着未来AR/VR、高清视频、自动驾驶、智能工厂等新业务的孕育兴起，电信网络正在面临实时计算能力、超低时延、超大带宽等新的挑战，基于现有的 4G 网络架构已无法满足这些新业务的技术需求。5G 引入的MEC是应对这些挑战的关键技术之一。MEC是一种基于移动通信网络的新型分布式计算方式，构建在 RAN 侧的云服务环境，通过使部分网络服务和网络功能脱离核心网络，实现节省成本、降低时延和往返时间、优化流量、增强物理安全和缓存效率等目标。5G ME C不仅是一种新型网络架构和部署方式，更重要的价值体现在支持电信网络的底层开放，从而推动移动通信网络、互联网和物联网的深度融合，是运营商转型诉求下的技术实践和商业实践手段。