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移动通信已经深刻地改变了人们的生活，而且正在渗入社会的各个领域。尽管4G是一代非常成功的移动通信系统 [1] ，很好地满足了移动互联网的发展需求，给人们之间的信息沟通带来了极大的便捷，使得全社会和诸多产业尽享移动通信产业发展带来的红利，但4G采用的LTE技术仍然存在一些不足，同时LTE在商用网络部署中也存在一些未能解决的问题。任何技术的演进和产业的升级换代，都是由于有了业务和应用需求的强大驱动力才得以快速成熟和发展。移动互联网和移动物联网作为5G发展的两大主要驱动力，为未来移动通信的发展提供了广阔的前景。5G定义了三大应用场景 [3] , [5] ，分别是增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）和大规模物联网（Massive Machine Type Communications，mMTC）。其中eMBB主要面向移动互联网，而URLLC和mMTC则面向移动物联网。移动互联网将以用户为中心构建全方位的信息生态系统，近些年来超高清视频、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、远程教育、远程办公、远程医疗、无线家庭娱乐等以人为中心的需求正变得越来越普及，这些陆续出现的新业务需求必然会对移动通信的传输带宽和传输速率提出更高的要求。同时，移动物联网、工业互联网、车联网、智慧电网、智慧城市等垂直行业也在向信息化和数字化快速转型。除智能手机外，可穿戴式设备、摄像头、无人机、机器人、车载船载等终端模组、行业定制终端等移动终端的形态也更加丰富多样。可见，基于5G愿景和不断诞生的各种新业务需求和新的应用场景，4G技术已很难满足，4G向5G技术演进和发展是必然的趋势。下面就LTE技术存在的主要不足以及5G NR（New Radio）中相应的增强和优化进行介绍。
LTE支持的频谱范围主要为低频谱，可支持的最高频谱为TDD的Band42和Band43，在3 400~3 800 MHz范围内。全球LTE实际商用部署网络基本都部署在3 GHz以下的频谱范围内。对移动通信而言，频谱是最珍贵、最稀缺的资源，低频谱可用范围小，而且会被已有移动通信系统长期占用。而随着后续移动通信互联网业务的蓬勃发展，无线通信的需求和传输速率的要求越来越高，在高容量区域4G网络已经出现业务拥塞，因此亟须挖掘出更多的频谱来支持未来移动通信的发展。
结合全球无线电频谱使用情况看，6 GHz以上的频谱范围内还有很丰富的频谱未被利用，因此5G支持FR2（Frequency Range 2，FR2）频率范围（24.25~52.6 GHz）内的毫米波频谱，以更好地满足和解决无线频谱不足的问题。同时，为了解决毫米波传播特性不理想、传播损耗大、信号易受遮挡而阻塞等问题，NR协议引入了波束扫描、波束管理、波束失败恢复、数字+模拟混合波束赋形等一系列技术方案，来保证毫米波传输的正常通信。支持丰富的毫米波频谱是5G NR相比LTE的一个巨大增强点，它可以使得未来5G的部署和业务应用释放出巨大的潜能。
LTE标准定义单载波带宽最大为20 MHz，如果系统带宽超过这个范围，则需要通过多载波聚合（Carrier Aggregation，CA）的方式来支持。载波聚合由于在空口存在辅载波添加和激活过程，以及多载波之间的联合调度，会增加协议和实现的复杂度。同时，多载波聚合的载波之间预留一定的保护间隔（Guard Period，GP），会降低有效频谱效率。此外，LTE载波有效信号的发射带宽仅为载波带宽的90%左右，频谱利用率也有一定损失。经过近十年半导体产业和工艺水平的发展，半导体芯片和关键的数字信号处理器件的处理能力都大幅增强，加之射频功率放大器以及滤波器等半导体新材料、新器件的应用，使得5G设备处理更大的载波带宽成为可能。目前5G NR最终定义低于6 GHz频谱的最大载波带宽为100 MHz，毫米波频谱的最大载波带宽为400 MHz，相比LTE的载波带宽提升了一个数量级，为NR系统支持大带宽、超高吞吐量奠定了更好的基础。
相比LTE，NR还大幅提高了系统带宽的有效频谱效率，通过施加数字滤波器的方式，使得载波的有效带宽由LTE的90%提高到了98%，等效提升了系统容量。
LTE支持FDD和TDD两种帧结构，分别为帧结构类型1和帧结构类型2。而对于TDD帧结构，是通过配置和调整上下行时隙配比来决定上下行业务容量的。LTE对TDD的帧结构定义了7种固定的上下行时隙配比，在小区建立过程中确定。尽管LTE后续演进版本也进行了动态TDD帧结构设计，但对传统UE有限制，且整体方案不够灵活，因此在LTE商用网络中一直未得到实际应用。
NR从设计之初就考虑了帧结构的灵活性。首先，不再区分FDD和TDD帧结构，而是采用将时隙中OFDM符号配置为上行或下行来实现FDD的效果。其次，TDD频谱的上下行配置周期可以灵活配置，如可以通过信令配置为0.5 ms、0.625 ms、1 ms、1.25 ms、2 ms、2.5 ms、5 ms、10 ms等各种周期长度。最后，在一个时隙内的每个符号除了固定配置为上行符号和下行符号外，还可以配置为灵活（Flexible）属性的符号。Flexible符号可以基于物理层控制信道的动态指示，实时生效为下行符号或上行符号，从而达到灵活支持业务多样性的效果。可见，5G NR对TDD帧结构和上下行资源配置提供了巨大的灵活性。
LTE标准中定义OFDM波形的子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）固定为15 kHz，基于OFDM系统的基本原理，OFDM符号时域长度与SCS成反比，因此LTE的空口参数是固定的，没有灵活性。LTE支持的业务主要还是传统的移动互联网业务，拓展支持其他类型业务则会受限于固定的底层参数。
NR为了更好地满足多样化的业务需求，支持多种子载波间隔。SCS以15 kHz为基准并以2的整次幂为倍数进行扩展，包含15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz等多种子载波间隔的取值，伴随着SCS的增加，对应的OFDM符号长度也等比例缩短。由于采用了灵活的子载波间隔，因此可以适配不同的业务需求。例如，URLLC的低时延业务需要较大的子载波间隔来缩短符号长度进行传输，以降低传输空口时延。而大连接的物联网类mMTC业务则需要缩小子载波间隔，通过增大符号传输时长和功率谱密度来提升覆盖距离。
NR支持的毫米波频谱的载波带宽往往比较大，且多普勒频偏也相对较大，因此高频谱载波适合采用较大的子载波间隔（SCS），抵抗多普勒频移。同理，针对高速移动场景，也适合采用较大的子载波间隔。
可见，NR通过支持灵活的参数集和高低频统一的新空口框架，为后续5G多种业务的灵活部署和多业务共存奠定了良好的技术支撑。
LTE协议中定义的数据调度和传输的时间间隔以1ms子帧为基本单位，正是这种固有的设计导致了一次空口数据传输无法突破1ms的时间单位限制。再加上LTE的HARQ重传至少 N +4的时序定时关系，使得LTE的空口时延很难满足低时延的业务要求。尽管LTE在后续演进的协议版本中引入了缩短传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）的技术方案，但受限于LTE整个产业进度、开发成本以及部署需求不强烈等实际因素，TTI技术在LTE商用网络中的实际应用概率极低。
针对空口时延问题，5G NR在设计之初就在多个技术维度上进行了考虑和优化。
首先，NR采用了灵活的子载波间隔（Sub-carrier Spacing，SCS），针对低时延业务可以通过采用大子载波间隔来直接缩短OFDM符号长度，从而降低了一个时隙的时间长度。
其次，NR支持了符号级别（Symbol-level）的资源分配和调度方式，下行数据信道的时域资源分配粒度可以支持2、4、7个符号长度，上行则可以支持任意符号（1~14个）长度的资源调度。采用符号级调度，可以在数据包到达物理层时，不用等到下一帧边界或下一个时隙边界，而是可以在当前时隙的任何符号位置进行传输，这样可以充分降低数据包在空口的等待时延。
最后，除了采用增大子载波间隔和符号级调度机制来降低空口时延外，NR还通过自包含（Self-contained）时隙的方式来降低混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）的反馈时延。自包含时隙的概念就是在一个时隙内包含下行符号、保护间隔符号和上行符号3种不同方向属性的符号，即同一个时隙内包含下行数据信道（PDSCH）传输、保护时间间隔（Guard Period，GP）和下行确认反馈（ACK/NACK）传输，使得UE可以在同一个时隙内完成对下行数据接收译码并快速地完成相应的ACK/NACK反馈，从而大幅降低HARQ的反馈时延。当然，实现自包含时隙对UE的处理能力也提出了很高的要求，非常适合低时延、高可靠（URLLC）的场景。
参考信号设计是移动通信系统设计中最重要的一个技术点，因为接收端对无线信道估计是通过参考信号来获得的，参考信号设计的好坏会直接影响接收端对空口信号的解调性能。在4G系统中，LTE协议定义的小区级公共参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS），可用于小区内所有用户的下行同步保持和频率跟踪，同时也用于LTE用户在空频块编码（Space Frequency Block Code，SFBC）和空分复用（Spatial Division Multiplexing，SDM）等多种传输模式下的解调参考信号，即用户基于CRS获得的信道估计用于下行业务信道（PDSCH）数据的解调和接收。CRS在频域上是占满整个载波带宽的，小区建立后基站就恒定发送，与小区内是否存在用户以及是否有数据传输无关，是一种always-on信号。这种always-on参考信号CRS由于满带宽发送，不但占用较大的下行资源开销，而且还会带来网络中小区间交叠区域的同频干扰。恒定参考信号的发送也会导致基站设备在小区无业务发送时，无法采用射频关断等技术手段来实现有效节能。
针对LTE的公共参考信号CRS存在的这些问题，5G NR在导频设计上做了根本性改进，尽量避免小区级公共信号。例如，在NR系统中小区级的公共信号仅保留了同步信号，其余参考信号都是用户级（UE-specific）的。这样可以减少小区级公共信号固定占用的系统开销，提高频谱利用率。例如，基站有数据发送给UE时，在调度用户业务数据的带宽内才会发送UE-specific的解调参考信号（Demodulation Reference Signal，DMRS）。另外，考虑到5G基站系统会普遍采用大规模天线（Massive MIMO）的波束赋形技术来进行数据传输，数据符号和解调导频采用相同的预编码方式，有数据传输时才发送导频信号，波束赋形发送也会有效降低系统中的干扰。
同时，NR在DMRS导频设计中采用前置导频（Front Loaded DMRS）结合附加导频（Additional DMRS）的设计方案。前置DMRS有利于接收端快速获得信道估计，降低解调译码时延。而引入附加DMRS的目的是满足高速移动场景下对DMRS时域密度的需求。用户在不同移动速度下，基站可以配置时隙内附加导频的数目，以匹配用户的移动速度，为用户获得精准信道估计提供保证。
LTE的空口技术就是OFDM+MIMO，且对MIMO的支持一直在不断演进和增强，LTE的后期版本引入的全维度MIMO（Full Dimension MIMO，FD-MIMO），在水平维度和垂直维度都做到空间的窄波束赋形，可以更好地支持用户的空间区分度。但MIMO技术作为提升无线通信空口频谱效率和系统容量的最重要的技术手段，一直是一个持续追求极致性能的重要方向。
伴随着大规模天线（Massive MIMO）阵列的关键器件的成熟以及设备逐渐具备工程化应用和商业化部署的要求，从5G需求场景定义和系统设计之初，就把Massive MIMO视为NR重要的技术手段和5G商用网络大规模部署的主流产品形态。因此，5G NR在标准化过程中对MIMO技术又做了大量的优化和增强。
首先，NR针对解调导频（DMRS）进行了增强，基于频分和码分的方式使得DMRS可以支持最大12个正交端口，相比LTE可以更好地满足多用户MIMO（MU-MIMO）的性能。其次，NR相比LTE新引入了更高性能的类型2码本（Type2 Codebook），基于CSI-RS的类型2码本可以最佳地反馈空间信道的匹配程度。基站获得UE反馈的高精度码本后，可以更好地实现空间波束的指向性和赋形的精准度，大幅提升多用户多流空分复用的性能。
相比LTE，NR的一个巨大优势是增加了对毫米波频谱的支持。毫米波具有频谱高、波长短、空间传播损耗大、绕射能力弱、穿透损耗大等特点，因此毫米波通信必须要通过极窄的波束对准传输才能保证通信链路的质量。为了解决这些问题，NR采用了数字加模拟混合波束赋形的技术。为了增强覆盖，NR支持对广播信道和公共信道的窄波束扫描机制（Beam Sweeping）。针对控制信道和业务信道，NR引入了波束管理（Beam Management）机制，包含多波束扫描、波束跟踪、波束恢复等技术手段和过程，目的就是使得通信双方的波束对准，自适应地跟踪用户的移动。在此基础上，NR又进一步支持了多天线面板（Multi-panel）的设计，以提升传输的可靠性和容量。
可见，5G针对MIMO技术引入的一系列的增强方案，再结合大规模天线设备本身能力的提升，必然会使得Massive MIMO在5G移动通信系统中释放出巨大的技术优势和经济效益。
LTE在对终端节能方面的技术设计考虑得并不多，主要是非连续接收（DRX）技术。而5G系统的工作带宽增大、天线数增加、传输速率增加等因素，会导致终端上的射频模块和基带信号处理芯片的功耗大幅增加，从而在手机工作过程中造成发热、发烫或待机时间短等问题，这些问题会严重影响用户的体验。
5G针对终端面临的功耗问题，设计了多种技术方案。从时域节能的角度，5G针对连接态用户在配置了非连续接收（DRX）的情况下，新引入了唤醒信号（Wakeup Signal）。由网络侧根据业务量传输的需求来判断是否在DRX激活周期到来前唤醒UE进行数据接收监听。这样可以避免用户在没有数据传输的情况下，进入DRX激活状态，进行额外的业务监听，从而带来不必要的PDCCH检测功耗。另外，5G还引入了跨时隙调度的机制，可以在业务数据不连续和偶发性业务传输情况下，减少UE在解码出PDCCH之前对PDSCH信道数据进行不必要的接收和处理，从时域上降低射频电路的激活时长。
从频域节能的角度，5G引入了带宽分段（BandWidth Part，BWP）的功能。如前文所述，NR的载波带宽相比LTE增大很多，很多核心频谱都可以支持典型的100 MHz载波带宽，大带宽的优势就是可以获得高的传输速率。但如果业务模式是小数据量传输或在业务不连续的情况下，UE工作在大带宽模式下是非常不经济的。BWP的核心就是定义一个比小区的载波带宽和终端带宽能力都小的带宽，当空口传输的数据量比较小时，终端在网络侧的动态配置下工作，在一个较小的带宽内进行收发操作，这样终端的射频前端器件、射频收发器以及基带信号处理模块都可以在一个较小的处理带宽和较低的处理时钟条件下工作，从而工作在一个耗电更低的状态。
另一个在频域上节能的技术手段是针对MR-DC（Multi-RAT Dual Connectivity）和NR CA场景下引入的辅载波（Scell）休眠机制。处于激活态的辅载波，在无数据传输时可以进入休眠模式（Dormant Scell）。UE在休眠模式下可以不用监听PDCCH（Physical Downlink Control Channel），只进行信道状态信息（Channel Status Information，CSI）测量，有数据传输时再快速切换到正常状态进行调度信息监听，从而在不激活辅载波的情况下起到降低UE功耗的效果。
从频域和天线域的角度，5G引入了MIMO层数自适应的功能，网络侧结合对终端数据量传输的需求，再结合BWP的配置可以降低空间传输的层数，使得UE可以降低对MIMO的处理能力和吞吐速率，达到降低终端功耗的效果。
除了上述几种终端节能的技术外，5G还支持放松对UE的无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）测量的要求以降低功耗。例如，UE处于静止或者低速移动时，可以在不影响UE移动性的情况下，采用加大RRM测量周期等方式适当放松测量要求，来减少UE耗电；或者当UE处于空闲态（IDLE）和非激活态（INACTIVE）时，以及未处于小区边缘时，都可以进行适当的RRM测量放松，从而减少UE耗电。
LTE的移动性管理主要基于UE的测量上报，由源基站触发切换请求，并将切换请求发送给目标基站。当收到目标基站的确认回复之后，源基站发起切换流程，并将目标基站的配置信息发送给终端。终端收到该配置消息之后，向目标基站发起随机接入流程，若随机接入过程成功，则完成了切换过程。可见，LTE系统中的小区切换过程，UE需要先在目标小区完成随机接入后，才能进行业务传输，不可避免地会存在短暂的业务中断过程。
为了满足0 ms中断要求以及提高切换的鲁棒性，5G NR针对移动性做了两个方面的主要增强：基于双激活协议栈的切换机制和条件切换机制。
双激活协议栈的切换机制与LTE切换流程类似，终端基于收到的切换命令判断所要执行的切换类型。如果该切换类型为基于双激活协议栈的切换，则终端在释放源小区之前会保持与源小区的数据收发直到终端成功完成与目标小区的随机接入流程。只有当终端成功接入到目标基站后，终端才会基于网络侧的显式信令去释放源小区的连接并停止与源小区的数据收发。可见，终端在切换过程中会存在与源小区和目标小区同时保持连接和数据传输的状态。通过双激活协议栈设计，使得NR可以满足切换过程中0 ms中断时延的指标，极大地提升了用户在移动过程中的业务感知。
条件切换机制的目标主要是提高用户切换的可靠性及鲁棒性，用以解决在切换过程中由于切换准备时间过长导致的切换过晚的问题，或由于切换过程中源小区信道质量急剧下降导致的切换失败的问题。条件切换的核心思想是提前将切换命令内容预配置给UE，当特定条件满足时，UE就可以自主地根据预配置执行切换命令，直接向满足条件的目标小区发起切换接入。由于切换条件满足时UE不再触发测量上报，且UE已经提前获取了切换命令中的配置，因而解决了前面提到的测量上报和切换命令不能被正确接收的问题。特别是针对高速移动场景或在切换带出现信号快速衰落的场景，条件切换能极大地提高切换成功率。
5G NR的协议栈大框架是基于LTE的协议栈来设计的，然而LTE主要以移动宽带业务作为典型应用场景，基本未考虑低时延、高可靠等垂直行业的新业务。5G NR的高层协议栈相对于LTE做了大量的增强和优化，从而更好地支持低时延、高可靠业务，主要包括以下4个方面。
第一，5G NR的媒体接入控制层（Medium Access Control，MAC）增强了MAC PDU的格式。在LTE MAC中，MAC PDU的所有子包头都位于MAC PDU的头部，而在NR MAC中，子包头与相对应的SDU紧邻。换句话说，NR中的MAC PDU包含了一个或多个MAC子PDU，每个子PDU包含子包头和SDU。基于这样的设计，收发端在处理MAC PDU时可以利用类似“流水线”的方式处理MAC PDU，从而提高了处理速度，降低了时延。
第二，5G NR的无线链路控制层（Radio Link Control，RLC）优化了数据包的处理流程，采用了预处理机制。在LTE RLC中，其在生成RLC PDU时，需要收到底层传输资源的指示，也就是说只有当获得了物理层传输资源时才能产生RLC PDU。而对于NR RLC，其在设计之初就去掉了数据包级联功能，支持在没有收到底层资源指示时，就可以提前将RLC PDU准备好，这样可以有效减少在收到物理层资源时再生成RLC PDU的时延。
第三，5G NR的分组数据汇集协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层支持数据包的乱序递交模式。该功能通过网络侧的配置，PDCP层可以支持将RLC层递交过来的完整数据包以乱序模式递交到上层。换句话说，PDCP层在这种递交模式下可以不用等所有数据包都按序到达后再执行向上层递交的操作，从而可以减少数据包的等待时延。
第四，为了提高数据包的传输可靠性，5G NR的PDCP层还支持数据包的复制传输模式。该功能通过网络侧配置，PDCP层可以将PDCP PDU复制为两份相同的数据包，通过将相同的PDCP PDU递交到关联的两个RLC实体，并最终在空口不同的物理载波上或不同的无线链路上冗余传输，来提高传输的可靠性。
LTE系统中通过EPS承载的概念进行QoS（Quality of Service）控制，EPS是QoS处理的最小粒度，单个UE在空口最多支持8个无线承载，对应最多支持8个演进分组系统（Evolved Packet System，EPS）承载进行差异化的QoS保障，无法满足更精细的QoS控制需求。基站对于无线承载的操作和QoS参数设定完全依照核心网的指令进行，对于来自核心网的承载管理请求，基站只有接受或拒绝两种选项，不能自行建立无线承载或进行参数调整。LTE定义的标准化QCI（QoS Class Identifier）只有有限的几个取值，对于不同于当前运营商网络已经预配的QCI或标准化QCI的业务需求，无法进行精确的QoS保障。随着互联网上各种新业务的蓬勃发展，以及各种专网、工业互联网、车联网、机器通信等新兴业务的产生，5G网络中需要支持的业务种类以及业务的QoS保障需求远超4G网络中所能提供的QoS控制能力。
为了给5G多种多样的业务提供更好的差异化QoS保证，5G网络对QoS模型和种类进行了更加精细化的调整。在核心网侧取消了承载的概念，以QoS Flow（QoS流）进行替代，每个PDU会话最多可以有64条QoS流，大大提高了差异化QoS区分度，从而进行更精细的QoS管理。基站自行决定QoS流与无线承载之间的映射关系，负责无线承载的建立、修改、删除，以及QoS参数的设定，从而对无线资源进行更灵活的使用。5G网络中还增加了动态的5QI配置，时延敏感的资源类型，以及反向映射、QoS状态通知、候选QoS配置等特性，从而可以对种类繁多的业务提供更好的差异化QoS保证。
在LTE网络中，采用控制平面和用户平面不分离的网络架构方式，终端的会话管理和终端的移动性管理通过同一个网络实体处理，导致网络的不灵活性和不可演进性。
到了5G时代，5G移动通信的目标是实现万物互联，支持丰富的移动互联网业务和物联网业务，4G的网络架构主要满足语音要求和传统的移动宽带（MBB）业务，已经不能高效地支持丰富多样的业务。
为了能够更好、更高效地满足上述需求，同时，为了支持运营商更好地实现服务的快速创新、快速上线、按需部署等，3GPP采用控制平面和用户平面完全分离的网络架构方式。此种设计方式有利于不同网元独立地扩容、优化和技术演进。用户面既可以集中部署也可以分布式部署，在分布式部署时可以将用户面下沉到更接近用户的网络实体，提升对用户请求的响应速度；而控制面集中管理、统一集群部署，可以提升可维护性和可靠性。
同时，移动网络需要一种开放的网络架构，通过开放网络架构的更改支持不断扩充的网络能力，通过接口开放支持业务访问所提供的网络能力。基于此，3GPP采纳5G服务化网络架构（Serviced Based Architecture，SBA）。基于5G核心网进行了重构，以网络功能（Network Function，NF）的方式重新定义了网络实体，各NF对外按独立的功能（服务）提供功能实现并可互相调用，从而实现了从传统的刚性网络（网元固定功能、网元间固定连接、固化信令交互等）向基于服务的柔性网络的转变。基于服务化的网络架构（Service Based Architecture，SBA）解决了点到点架构紧耦合的问题，实现了网络灵活演进，满足了各种业务灵活部署的需求。