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早在2015年，3GPP RAN小组就决定在Release 14中设立新空口（New Radio，NR）研究项目，并启动了6GHz以上频段的信道建模工作。最初的NR标准规范制定工作是通过Release 15中的一个工作项目（Work Item，WI）进行的。为了满足2018年早期大规模试验和部署的商业需求，3GPP承诺加快研究进程，并决定提前完成非独立组网（Non-Standalone，NSA）标准协议，这一时间点比最初设想的2020年更早。2017年底，第一版NR NSA标准问世。2018年2月26日世界移动通信大会开幕前夕，沃达丰和华为在西班牙共同完成了全球首个非独立组网NR通话。在NSA首次交付后，3GPP的大部分工作转移到按时完成Release 15规范制定上，从而形成了第一套完整的NR标准。基于此，在开展NR无线接入技术研究的同时，3GPP开发了一种新的核心网，称为5G核心网（5G Core，5GC）。2018年6月，支持NR独立组网（Standalone，SA）的Release 15协议最终版本面世。Release 15的重点是支持增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）和一部分高可靠低延迟通信（Ultra Reliable Low Latency Communications，URLLC），而大规模机器类型通信（massive Machine Type Communications，mMTC）仍然通过使用基于LTE的机器类型通信技术（如eMTC和NB-IoT）来支持。Release 15版本规范为3GPP继续扩展5G的能力和功能提供了基础，包括支持新的频谱和应用以及进一步增强现有的核心功能。2020年6月完成的Release 16版本规范继续扩展了NR的能力和技术特性，以支持工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）并增强URLLC应用。该版本旨在满足IMT-2020要求，并与Release 15一起，作为提交给ITU-R的完整版3GPP规范。3GPP的最终提案包括两个独立的提案，分别为单一无线接入技术（Radio Interface Technology，RIT）和组合无线接入技术（Sets of Radio Interface Technologies，SRIT）。2020年11月，ITU-R宣布3GPP 5G-SRIT和3GPP 5G-RIT符合IMT-2020愿景和性能要求。
与LTE相比，NR具有以下优势：
● NR系统利用毫米波频段获得足够的频谱资源和广阔的传输带宽以实现极高的数据速率。NR可以在高达100GHz的频率范围内工作，采用异构部署方式将宏基站部署在低频频段，微基站部署在高频频段。
● NR系统的极简（Ultra-lean）设计可以显著提高网络能效并减少在高负载情况下的干扰。与前几代网络不同，NR系统内同步信号、系统广播信息和参考信号仅在必要时传输。
● NR系统具备前向兼容性，并为进一步的增强做好准备，以支持未知的新用例和应用。前向兼容通过自包含和良好限制传输实现，其中自包含是指数据在当前时隙和波束中被检测而无须依赖其他时隙和波束；良好限制传输意味着将传输限制在频域和时域中，以便将来在传统传输的同时引入新的传输类型［Zaidi et al.，2017］。
● 灵活的适应性，适用于更广阔的载频范围、异构部署（宏、微、微微小区）、多样化的应用场景（eMBB，URLLC和mMTC）。NR的物理层设计是灵活且可扩展的，包括调制方案（从mMTC的上行使用二进制相移键控调制到eMBB的下行使用1024QAM）的高度适应性、可扩展的OFDM参数集、具备速率兼容结构的低密度奇偶校验（Low-Density Parity-Check，LDPC）码和灵活的帧结构。
● 以波束为中心的设计方案，使大规模多输入多输出（Massive MIMO）不仅可以用于数据传输，还可以用于控制信令。参考信号可以在时域和频域以可配置的粒度进行波束成形。
与前几代通信系统相比，3GPP 5G系统采用了服务化网络架构（Service-based Architecture，SBA），将网络架构中的元素组成一组面向服务的网络功能（Network Functions，NF）。NF间的交互可以通过两种方式表述。
● 服务化表述，NF通过通用框架的接口使其他授权的NF能够访问其服务。
● 参考点表述，任意两个NF之间的交互由点对点的参考点描述。
5G系统架构旨在支持各种各样的用例，这些用例具有严格的性能要求，但性能要求有时候也会相互矛盾。网络部署可以使用如网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）、软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）和网络切片等技术。5G核心网在设计时遵循了以下关键原则和概念［3GPP TS23.501，2021］。
● 用户面功能与控制面功能分离，允许独立的可扩展性、演进和灵活的部署。
● 模块化功能设计，例如，实现灵活高效的网络切片。将功能设计模块化，以实现灵活高效的网络切片。在适用的情况下，将流程（即网络功能之间的交互）定义为服务，以便可以重复使用它们。
● 每个NF及其NF服务在需要时通过服务通信代理直接或间接地与其他NF进行交互。
● 最小化接入网络（Access Network，AN）和CN之间的依赖关系，将NR网络架构定义为一个集成3GPP和非3GPP接入技术通用AN-CN接口的融合CN。
● 支持统一的认证框架。
● 支持无状态NF，其中计算资源与存储资源解耦。
● 支持能力开放。
● 支持对本地服务和集中服务的并发访问。为了支持低延迟服务和本地数据网络的访问，UP功能可以部署在接入网附近。
● 支持漫游，包括用户归属地路由和本地分流路由。
5G核心网的一些功能与前几代看起来类似，这是因为网络总是需要实现一些基本功能，如认证、计费、资源分配和移动性管理等。然而，为了支持新的网络模式，如网络切片、服务化架构、用户/控制面分离等，5G网络也新增了一些以前没有的重要功能。为了方便实现不同的数据服务和需求，NF已经进一步简化，其中大多数是基于软件实现的，以便它们可以在通用计算机硬件上运行。5G服务化系统架构如图2.6所示，主要由以下NF组成。
图2.6 5G服务化系统架构（该图只展示了一些典型的网络功能，而不是详尽的5GC网络功能列表。）
来源：Secureroot/FreeImages。
● 应用功能（Application Function，AF）：负责应用层的各种服务，包括数据路由、NF交互处理和策略管控等。
● 接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）：负责接收非接入层（Non-Access Stratum，NAS）信令、NAS加密和完整性保护、注册管理、连接管理、移动性管理、接入验证与授权以及上下文管理等。
● 鉴权服务器功能（Authentication Server Function，AUSF）作为鉴权服务器。
● 网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）：负责管理网络对外开放的事件，包含从外部应用中为3GPP网络获取信息、翻译内部或外部信息。
● 网络存储功能（NF Repository Function，NRF）：负责NF登记、管理、状态监测等，包含业务发现功能，维护NF配置文件和可用实例。
● 网络切片准入控制功能（Network Slice Admission Control Function，NSACF）。
● 网络切片特定鉴权及授权功能（Network Slice Specific Authentication and Authorization Function，NSSAAF）。
● 网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）：负责网络切片的选择，确定允许的NSSAI，确定服务于UE的AMF。
● 网络数据分析功能（Network Data Analytics Function，NWDAF）。
● 策略控制功能（Policy Control Function，PCF）：负责策略控制，为控制面功能提供策略规则，访问签约信息用于策略决策。
● 会话管理功能（Session Management Function，SMF）：负责会话管理（会话的建立、修改和释放）、IP地址分配和管理、DHCP功能、NAS消息SM部分的终结点、下行数据通知以及配置UPF的业务流定向，将业务流路由到合适的目的地。
● 统一数据管理（Unified Data Management，UDM）：负责身份验证和密钥协议（Authentication and Key Agreement，AKA）凭证的生成、用户身份处理、访问授权和订阅管理。
● 统一数据存储功能（Unified Data Repository，UDR）。
● 用户面功能（User Plane Function，UPF）：负责数据包路由和转发、数据包检测、QoS处理，作为与数据网络（DN）互连的PDU会话节点，是无线接入技术（RAT）内/RAT间移动性的锚点。
● UE无线能力管理功能（UE radio Capability Management Function，UCMF）。
● 非结构化数据存储功能（Unstructured Data Storage Function，UDSF）。
下一代无线接入网络（Next Generation Radio Access Network，NG-RAN）是5G系统的无线接入部分，由一组连接到5GC的NG-RAN节点组成。该节点可以是gNodeB（gNB）或下一代eNodeB（next-generation eNodeB，ng-eNB）：
● gNB提供NR用户面和控制面协议。
● ng-eNB提供E-UTRA用户面和控制面协议。
gNB（或ng-eNB）负责一个或多个小区内的无线信号处理和无线控制功能。gNB和ng-eNB连接到5GC，更确切地说是连接到AMF进行控制功能，并连接到UPF进行用户数据传输。根据3GPP TS 23.501标准［3GPP TS23.501，2021］，与NG-RAN相关的节点或NF的功能总结如下。
gNB和ng-eNB承载以下功能：
● 无线资源管理功能，负责无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制以及UE上下行资源的动态分配（调度）。
● 负责数据的IP和报头压缩、加密和完整性保护。
● 当无法从UE提供的信息确定AMF的路由时，在UE附加设备处选择AMF功能。
● 将UP数据路由到UPF（s）。
● 将CP信息路由到AMF。
● 负责连接建立和释放。
● 负责调度和传输寻呼消息。
● 负责调度和传输系统广播信息（来源于AMF或OAM）。
● 负责用于移动性和调度的测量报告配置及测量。
● 负责在上行链路中进行传输层的数据包标记。
● 会话管理。
● 支持网络切片。
● 负责QoS流管理和映射到数据无线承载。
● 支持处于RRC INACTIVE状态的UE。
● 负责NAS消息的分发功能。
● 支持无线接入网络共享。
● 支持双连接。
● NR和E-UTRA之间的紧耦合。
● 维护安全性和无线配置以进行UP CIoT 5GS优化。
AMF承载的主要功能如下：
● 作为NAS信令的终止节点。
● 负责NAS信令安全性。
● 负责AS安全控制。
● 负责3GPP接入网移动性管理信息在CN之间的交互。
● 管理空闲模式UE，包括寻呼重传的控制和执行。
● 注册区管理。
● 支持系统内和系统间移动性。
● 接入认证。
● 接入授权，包括漫游权限检查。
● 移动性管理控制（订阅和策略）。
● 支持网络切片。
● 负责SMF选择。
● 负责CIoT 5GS优化的选择。
UPF承载以下主要功能：
● 作为无线接入技术（RAT）内/RAT间移动性的锚点。
● 作为与数据网络（DN）互连的PDU会话节点。
● 负责分组路由和转发。
● 负责数据包检测和执行用户面策略规则。
● 生成流量使用情况报告。
● 负责上行链路分类器功能，用于支持业务流到不同数据网的路由。
● 分支点功能，支持多归属PDU会话。
● 用户面的服务质量（QoS）处理，例如分组过滤、UL/DL速率执行。
● 上行链路流量验证，例如业务数据流（SDF）到QoS流的映射。
● 下行链路分组缓存和下行链路数据通知触发。
SMF承载以下主要功能：
● 会话管理。
● UE IP地址分配和管理。
● UP功能的选择和控制。
● 配置UPF的业务流定向，将业务流路由到合适的目的地。
● 策略执行和QoS的控制部分。
● 下行链路数据通知。
为了满足IMT-2020中定义的性能要求，5G系统在无线接入和组网方面都引入了革命性的技术。主要技术突破包括大规模MIMO、毫米波通信、非正交多址接入、极化码、网络功能虚拟化、软件定义网络、网络切片等。
大规模MIMO，也称为大规模天线阵列、超大规模MIMO、全维度MIMO，是NR的关键组成部分。通过大量的天线，可以将传输能量以极高的精度定向到非常小的区域。定向性可以极大地提高频谱效率和能量效率。大规模MIMO利用低成本、低精度的射频组件实现了成本效益，其中用于常规系统的昂贵高线性功率放大器可以由数百个输出功率在毫瓦数量级的廉价功率放大器所替代。大规模MIMO的其他好处包括空中接口延迟的降低、多接入层的简化以及意外干扰和故意干扰鲁棒性的提升［Larsson et al.，2014］。
NR系统在低频段使用小至中等数量的天线（基站侧在700MHz时支持高达64个发射和接收天线）［3GPP TR38.913，2020］。在这种情况下，可以支持FDD双工方式，即通过在下行传输CSI参考信号（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS），并在上行传输CSI报告来获取CSI。在可用带宽有限的频段下，需要通过比LTE更高分辨率的CSI反馈来实现MU-MIMO和更高阶的空间复用，进而实现更高的频谱效率。在高频段，可以使用具有相同硬件尺寸的大量天线（NR在4GHz时支持高达256个发射和接收天线）来提高波束赋形和MU-MIMO的能力。由于参考信号的数量与发射天线的数量成正比，因此大规模MIMO必须利用信道互易性在TDD模式下运行。在这种情况下，基站通过估算上行链路的信道探测参考信号来获取下行CSI。在下行数据传输中，没有参考信号，应用一些预编码方案（如共轭波束赋形和迫零预编码）来简化UE侧的信号接收。在更高频率（毫米波范围内）中，目前通常需要采用模拟波束赋形实现，这将每个时间单位和无线链路的传输限制为单个波束方向。由于载波波长短，各向同性天线元素在这个频率范围内非常小，因此需要大量的天线元素来保持覆盖范围。即使是控制信道传输也需要在发射和接收端应用波束赋形来抵消增加的路径损耗。为了获取CSI，需要一种新的波束管理过程，其中基站需要及时有序地扫描无线发射候选波束，而UE需要保持适当的无线接收机波束以使其能够接收所选的发射波束。在30GHz和70GHz左右的频段内，NR支持基站侧高达256个天线单元和UE侧高达32个天线单元。
前几代移动通信系统通常在几百兆赫兹到几千兆赫兹的低频段工作。与移动宽带的需求相比，这些频段的频谱资源非常有限，并且这些频段有广泛的应用，如电视广播、卫星通信、雷达、无线电天文和海上导航等。因此，全球频谱资源仍然稀缺。这促使移动网络运营商开始探索未被充分利用的毫米波谱段来提供移动宽带服务。毫米波，也称为毫米频段，是指波长在10mm（相当于30GHz）到1mm（300GHz）之间的电磁波谱。可以想象，移动通信中受益于毫米波的应用案例中有许多，例如低成本光纤替代移动回传、密集毫米波小蜂窝、无线宽带接入和低延迟无压缩高清媒体传输［Rappaport et al.，2013］。3GPP为NR定义了相关频谱，并将其分为两个频率范围：FR1（First Frequency Range），包括从450MHz到6GHz的6GHz以下频段，以及FR2（Second Frequency Range），覆盖24.25～52.6GHz。最初的毫米波计划部署在28GHz（3GPP NR频段n257和n261）和39GHz（3GPP n260），其次是26GHz（3GPP n258）。随着NR服务需求的增加，预计会开放更多的毫米波频段。然而，毫米波在移动网络中的实际部署给射频和天线组件的设计和开发带来了重大的技术挑战。毫米波信号由于水蒸气和氧气的吸收而遭受大气损耗，这种损耗很容易超过常规的自由空间损耗。此外，毫米波信号通常不能穿透钢筋混凝土墙等固体材料。为了弥补如此巨大的传播损耗，毫米波部署时需要在基站和UE两侧使用多元天线阵列将传输能量聚焦到一个小区域。此外，由于NR系统对数据吞吐量要求极高，因此需要更宽的传输带宽。单载波支持高达400MHz以及通过载波聚合技术整体带宽超过1GHz的要求使射频和天线元件的实现更具挑战性。
多址接入是指允许多个用户共享无线资源的技术，是蜂窝通信系统的基本组成部分。在过去的几十年中，蜂窝系统见证了其多址接入方案的突破式演变，包括已经应用于1G到4G蜂窝网络的FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA技术，这些多址方案属于正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）类别，其中每个用户通过在频域、时域、码域或其组合中正交无线资源单元发送或接收用户特定信号。OMA一直是前几代蜂窝通信的首选，因为它简化了收发机设计并减少了多用户干扰。然而，无线资源池在最大活跃用户数方面限制了系统容量。
与OMA相比，非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）允许多个用户共享相同的无线资源单元，提高了系统容量和连接密度。它可以通过多用户干扰消除来实现，但代价是接收端的计算复杂度较高。用户叠加传输（Multi-User Superposed Transmission，MUST）作为NOMA技术的一个特例，在LTE Release 13中进行了研究，且研究主要集中在下行传输［Chen et al.，2018］。根据自适应功率控制和发射端比特标记，MUST方法可分为三类：第一类将两个或多个共同调度用户的编码比特独立映射到星座符号分量上，不需要格雷映射；第二类使用格雷映射，将两个或多个共同调度用户的编码比特联合映射到星座分量上；第三类将编码比特直接映射到复合星座符号上。Release 14的研究项目提出了不同的NOMA方案，如稀疏码多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）、图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）和资源扩展多址接入（Resource Spread Multiple Access，RSMA）。Release 14 LTE指定了支持eMBB下行链路的基于授权的NOMA，通常在无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）连接状态下工作。3GPP Release 15的一个研究项目继续研究发射端的信号处理、多用户接收机设计、复杂度分析以及NOMA相关流程，例如混合自动重复请求（Automatic Repeat Request，ARQ）、链路自适应和功率分配。由于NR中的大规模MIMO带来了巨大的性能增益，因此在NR下行应用NOMA带来的增益有限。因此，Release 16中NOMA研究项目的重点转移到上行链路免授权传输上，旨在降低控制信令开销、传输延迟和设备功耗。
SDN是一种将控制面与数据转发功能解耦的网络范式，它由一个非营利性运营商领导的联盟——开放网络基金会（Open Networking Foundation，ONF）开发。网络控制可以集中在SDN控制器中，底层基础设施被抽象为转发元素池。SDN控制器包含整个网络的全局视图，可以直接编程实现路由、拥塞控制、流量工程和安全检查等网络控制。SDN并没有直接解决网络控制的任何技术挑战，但通过向北向接口开放网络服务，为创造和部署创新解决方案提供了新的机会。SDN控制器通过使用OpenFlow协议，通过南向接口将SDN应用程序的指令解释为底层基础设施的具体配置命令。SDN带来了许多技术上的优势，包括：
● 多厂商网元集中控制。
● 通过抽象底层基础设施以及标准接口公开来实现网络自动化和可编程性。
● 通过部署新的网络应用程序和服务以实现快速创新，无须配置特定元素或等待供应商发布。
● 通过对网元的集中和自动化管理、统一的策略实施，减少了配置错误，提高了网络的可靠性和安全性。
NFV是另一种将软件与硬件分离的网络范式，旨在改变网络部署方式。NFV允许网络运营商将NF部署为虚拟化的软件实例，以取代专用的硬件设备。虚拟化的NF可以在标准通用大容量服务器上运行，并按需在各种位置之间迁移，而不需要安装新设备。NFV具有许多优势，包括：
● 利用IT产业的规模经济，降低设备成本和功耗。
● 缩短新服务的上市时间。
● 灵活性，可以弹性扩展和缩小网络容量。
● 多租户，允许不同的应用程序、用户和租户共享单个平台。
● 促进开放性，实现更广泛的独立软件生态系统。
尽管SDN和NFV在不同组织（ETSI和ONF）下独立发展，但它们可以相互补充。一方面，SDN控制器和SDN应用可以实现典型的虚拟网络功能（Virtual Network Function，VNF），并部署在标准的IT平台上。在NFV管理和编排（Management and orchestration，MANO）的统一控制下，SDN相关软件实例可以在虚拟化的基础设施中灵活地实例化、伸缩、迁移、更新和部署。另外，NFV可以利用SDN支持的网络可编程性来实现各种NF。
网络切片是指在共享物理网络上创建专用逻辑网络的一种技术。通过对功能、隔离机制和管理工具的定制设计，网络切片能够提供网络即服务（Network-as-a-Service，NaaS），以满足垂直行业的多样化需求。根据移动运营商和客户之间的服务水平协议（Service Level Agreement，SLA），实例化一个独立的虚拟网络，称为网络切片。网络切片是一个独立的端到端逻辑网络，具有虚拟资源、拓扑结构、流量和配置规则，但运行在共享的物理基础设施上。通过可扩展的资源分配和灵活的配置，网络切片可以提供定制化的网络功能，例如数据吞吐量、覆盖范围、QoS、延迟、可靠性、安全性和可用性。有各种类型的网络切片，以满足不同用户的特定通信需求。网络切片的主要概念如下。
● 网络切片实例：网络切片实例是一组共享或专用的NF和用于运行这些网络功能的物理或虚拟资源。它形成一个完整的实例化逻辑网络，以满足特定的网络特征，如超高可靠性和超低延迟。实例通常涵盖多个技术域，包括终端、接入网络、传送网、核心网和承载垂直行业的第三方应用的数据中心。
● 网络切片类型：网络切片类型是网络切片实例的高层分类，反映了对不同网络解决方案的需求。5G确定了三种基本类型，即eMBB、URLLC和mMTC，切片类型可以根据5G的需求或演变进一步扩展。
● 租户：租户是网络切片（例如垂直行业）或网络运营商本身的客户，他们利用网络切片实例为用户提供服务。因此，租户通常具有独立的操作和管理策略，这些策略唯一地适用于他们的网络切片实例。
以可接受的复杂度逼近香农容量的极限是过去几十年数字通信编码理论面临的主要挑战。Turbo码通过在编码器处交织信息比特引入编码随机性，可以在合理的复杂度下获得接近最优的性能，并广泛应用于WCDMA、CDMA2000、LTE等3G和4G蜂窝系统中。LDPC码利用变量与校验节点之间的伪随机连接实现编码随机性，由于其极好的性能，被WiMAX的IEEE 802.16e和IEEE 802.16m规范采纳。2009年，Arikan发明了一种新的编码方案，称为Polar码，它开辟了构造纠错码以实现香农容量的开端（Arikan，2009）。Polar码依赖于极化，被视为数字世界的马太效应（强者越强、弱者越弱）。信道极化可以通过将一个给定的二进制输入离散无记忆信道（Binary-input Discrete Memoryless Channel，B-DMC）的多个独立使用转化为一组连续使用的合成二进制输入信道来递归实现。首先，将独立信道转化为两种合成信道：好信道和坏信道；这些信道是极化的，传输单个比特的可靠性略有不同。通过在产生的信道上递归地应用这种极化变换，合成信道的互信息趋于两个极端：接近0（噪声信道）或接近1（无噪声信道）。然后，在无噪声信道上传输信息比特，并将冻结位分配给有噪声的信道，从而获得极限的信道容量。2016年10月，华为宣布使用极化码成功实现了27Gbit/s的下行速率，标志着极化码能够同时满足ITU IMT-2020定义的eMBB（高达20Gbit/s）、URLLC（1毫秒延迟）和mMTC（大规模连接）三类应用场景。极化码可以为5G提供高效的信道编码技术，使其具有更高的频谱效率和线性复杂度的实际解码能力，以最小化实现成本。2016年11月，3GPP批准在5G NR系统控制信道中采用Polar码，在数据信道中采用LDPC码。