大家好,我叫5G NR,5G家族的一员。最近关于我的传闻太多,言三语四之声不绝于耳,为此本人今天终于鼓起勇气走向前台,揭开神秘的面纱,向大家做一个完整的自我介绍。

5G部署选项

一说到“部署选项”这事,说实话,我觉得自己有点“奇葩”。

大家都知道我的前辈叫“4G”,4G系统构架主要包括无线侧(即LTE)和网络侧(SAE),准确点讲,这个4G系统构架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System,演进分组系统),EPS指完整的端到端4G系统,它包括UE(用户设备)、E-UTRAN(演进的通用陆地无线接入网络)和EPC核心网络(演进的分组核心网)。

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▲EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技术定义

这个EPS是为移动宽带而设计的。

从3G演进到4G,我称之为”整体演进“,即包括接入网和核心网的EPS整体演进到4G时代。

可到了5G我这儿就不一样了,那个3GPP组织把接入网(5G NR)和核心网(5G Core)拆开了,要各自独立演进到5G时代,这是因为5G不仅是为移动宽带设计,它要面向eMBB(增强型移动宽带)、URLLC(超可靠低时延通信)和mMTC(大规模机器通信)三大场景。

于是,5G NR、5G核心网、4G核心网和LTE混合搭配,就组成了多种网络部署选项。

这就像商家推出的多款套餐组合,总有一款适合你。

嗯,主要有这些组合套餐:选项3/3a/3x、7/7a/7x、4/4a为非独立组网(NSA)构架,选项2、5为独立组网(SA)构架。

选项3系列:3/3a/3x

2017年12月完成的3GPP Release 15 NSA NR标准正是基于选项3系列。

在选项3系列中,UE同时连接到5G NR和4G E-UTRA,控制面锚定于E-UTRA,沿用EPC(4G核心网),即“LTE assisted,EPC Connected”。

对于控制面(CP),它完全依赖现有的4G系统——EPS LTE S1-MME接口协议和LTE RRC协议。

但对于用户面(UP),存在变数,这就是选项3系列有3、3a和3x三个子选项的原因。

选项3、3a和3x有啥区别呢?

选项3

选项3其实就是参考3GPP R12的LTE双连接构架,在LTE双连接构架中,UE在连接态下可同时使用至少两个不同基站的无线资源(分为主站和从站);双连接引入了”分流承载“的概念,即在PDCP层将数据分流到两个基站,主站用户面的PDCP层负责PDU编号、主从站之间的数据分流和聚合等功能。

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LTE双连接不同于载波聚合,载波聚合发生于共站部署,而LTE双连接可非共站部署,数据分流和聚合所在的层也不一样。

选项3指的是LTE与5G NR的双连接(LTE-NR DC),4G基站(eNB)为主站,5G基站(gNB)为从站。

但是,选项3的双连接有一个缺点——受限于LTE PDCP层的处理瓶颈。

众所周知,5G的最大速率达10-20Gbps,4G LTE的最大速率不过1Gbps,LTE PDCP层原本不是为5G高速率而设计的,因此在选项3中,为了避免4G基站处理能力遭遇瓶颈,就必须对原有4G基站,也就是双连接的主站,进行硬件升级。

升级后的4G基站,或者说R15版本的4G基站,叫eLTE eNB,同时,迁移入5G核心网的4G基站也叫eLTE eNB,因为5G核心网引入了新的NAS层,这在后面会讲到。e就是enhanced,增强版的意思。

但一定有运营商不愿意对原有的4G基站升级,于是,3GPP就推出了两个“变种”选项——选项3a和3x。

嗯!总有一款套餐适合你!

选项3a

选项3a和选项3的差别在于,选项3中,4G/5G的用户面在4G基站的PDCP层分流和聚合;而在选项3a中,4G和5G的用户面各自直通核心网,仅在控制面锚定于4G基站。

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你不是嫌升级4G基站麻烦吗,这下我跳过4G基站得了。

选项3x

选项3x可谓选项3的一面镜子。为了避免选项3中的LTE PDCP层遭遇处理瓶颈,其将数据分流和聚合功能迁移到5G基站的PDCP层,即NR PDCP层。

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反正我5G基站的处理能力很强嘛,这下不用担心处理瓶颈的问题了。

从目前来看,除了中国运营商,全球很多领先运营商都宣布支持选项3系列,以实现最初的5G NR部署。

原因很简单:

1)选项3系列利旧4G网络,利于快速部署、抢占市场,而且成本还不高;

2)目前5G三大场景中,eMBB是最易实现的,选项3系列可谓是LTE MBB场景的升级版。

比如美国运营商,可选择选项3系列,在现有的LTE网络上搭配他们的5G毫米波固定无线。

这些运营商对选项3家族的青睐程度可表示为:选项3x > 选项3a > 选项3。选项3x面向未来,无需对原有的LTE基站升级投资;选项3a简单朴素;至于选项3,由于要对LTE网络再投资,嫌弃它的人比较多一点。

可是,中国运营商为啥不爱选项3系列呢?至少目前中国电信已宣布5G采用独立部署方式。

因为梦想更大啊!

接下来介绍完选项2你就明白了!

选项2

选项2就是独立组网,一次性将5G核心网和接入网一起”打包“迈进5G时代,与前4G网络少有藕断丝连的瓜葛。

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这种方式的优点和缺点都很明显。一方面,它直接迈向5G,与前4G少有瓜葛,所以减少了4G与5G之间的接口,降低了复杂性。

另一方面,与选项3系列依托于现有的4G系统用5G NR来补盲补热点的方式不同,选择选项2的运营商背后一定隐藏着更大的野心——一旦宣布建设5G网络,就意味着大规模投资,建成一个从接入网到核心网完整独立的5G网络。

选项7系列

选项7系列包括7、7a和7x三个子选项,类似于选项3,可以把它看成是选项3系列的升级版,选项3系列连接LTE核心网(EPC),而选项7系列则连接5G核心网,即“LTE assisted,5G CN Connected”,NR和LTE均迁移到新的5G核心网。

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选项4系列

选项4系列包括4和4a两个子选项。在选项4系列下,4G基站和5G基站共用5G核心网,5G基站为主站,4G基站为从站。

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选项4系列要求一个全覆盖的5G网络,因而采用小于1GHz频段来部署5G的运营商比较青睐这种部署方式,比如美国T-Mobile计划用600MHz部署5G网络。

选项5

选项5将4G基站连接到5G核心网,与选项7类似,但没有与NR的双连接。

也就是说,选择选项5的运营商只考虑核心网演进到5G,但并不将无线接入网演进到5G NR。大概是为了减少投资,而又看好具备网络切片能力的5G核心网吧!估计有些4G专网会喜欢这一部署方式吧!

选项6

已被3GPP残忍抛弃,不再赘述。

总结一下,运营商的5G部署路径主要有三种方式:

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①非独立部署(NSA):LTE + 5G NR毫米波

此种部署方式以美国Verizon和AT&T为代表,在现有的LTE网络上部署5G NR毫米波来补充覆盖热点或部署5G固定无线。

②非独立部署(NSA):LTE + 小于6GHz NR频段

此种部署方式可快速实现更好的5G NR覆盖,但存在4G LTE和5G NR之间的接口和载波聚合等技术的复杂性。

对于非独立部署,演进路径分为两条:

路径一:选项3系列—>选项2:先部署5G无线接入网,再部署5G核心网,最后将5G无线接入网迁移到5G核心网。

路径二:选项3系列—>选项7系列或者选项5:先部署5G无线接入网,再部署5G核心网,最后将4G和5G无线接入网一起接入5G核心网。

③独立部署

就是直接部署一张完整的5G网络,简化了非独立部署向5G核心网迁移的过程,复杂性较低,但更要求完整成熟的5G覆盖和生态。

5G NR频谱

上面提到的各种组合套餐,都离不开最重要的原材料——频谱资源。

5G NR如何定义和分配频谱?

与2/3/4G时代不同,5G频谱分配的基本原则叫Band-Agnostic,即5G NR不依赖、不受限于频谱资源,在低、中、高频段均可部署。

在R15版本中,定义了两大FR(频率范围):

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FR1:

• 450MHz 到 6000MHz

• 频段号从1到255

• 通常指的是Sub-6Ghz

FR2:

• 从24250MHz到52600MHz

• 频段号从257到511

• 通常指的是毫米波mmWave(尽管严格的讲毫米波频段大于30GHz)

与LTE不同,5G NR频段号标识以“n”开头,比如LTE的B20(Band 20),5G NR称为n20。

目前3GPP已指定的5G NR频段具体如下:

FR1

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FR2

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我们再比较一下LTE的频段分配:

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很明显,一些LTE频段也指定给了5G NR,但细心一点你还会发现,在有些频段号上,5G NR频段在LTE 频段上进行了合并或扩展,比如,LTE的B42 (3.4-3.6 GHz) 和B43 (3.6-3.8 GHz) 合并为5G NR的n78(3.4-3.8 GHz),且n77还进一步将其扩展到3.3-4.2GHz。

原因有两点:①满足5G NR的大带宽需求②满足全球运营商在3.3-4.2GHz频段内的5G 部署需求。

第①点不用解释,大家都懂的,主要说说第②点原因。

嗯!其实一张图就看明白了:

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上图是全球各国在C波段的可用频段,可用频段范围参差不齐,而n77的频段范围刚好将其全部覆盖,通吃!

值得一提的是,在FR1中引入了SUL和SDL,即辅助频段(Supplementary Bands),这是什么鬼?

众所周知,手机的发射功率低于基站发射功率,3.5GHz的覆盖瓶颈受限于上行,工作于更低频段的SUL(上行辅助频段)就可以通过载波聚合或双连接的方式与下行3.5GHz配和,从而补偿3.5GHz上行覆盖不足的瓶颈,这大概和华为提出的上下行解耦是一致的吧。

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问题来了,上面列了这么多5G NR频段,先锋频段是哪些?

主要有:n77、n78、n79、n28、n71。

n77和n78,即C-BAND,是目前全球最统一的5G NR频段。

n79也可能用于5G NR,主要推动国家是中国、俄罗斯和日本。

n28就是传说中的700MHz,由于其良好的覆盖性,同样是香饽饽,在WRC-15上已经确定该频段为全球移动通信的先锋候选频段,如果这段频段不能充分利用,实在是太可惜了。

n71就是600MHz,目前美国运营商T-Mobile已宣布用600MHz建5G。

关于毫米波频段,美国、日本和韩国正在试验5G 28GHz毫米波频段,初期要实现5G固定无线接入代替光纤入户的最后几百米。

不过,目前美日韩的28GHz并不在ITU WRC(世界无线电通信大会)考虑范围之内,尽管3GPP列入了这一频段(n257),但最终还需要ITU批准。

至于n258,研究称该频段可能会影响卫星通信系统,或将因为要考虑足够的保护频带而进行调整。

5G NR物理层

波形和多址接入方案

3GPP提出了许多波形选项,这是一道很难的选择题,需考虑与MIMO的兼容性、频谱效率、低峰均功率比(PAPR)、URLLC用例、实现复杂度等多种因素。

目前3GPP Release 15已确定,CP-OFDM支持5G NR的上行和下行,也引入了DFT-S-OFDM波形与CP-OFDM波形互补。CP-OFDM波形可用于单流和多流(即MIMO)传输,而DFT-S-OFDM波形只限于针对链路预算受限情况的单流传输。

对于5G mMTC场景,正交多址(OMA)可能无法满足其所需的连接密度,因此,非正交多址(NOMA)方案成为广泛讨论的对象。

Numerologies

Numerology这个概念可翻译为参数集,大概意思指一套参数,包括子载波间隔,符号长度,CP长度等。

由于5G NR面向三大场景,要适用于大量的用例,因而需要一个可扩展且灵活的物理层设计,并且支持不同的、可扩展的Numerologies。

ODFM的核心思想是将宽信道划分为若干正交子载波,子载波间隔(subcarrier spacing)、符号长度、循环前缀(cyclic prefix,CP)和TTI这一系列参数定义了OFDM如何划分子载波,Numerologies指的就是这些参数的不同搭配。

Numerologies,里面隐藏着博大精深的——权衡之术,这很3GPP。

子载波间隔:

子载波间隔是符号时间长度(Symbol Duration)与CP开销之间的权衡——子载波间隔越小,符号时间长度越长;子载波间隔越大,CP开销越大。为了实现不同Numerologies之间的高复用率,3GPP确定了 ∆f * 2^m的原则。

所谓 ∆f * 2^m,指5G NR最基本的子载波间隔与LTE一样,也是15kHz,但可根据15*(2^m) kHz,m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}灵活扩展,也就是说子载波间隔可以设为3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...(如下表):

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如此一来,子载波间隔可随着其工作频段和UE的移动速度变化而变化,最小化多普勒频移和相位噪声的影响。

CP长度:

CP长度是CP开销和符号间干扰ISI之间的权衡——CP越长, ISI越小,但开销越大,它将由部署场景(室内还是室外)、工作频段、服务类型和是否采用采用波束赋形技术来确定。

每TTI的符号数量:

这是时延与频谱效率之间的权衡——符号数量越少,时延越低,但开销越大,影响频谱效率,建议每个TTI的符号数为2^N个,以确保从2^N到1个符号的灵活性和可扩展性,尤其是应对URLLC场景。

总而言之,不同的Numerologies满足不同的部署场景和实现不同的性能需求,比如,子载波间隔越小,小区范围越大,这适用于低频段部署;子载波间隔越大,符号时间长度越短,这适合于低时延场景部署。

帧结构

甭管你怎么组合,采用哪种Numerologies,5G无线帧和子帧的长度都是固定的——一个无线帧的长度固定为10ms,1个子帧的长度固定为1ms,这与LTE是相同的,从而更好的保持LTE与NR间共存,利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步,简化小区搜索和频率测量。

不同的是,5G NR定义了灵活的子构架,时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。

所以,我们简单将5G帧结构划分为由固定结构和灵活结构两部分组成(如下图)。

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这就好比建房子,框架结构定好了,里面的空间可根据自己需要灵活布置。

物理信道带宽

在小于6GHz频段(FR1)下,5G NR的最大信道带宽为100MHz,在毫米波频段(FR2),5G NR的最大信道带宽达400MHz,远远大于LTE的最大信道带宽20MHz。

但更值得一提的是,5G NR的带宽利用率大幅提升到97%以上(LTE的带宽利用率只有90%)。

如何理解5G NR带宽利用率提升?

做一道计算题:

10MHz的4G信道有50个RB,每个RB有12个子载波,那么10MHz 4G信道总共600个子载波。由于每个子载波有15kHz的间隔,15*600就等于9000kHz或9MHz,这意味着在10Mhz的信道中,只有9MHz被利用,而大约1MHz被留下作为保护频带,所以LTE的带宽利用率只有90%。

以此类推,20MHz的4G信道有100个RB,它仅使用了20MHz带宽中的18MHz;50MHz的4G信道有250个RB...

猜猜看,50MHz的5G信道有多少个RB呢?275个。

如下图,这是在不同的Numerologies下,不同的子载波间隔对应的最小和最大RB数计算表:

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调制方式

上下行OFDM调制+CP:QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

上行DFT-s-OFDM+CP:π/ 2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。

上行增加了π/ 2-BPSK,主要考虑在mMTC场景下,数据速率低,以实现功放的更高效率。

除了π/ 2-BPSK,5G NR与LTE-A使用的调制阶次是相同的,不过3GPP正在考虑将1024QAM引入。

信道编码

在信道编码上,5G NR与LTE完全不同。

众所周知,LTE中控制信道采用TBCC,数据信道采用Turbo码,因为不同信道的有效载荷和需求不同, 5G NR应该与此类似。不过5G NR的数据信道采用LDPC码,代替了LTE的Turbo码;5G NR的广播信道和控制信道采用Polar码,代替了LTE的TBCC码。

为什么数据信道用LDPC码代替Turbo码?

Turbo码的特点是编码复杂度低,但解码复杂度高,而LDPC码刚好与之相反。考虑在eMBB场景下,码块大于10000且码率要达到8/9,这对于解码复杂度高的Turbo码是硬伤,而LDPC的解码算法相对更简单实用,刚好合适。

这就像有首歌唱的,刚好遇见你。

此外,LDPC本质上采用并行的处理方式,而Turbo码本质上是串行的,因而LDPC更适合支持低时延应用。

至于Polar码,尽管提出较晚,但其兼具编码和解码复杂度低的特点,且非常灵活,在任何码长和码率下都具有良好的性能,当然成为了控制信道的不二选择。

多天线技术和波束赋形

考虑5G频谱分配原则为Band-Agnostic,在低、中、高频段均可部署,由于不同的频段有不同的无线特性,因此对MIMO系统的设计也不尽相同。

再回头看看5G的频段分配表,较低的频段工作于FDD模式,FDD上下行工作于不同频段,上下行链路传播特性不同,因此引入下行CSI-RS和上行报告是必需的;同时,低频段的带宽较小,还需支持MU-MIMO来增强容量。对于这些频段,3GPP计划扩展和增强R13和R14的FD-MIMO技术,以支持64、128、256天线阵元,同时提供灵活的CSI采集和波束赋形。

较高的频段工作于TDD模式,TDD上下行工作于同一频段,上下行链路传播特性基本相同,因此可充分利用TDD上下行信道的互易性,使得基站能够直接基于检测上行信道状态信息来确定下行发射预处理策略。

对于高频段的毫米波,由于其传播损耗更大、覆盖距离更短,因此将引入更多数量的天线阵元,以增强波束赋形增益。不过,问题又来了,天线阵元越多,就意味着传统的数字波束赋形技术的系统设计越复杂,成本越高,5G NR就不得不又用到博大精深的权衡之术——混合波束赋形技术。

另外,众所熟知的LTE用多种传输模式(TM)来实现和优化不同场景下的MIMO性能,但这些传输模式之间是无法实现动态切换的,它不能适应动态变化的场景,因此,5G NR将考虑传输模式的动态适应。

5G NR用户面

4G LTE用户面协议栈由PDCP、RLC和MAC层组成,其广泛支持从低速物联网终端到可达1Gbps的高速高端终端,为移动互联网和4G蜂窝物联网时代立下汗马功劳。

5G NR用户面协议栈基于LTE设计,但时代不同,当然有差异。

首先它引入了新的SDAP层,SDAP全称Service Data Adaptation Protocol,这个SDAP层很有意思,我们赶紧来介绍一下。

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我们依稀还记得,网优雇佣军曾经在2016年的时候吐过一次槽(不好意思,没控制住),大意是讲我们的无线网络不具备洞悉流量的能力,痛失实时改善用户体验的机会。

5G以用户为中心,无非就是改善用户体验,当然要谈及QoS。但大家都知道的,4G网络的QoS是由核心网发起的、以承载为基本粒度的,而无线接入网不过是执行核心网的强制策略,就是一个打工的。

这样的QoS机制缺点突出,QoS等级数量有限,无法实时调整,面向缤纷复杂的未来应用,这种预定义式的QoS方式太粗犷且缺乏灵活性。

5G在这方面向前迈进了一大步。5G核心网支持基于IP流而不是EPS承载的QoS控制,从而实现更灵活和更精细的QoS控制。

具体的讲,它通过5G 核心网和基站之间单独的PDU对话隧道来实现多个IP流的独立无线承载映射,在PDCP层之上引入SDAP层,SDAP层执行IP流和无线承载之间的映射。在SDAP层,在封装IP包时,IP头包含这些数据包的QoS标识符 (QFI)。

新引入的SDAP层首次实现了真正的端到端的QoS机制。

另外值得一提的是——PDCP层分集传输。

5G要支持URLLC场景,要实现超可靠低时延通信,但是,无线信号变化莫测,用户行为捉摸不定,无线信号质量的恶化和基站的拥塞均受制于各种不可控因素,要想实现稳定的传输可靠性真的好难啊。

怎么办呢?那就通过载波聚合和多连接技术,使用频率分集的方式来实现对单个终端的传输可靠性。

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如上图所示,数据包在PDCP层处理和复制,并通过每个RLC层,再通过相关的CC发送,接收端处理较早到达的数据包,同时抛弃较晚到达的复制的数据包。

简而言之,就是在多个无线链路上传输相同的数据的方式,来抵御无线环境恶化带来的影响,保障通信链路的可靠性。

5G NR控制面

5G NR控制面使用的RRC协议基本与LTE一致,作为无线资源控制层,RRC负责连接管理、接入控制、状态管理、系统信息广播等功能。如下图所示:

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首先在RRC状态上,与LTE只有RRC IDLE和RRC CONNECTED两种RRC状态不同,5G NR引入了一个新状态——RRC INACTIVE。

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新引入RRC INACTIVE状态与3G的CELL_PCH差不多,其目的是降低连接延迟、减少信令开销和功耗,以适应未来各种物联网场景。

在RRC INACTIVE状态下,RRC和NAS上下文仍部分保留在终端、基站和核心网中,此时终端状态几乎与RRC_IDLE相同,因此可更省电,同时,还可快速从RRC INACTIVE状态转移到RRC CONNECTED状态,减少信令数量。

其次,在系统广播上,为了提高系统信息的资源使用效率,5G NR引入了点播功能,这意味着它不必像LTE基站一样要一直广播所有的系统信息,而是以按需的方式以指定的系统信息通知指定的终端。

第三点值得一提的是,对于非独立部署,5G NR将RRC协议功能扩展了,以支持LTE-NR双连接中的RRC独立连接和RRC分集。

RRC独立连接:在4G时代的LTE双连接中,仅主站负责与手机之间的RRC连接,而在LTE-NR双连接中,从站(即5G基站)也可负责与手机之间的RRC连接(如下图)。

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RRC分集是指主站的RRC消息可以被复制,并通过主站和从站向手机发送相同的消息,以RRC分集的方式提升手机接收RRC消息的成功率,以提升信令传输的可靠性(如下图)。

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最后好像应该展望一下未来吧,自我介绍应该是这样的。

3GPP R15版本不过是5G技术之路的第一步,其主要是为了支持初期的eMBB和部分URLLC场景,未来还要支持更多的用例和垂直应用,未来还有更多的项目去研究。

比如,需讨论SCMA、PDMA、MUSA、NCMA、NOCA、GOCA、IDMA、IGMA、RDMA...等等…各大厂家提出的各种多址方案,名字都快数不过来了。

还有自回传、未授权频谱5G NR、应用于车联网的V2X、5G卫星通信接入、应用于无人机打开数字化天空的非地面网络等等。

未来很长,梦想很大,5G才刚上路。

为了这个“自我介绍”,我的脑袋现在还在嗡嗡响,如有疏漏错误之处,欢迎留言指正!