1.3 3GPP协议演进

从3G系统开始，到4G、5G系统，3GPP协议一直是移动制式的“圣经”。可以这么说，3GPP协议演进的过程，就是移动制式从3G系统演进到4G、5G系统的过程。

最早出现的3GPP协议的版本（Release）为R99（Release 99），也是3G的首个版本。后续版本不再以年份命名。R7版本虽属于3G的版本，但也是向4G的过渡版本，具备了LTE的某些特征，如调制方式已经支持64QAM，天线模式也支持MIMO。

R8是LTE协议的首个版本，R15是5G协议的首个版本。R14是一个从LTE到5G的过渡版本，具备了5G的某些特征，如对大规模天线（massive MIMO）的支持，对物联网功能NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）的增强。属于3G、4G、5G制式的3GPP各版本及其关键特征如图1-39所示。

从3GPP R99版本，到R17版本，可以清晰地看出技术发展进步的脉络。下面举几个例子。

第一个，我们看一下调制方式发展的脉络，如图1-40所示。在R99和R4的版本中，下行数据传输的调制方式只支持QPSK；到了R5的HSDPA（High Speed Downlink Packet Access，高速下行分组接入）技术，下行数据传输的调制方式可支持QPSK、16QAM；到了R7版本，下行数据传输的调制方式最高阶可到64QAM；LTE主要使用的最高阶调制方式就是64QAM，但到了R13版本，最高阶调制方式支持到了256QAM；5G R15版本主要使用的调制方式是256QAM，但最高阶已经到了1024QAM。

第二个，MIMO技术也经历了从低阶到高阶，从天线数目很少到大规模天线的发展过程，如图1-41所示。MIMO技术从R7版本开始使用2×2MIMO开始，到R8版本支持4×4MIMO、R10版本8×8MIMO,R13版本发展到64×64MIMO，R14版本支持3D MIMO、FD MIMO（Full-Dimensional MIMO，全维MIMO）技术；到了R15版本，提出大规模天线阵列（Massive MIMO）的概念，最高可支持256×256MIMO。随着纳米天线的出现，天线阵列的规模将超过1024×1024MIMO，一个站点的天线数目成千上万，将成为常态。

第三个，我们聊一下载波聚合（Carrier Aggregation，CA）技术，如图1-42所示。在R10版本中，提出CA技术，可以让2～5个LTE成员载波（Component Carrier，CC）聚合在一起，LTE每个载波20MHz，5个载波聚合在一起，可以实现最大100MHz的传输带宽；R11版本又增强了CA，支持了上行的载波聚合和非连续的带内载波聚合；R12版本允许TDD载波和FDD载波进行聚合；R13版本则是支持聚合的载波（CC）数目从5个20MHz增加到32个20MHz；R15版本可以聚合16个100MHz的载波，支持的传输带宽比R13版本的32个20MHz载波要大许多。与此同时，R15增强了CA的机制，允许在终端处于空闲态下提前测量候选载波的无线信号质量，提前初始化射频信道；R16版本的载波聚合涉及6GHz以上频段的载波聚合；R17版本会完成52.6GHz以上频率的载波聚合技术的制定。

1.3.1 3G各协议版本主要技术特征

3GPP的R99版本主要是在兼容GSM网络架构的基础上支持WCDMA无线接入，所以R99的核心网还有2G的MSC，还使用七号信令。R99核心网分为电路域（CS）和分组域（PS）。R99的分组域数据速率可支持144kbit/s、384kbit/s及2Mbit/s。

R4版本相对于R99最主要的变化是呼叫控制和承载分离，即原有的MSC变成MSCServer和媒体网关MGW。

R5版本完成了对IP多媒体子系统（IMS）的定义，同时为全网IP化奠定了基础。R5支持了HSDPA（高速下行分组接入）技术，最高下行数据业务速率可达14.4Mbit/s。

R6版本引入了HSUPA（High Speed Uplink Packet Access，高速上行分组接入）、MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service，多媒体广播多播业务），也进行了3G与WLAN网络互通的研究。

R7版本在网络架构方面考虑了固定、移动融合的组网趋势，同时也支持LTE的一些技术（64QAM、MIMO）在3G空口上的使用，也定义了在移动IP网上传送语音（VoIP）业务的规范。

3GPP在3G时代各协议版本的主要技术特征如图1-43所示。

1.3.2 4G各协议版本主要技术特征

R8版本是LTE的第一版协议，相对于3G来说，空口有了较大的变化，多址方式从CDMA变成了OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入），支持MIMO组网。信道带宽最大20MHz，可以支持多种带宽，支持带宽的灵活调度。R8版本简化了网络架构，取消了CS域，取消了RNC节点，实现了全IP网络架构。

R9版本增加了MIMO的工作模式，支持双流波束赋型；还支持Femto Cell、自组织网络SON技术、LTE定位技术、公共预警系统（Public Warning System，PWS）等。

R10版本可以正式称为LTE-A（LTE-Advanced），R9只是引入LTE-A。在R10版本里，MIMO天线数进一步增加，提出了载波聚合，大幅提升了LTE的数据业务下载速率。此外，R10版本还支持中继节点Relay、增强型小区间干扰协调（eICIC）、异构网络（Heterogeneous Network，HetNet）等。

R11版本的载波聚合可以聚合上行载波，也可以支持不连续的带内载波聚合。R11版本的技术还有协作多点传输（Coordinated Multiple Points，CoMP），允许多个站点为1个终端发送数据；为了提升控制信道容量，ePDCCH技术可以使用PDSCH的资源传送控制信令；为了减少昂贵的路测费用，需要减少对路测（Drive Test，DT）的依赖，R11版本提出了基于UE测量报告（Measurement Report，MR）进行信号质量分析的方案。

R12版本增强了密集城区小小区（Small Cell）功能，允许宏小区和小小区（Small Cell）之间进行载波聚合，同时还支持TDD和FDD之间进行载波聚合。R12版本还支持机器类语言通信（Machine Type Communication，MTC）、WiFi与LTE融合和LTE非授权频谱（LTE-U）等。

R13版本的32载波聚合、64MIMO、256QAM大幅提升了LTE的性能，有了5G的特点，俗称4.5G，标志着协议上向5G过渡的开始。为了支持物联网，对机器类通信和UE降功耗的技术进行了规定。非授权频谱的兼容是R13版本的一个关键点。在R13中，CA技术可以聚合授权和非授权频谱。

定位服务是物联网很多业务的功能需求，基于位置的物联网业务可以提供很多有价值的信息服务。R14版本支持窄带物联网NB-IoT引入定位技术：OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，到达时间差定位法）和E-CID（Enhanced Cell-ID，增强型小区标识）。

R14版本在物理上分离的节点可同时处理授权和非授权频谱，同时全面支持上行方向的非授权频谱传输。R14版本在终端原有23/20dBm功率等级的基础上，引入了更低UE功率等级：14dBm，降低了物联网终端的功耗。R14版本中增加了在非锚点载波上进行寻呼和随机接入的功能。这样可以更好地支持物联网大连接场景，有利于负载均衡，减少随机接入冲突概率。

LTE协议各版本的主要技术特征如图1-44所示。

1.3.3 5G各协议版本主要技术特征

R15版本主要侧重于大带宽（eMBB）场景，R16更侧重于低时延（uRLLC）场景，R17则侧重于大连接（mMTC）场景。

5G NR（New Radio，新空口）的定义是R15版本的主要内容。R15版本的5G接入网主要包括非独立组网（Non-Stand Alone，NSA）和独立组网（Stand Alone，SA）两个选项。R15版本的5G核心网主要完成服务化架构设计、网络切片、接入和移动管理设计、5G QoS管理框架等。R15版本在LTE制式上研究了1024QAM高阶调制方式和增强型V2X技术。

R16版本进一步落地低时延（uRLLC）场景所需的技术，从而增强对垂直行业、工业物联网（Industrial IoT，IIoT）应用的支撑。提高可靠性、降低延迟需要通过改进协议来实现，尤其是改进物理层的协议，如增强时间敏感网络的相关功能，包括精确的参考定时和以太网报头压缩等。

R16还需增强对垂直行业、非授权频谱（NR-U）、接入回传一体化（Integrated Access and Backhaul，IAB）的支持。R16版本支持6GHz以下授权频谱和6GHz以上频段的非授权频谱的统一接入。在使用毫米波的场景下，需要非常密集地部署基站，但用光纤连接密集部署的小基站从成本或安装的角度是不合适的。使用接入回传一体化技术，可以降低对光纤回传网络的部署需求。

R16侧重解决V2X应用中的技术问题，包括编队驾驶(Vehicle Platooning)、车辆到基础设施功能增强、传感器扩展、半自动驾驶或全自动驾驶和远程驾驶等。

R16版本专门研究了功耗改进的技术，旨在通过无线资源控制（RRC）降低设备的耗电量。R16版本还将非正交多址（NOMA）转入实现阶段。

R17版本将进一步增强对大连接场景（mMTC）的支持。针对物联网终端，进行可见光通信的支撑，针对物联网中小数据包的传输进行优化。D2D直联通信采用Sidelink技术，R17版本进一步增强Sidelink技术，以便能够应用于V2X、商用终端、紧急通信领域。

R15版本中定义的FR2毫米波频段上限为52.6GHz，R17版本中将对52.6GHz以上频段的波形进行研究，同时要定义高达2GHz的信道带宽。

R17版本会针对基于物联网（IoT）、低时延场景进行定位增强，如工厂/校园定位、V2X定位、空间立体（3D）定位。定位精度达到厘米级。终端可以向网络上报其支持的定位技术，如OTDOA、A-GNSS、E-CID、WLAN和蓝牙等，网络侧根据终端的能力和所处的无线环境，选择合适的定位技术。

R17版本对无线侧（RAN）数据收集能力进行增强。基于大量的无线环境的现网采集数据，可以增强自组织网络（SON）功能和最小路测功能（MDT），进一步可促进人工智能在优化维护领域的应用。

R17版本支持多SIM卡操作、NR多播/广播、NR卫星通信、增强NR非授权频谱的接入能力、增强终端和网络设备的节能水平。

5G协议各版本的技术特征如图1-45所示。

1.3.4 5G的“圣经”

5G的“圣经”就是3GPP的相关协议规范，3GPP的网站是www.3gpp.org，从未更改网址，这可和一般的小网站的作风不一样。各个系列的最新规范下载的地址是http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/。

我们发现，3GPP里和5G相关的协议规范相当庞杂，数量惊人。海量的规范常常让人觉得望而生畏、无从下手。

5G的协议规范直接拿来学习的话，对大多数人来说还是比较吃力的。但是我们把它当作在5G知识学习过程中的一个字典的话，在学习和工作中遇到疑问时，能够查阅相关协议规范的内容便可以了。

那么，如何查阅5G协议规范？究竟哪些是与我们的学习和工作内容强相关的？这就需要我们了解3GPP规范的命名规则或编号规律，了解不同的类别或内容的规范对应的名称或编号。

（1）3GPP规范命名规则

3GPP规范的全名由协议编号加版本号构成，如图1-46所示。协议编号由用点号“.”隔开的4或5个数字构成，其中点号之前的2个数字是协议规范的系列号，点号之后的2或3个数字是文档号。举例来说，3GPP TS 38.300 V15.7.0，这个规范的协议编号为38.300。其中，系列号为38，38系列主要集中了5G无线侧协议规范；文档号为300，是5G NR和NG-RAN的总体介绍，推荐大家把这个协议下载下来浏览一下，可以初步了解5G无线侧技术的总体情况。V15.7.0是这个规范的版本号，它是R15版本的，子版本号为7.0，标志着技术层面的改动已经是第7版了，非技术层面（如排版方面）还是首版。

协议规范的系列号与文档内容所属的类别有关系，即文档的内容体现在了系列号上，如表1-8所示。核心网相关的协议在23系列、28系列、29系列等；无线侧相关的协议在25系列（3G）、36系列（LTE）、37系列（多制式、多链接）、38系列（5G）；22系列主要是对业务的定义与描述，23系列包含了业务实现的系统构成、体系架构等；24系列和29系列主要包含了用来实现业务的系统间接口的详细描述。

关于3GPP规范的文档号也有规律可循。在不同的系统中，同样的主题内容的规范会使用同样的文档号。例如，3GPP TS 36.300和3GPP TS 38.300都是无线接入网综合介绍的内容，但36.300是LTE的，38.300是5G的。还有，在同一系统的不同系列中，内容比较相关的规范也会使用相同或相近的文档号。比如，3GPP TS 23.228是关于IMS系统体系架构的，3GPP TS 24.228是关于IMS呼叫信令流程的，二者也使用了相同的文档号。

协议规范的版本（version）号由三个域组成，从左到右分别为major域、technical域和editorial域，之间通过点号“.”分隔。每个域的取值都是一个从0开始的数字。major域代表了Release的大版本号，反映了规范的进展阶段；technical域反映了规范技术层面上进行的改动次数，规范每做一次技术上的修改，technical域就会加1；editorial域反映了非技术层面上的改动，比如一些排版上的变化等。

（2）5G系统的主要规范

5G的协议规范有很多，其中TS23.501是5G系统的总体架构介绍，TS28.530是5G中切片管理概念、用例和需求的概述，TS29.500是5G核心网基于业务架构技术实现的概述，TS38.300是无线接入网总体架构的介绍。这几个文档是总体纲领性的文档，大家可以先行浏览查阅。

TS38.xxx的常用协议可以分为五大类：射频系列规范（TS38.1xx）、物理层系列规范（TS38.2xx）、层二/层三系列规范（TS38.3xx）、接口系列规范（TS38.4xx）、终端一致性系列规范（TS38.5xx）。表1-9所示的是5G系统主要的但不是全部的协议规范。在学习5G时，这些是优先查阅的参考文献。

但是，通过阅读协议来学习5G是一个相当枯燥的过程，所以建议初学者使用通俗的5G学习材料，先掌握其中主要内容，需要的时候再通过查阅协议的方式去学习技术细节。