射频工程师最关心的5G NR空口物理层主要参数解读

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1. 参数集的定义

在3GPP 38.211规范中对参数集(Numerologies)的定义是由于“子载波间隔(SCS,sub-carrier spacing)”变化引起的各项时域和频域相关参数的变化。因为只有一个子载波间隔(即15kHz子载波间隔),所以LTE不需要任何专门术语来表示子载波间隔。而在5G NR中目前定义了五种不同类型的子载波间隔,如下表所示。为了实现不同参数集之间的高复用率,3GPP确定了∆f * 2μ的原则(其中μ为参数集的序号),指5G NR最基本的子载波间隔与LTE一样15kHz,但可根据15* 2μ kHz,u ∈{0, 1, ..., 4}灵活变化。但并不是所有的参数集都适用于每种物理信道和物理信号。特定的参数集只用于特定类型的物理信道。下表显示了参数集可以和哪些物理信道配合。

参数集可以和哪些物理信道配合

读者可能会问为什么会采用这么复杂的参数集呢?我们都知道3GPP协议从来都不会告诉我们为什么,只告诉是这样。以下是一些笔者根据经验的理解:

· 5G NR应用场景覆盖频率范围很大,热门的频段有从小于7.125GHz的传统无线通信频段到28GHz、39GHz的毫米波频段。由于不同频段电磁波的特性的不同,很难在不牺牲效率性能的情况下使用单一子载波间隔能够覆盖整个范围。由于子载波间距与OFDM符号长度呈现反比关系,窄的子载波间距对应着长OFDM符号长度。使用更长的OFDM符号,可以为循环间隔(CP,Cyclic Prefix)分配更多的抗衰落空间,使信号更容易抵抗长时延的衰落信道。

· 在6GHz以下频段,已经没有很宽的空白频带了。为了在有限的频谱中放进尽可能多的子载波,需要使子载波间隔尽可能小。这就是为什么在这个频段参数集使用较小的子载波间隔,比如15kHz,30kHz,60kHz。那么,为什么不使用更小的子载波,比如10kHz、7.5kHz、5kHz等?因为在OFDM中,保持子载波之间的正交性是很重要的,传输的信号会经过各种衰落信道,导致每个子载波的频率漂移。当发射机或接收机移动得很快时,频率漂移的程度就变得更加严重。使用的子载波间隔越窄,对衰落的容忍度就越弱。

· 宽的子载波间隔比如120 kHz、240kHz,主要用于毫米波频段。发射机或接收器的频率漂移程度也会越来越高。随着载波频率的增加,多普勒频移范围也随之增大。为了容忍这种宽范围的频移,需要使用更宽的子载波间隔。毫米波中子载波间隔更宽是另一个原因是使用了基于Massive MIMO的波束赋型,从而很难去控制子载波间隔较窄的信号的相位。此外,随着频率的增加,相位噪声的恶化程度也会增加。采用更宽的子载波间距更容易实现相位噪声估计和校正。

一言以蔽之,就是不同的应用场景需要不同的子载波间隔的OFDM调制信号,如下表所示:

应用场景子载波间隔优势FR1低频段(大覆盖)较小的SCS符号长度和循环前缀越长,抗衰落和覆盖越好毫米波高频段(大带宽高吞吐)较大的SCS相噪影响小,大带宽URLLC业务(低时延)较大的SCS符号长度越短,时延越小高速移动较大的SCS多普勒频移影响越小,移动性越高

2. 频率范围

在R16版本中,定义了两大FR(frequency range,频率范围)。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。

FR1:410MHz 到7125MHz,频段号从1到85,通常叫做Sub-6GHz(尽管频率上限扩展到了7125MHz)。在FR1中引入了SUL和SDL,即辅助频段(Supplementary Bands)。原因是,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。

FR2:从24.250GHz到52.6GHz, 频段号从257到261,通常指的是毫米波mmWave(尽管严格的讲毫米波频段大于30GHz)。

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射频工程师关关心的5G NR空口物理层主要参数解读

3. 波形和调制

3GPP在5G NR R15之前提出了很多物理层的波形选项(例如UFMC,GFDM,f-OFDM),考虑到与LTE和MIMO的兼容性、频谱效率、低峰均功率比(PAPR)、以及URLLC场景、实现复杂度等多种因素,在3GPP Release 15已确定5G NR的上行和下行使用CP-OFDM,还引入LTE上行的DFT-s-OFDM波形与CP-OFDM波形互补用于低峰均比的上行信号。CP-OFDM波形可用于单流和多流(即MIMO)传输,而DFT-S-OFDM波形只限于针对上行链路峰均比较低的情况的单流传输。

5G NR波形比LTE波形生成方程简单得多。在LTE中,波形生成方程(IFFT方程)为了去除位于DC位置被分成两部分,在基带的频率为0。在NR中,不再需要这种直流去除,将完整的IFFT方程合并为一个,如下面的方程所示。

方程
5G NR的下行OFDM调制方式为QPSK、16QAM、64QAM和256QAM,上行DFT-s-OFDM调制方式为π/ 2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。上行增加了π/ 2-BPSK,主要考虑在mMTC场景,低数据速率下实现功放的更高效率。除了π/ 2-BPSK以外,5G NR与LTE-A使用的调制阶数是相同的。3GPP也正在考虑将1024QAM引入(802.11ax已经有了)。

4. 时域符号、循环前缀和帧结构

无论采用哪种参数集,5G无线帧(frame)和子帧(subframe)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,每个时隙(slot)里有12或14个符号。以上时域结构都和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。时域帧结构如下图所示。

时域帧结构
与LTE不同,5G NR定义了灵活的时隙,长度根据子载波间隔大小变化。一个子帧里时隙的个数会呈2μ倍数变化(Slot时域长度Tslot = 1/2μ)。与LTE 按子帧进行调度不同的是,时隙是NR的基本调度单位,更高的子载波间隔导致了更小的时隙长度,因而数据调度粒度就更小,更适合于时延要求高的传输。这里将时隙和时隙数汇总如下表。

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和LTE类似,NR的OFDM符号由符号加上其循环前缀组成,那么不同的参数集也会引起不同的符号时间长度,计算方法如下所示:

· 数据部分OFDM符号长度Tdata = 1/SCS

· CP长度Tcp = 144/2048* Tdata

· 符号长度(数据+CP)Tsymbol = Tdata +Tcp

参数集(μ)01234子载波间隔(kHz)153060120240OFDM符号时间(us)66.6733.3316.678.334.17包括CP的OFDM符号时间(us)71.3535.6817.848.924.46

NR中的时隙能被灵活调度,可以用作以下的功能:

· Downlink,D,用于下行传输

· Flexible,X,可用于下行传输,上行传输以及GP(相当于LTE的特殊子帧,由于下行需要一定时间来转换成上行,因此留一个特殊时隙)

· Uplink,U,用于上行传输

在3GPP协议中,灵活的时隙调度组合定义了很多种。在中国,根据工信部和运营商的技术规范,6GHz以下eMBB场景主流30kHz子载波间隔(μ=1),NR时隙配置和LTE类似主要采用10ms(20个时隙,每个时隙为0.5ms)静态配置。目前主流有以下四种时隙结构。

○ 2.5ms单周期:DDDSU结构,每2.5ms里面包含3个全下行时隙,1个全上行时隙和1个特殊时隙。RTT(Round-Trip Time)为4.1ms,下行容量最大。

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○ 2.5ms双周期:DDDSUDDSUU结构,每5ms里面包含5个全下行时隙,3个全上行时隙和2个特殊时隙。2.5ms双周期相对2.5ms单周期,上行时隙占比变高,也就是上行资源占比高,因此有利于上行业务。RTT为4ms,上行容量大。这是目前中国电信和联通采用的主流时隙配置。因为目前5G的主要场景是eMBB,对时延要求不高,而且5G的下行速率相比4G提升很多,因为上行资源占比多一点能更加提升用户感知。

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○ 2ms单周期:DDSU结构,每2ms里面包含2个全下行时隙,1个下行为主时隙和1个特殊时隙。RTT为3.875ms,时延在四种结构中最短,适用于低时延场景。

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○ 5ms单周期:DDDDDDDSUU结构,每5ms里包含7个全下行时隙,2个全上行时隙和1个特殊时隙。中国移动使用此结构,目的是保持和TD-LTE同步。下行容量大,但RTT为4.95ms,时延相对较大。

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5. 资源块、BWP和SSB

5G NR物理层资源的最小粒度和LTE一致,为一个RE(Resource Element).这是一个二维概念的资源定义,包括频域1个子载波,时域1个OFDM符号。NR信道资源频域基本调度单位RB(Resource Block)和LTE类似,定义为频域上12个连续子载波,但频域宽度与子载波间隔有关,为2μ×180kHz。NR中数据信道的基本调度单位PRB(Physical RB)定义为频域上N个RB,控制信道的基本调度单位CCE(Control Channel Element)为6PRB或6REG(RE Group,1REG = 1PRB)。

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NR R16中上下行的最大RB资源块数定义如下,也与LTE有所不同。相比4G最高仅90%的信道带宽利用率,5G NR进一步提高信道带宽利用率,30kHz 子载波间隔最高可达98.3%。和LTE一样,各设备商对占用带宽设计和带外抑制并没有统一标准,可采用自主的滤波和加窗技术改善信号的带外发射。下表分别为FR1和FR2频段的最大RB数量和频域利用率。

μ子载波间隔
(kHz)最多RB数最大频域带宽(MHz)最大频域利用率01527048.697.2%13027398.2898.3%26013597.297.2%

μ子载波间隔
(kHz)最多RB数最大频域带宽(MHz)最大频域利用率260264190.0895%3120264380.1695%

5G NR在频域上引入了一个新的概念carrier bandwidth part(缩写为BWP,义译为载波带宽分块)。根据38.211 章节4.4.5,将载波带宽分块定义为核心网配置给UE的一段连续的带宽资源,可实现网络侧和UE侧灵活传输带宽配置。每个BWP可以对应一个特定的参数集,即每一个BWP内的子载波间隔、符号时间、循环前缀长度可以不同。UE可以在上下行链路中被配置多达四个BWP,但在特定时间内只有一个BWP处于激活状态。对于基站来说,面对小区内多个UE,就会出现多个不同参数集同时发射的复杂场景,如下图所示。

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在LTE中,UE的带宽跟系统的带宽保持一致,解码MIB信息配置带宽后就保持不变。在NR中,UE的带宽可以动态的变化。比如第一个时刻,UE的业务量较大,系统给UE配置一个大带宽(BWP1);第二时刻,UE的业务量较小,系统给UE配置了一个小带宽(BWP2),满足基本的通信需求即可;第三时刻,系统发现BWP1所在带宽内有大范围频率选择性衰落,或者BWP1所在频率范围内资源较为紧缺,于是给UE配置了一个新的带宽(BWP3)。因此,总结起来,BWP的技术优势主要有四个方面:

· UE无需支持全部带宽,只需要满足最低带宽要求即可,有利于研发低成本UE;

· 当UE业务量不大时,UE可以切换到低带宽运行,可以非常明显的降低功耗;

· 保持5G技术兼容性。当5G增加新技术时,可以直接将新技术在新的BWP上运行,保证了系统的前向兼容;

· 不同BWP,配置不同参数集,承载不同业务。

和LTE不一样,NR的同步信号和PBCH信道在物理层采用打包一起处理的方式。SS Block(SSB)为同步信号块,包含PSS/SSS/PBCH信号。SSB由两部分组成如下:

· Synchronization Signal:包括主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)和辅同步信号(Secondary Synchronization Signal, SSS),DMRS间隔插入。

· PBCH:包含PBCH DMRS和PBCH

· 频域上:PSS和SSS信号各自占用127个子载波。时域上:PSS和SSS信号各自占用一个OFDM符号(每个子载波间隔,每个OFDM符号的时间长度,都由参数集来定)

· PBCH信号横跨3个OFDM符号和240个子载波(20个RB),其中第三个PBCH 的OFDM符号中间127个子载波被SSS信号占用。

PSS/SSS/PBCH在时频资源格上的位置关系如下图所示:

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6. 上行和下行物理信道与物理信号

5G NR物理信道和LTE物理信道有一些不同。以下是NR物理层和LTE 物理层的差异。

· NR没有CRS(小区特定的参考信号,Cell Specific Reference Signal),减少了物理资源的开销,避免了小区间CRS干扰,提升了频谱效率

· NR相对于LTE,删减了PCFICH,PHICH信道

· 新增上行和下行PT-RS参考信号,用于高频场景下相位对齐

· NR PDCCH和PDSCH增加了DMRS,用于终端解调

笔者采用了思维导图的方式汇总物理信道和信号,如下图所示,便于记忆。

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7. 总结

本文根据5G NR R16的3GPP TS38.211协议,摘要了射频工程师在研发和测试中会遇到的空中接口物理层主要参数,同时也根据笔者自己的工作经验和理解加以解读,不当之处请指正。

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