1.參數(shù)集的定義

在3GPP 38.211規(guī)范中對(duì)參數(shù)集（Numerologies）的定義是由于“子載波間隔（SCS，sub-carrier spacing）”變化引起的各項(xiàng)時(shí)域和頻域相關(guān)參數(shù)的變化。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)子載波間隔（即15kHz子載波間隔），所以L(fǎng)TE不需要任何專(zhuān)門(mén)術(shù)語(yǔ)來(lái)表示子載波間隔。而在5G NR中目前定義了五種不同類(lèi)型的子載波間隔，如下表所示。為了實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)集之間的高復(fù)用率，3GPP確定了?f * 2μ的原則（其中μ為參數(shù)集的序號(hào)），指5G NR最基本的子載波間隔與LTE一樣15kHz，但可根據(jù)15* 2μkHz，u ∈{0, 1, ..., 4}靈活變化。但并不是所有的參數(shù)集都適用于每種物理信道和物理信號(hào)。特定的參數(shù)集只用于特定類(lèi)型的物理信道。下表顯示了參數(shù)集可以和哪些物理信道配合。

讀者可能會(huì)問(wèn)為什么會(huì)采用這么復(fù)雜的參數(shù)集呢？我們都知道3GPP協(xié)議從來(lái)都不會(huì)告訴我們?yōu)槭裁矗桓嬖V是這樣。以下是一些筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的理解：

·5G NR應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋頻率范圍很大，熱門(mén)的頻段有從小于7.125GHz的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信頻段到28GHz、39GHz的毫米波頻段。由于不同頻段電磁波的特性的不同，很難在不犧牲效率性能的情況下使用單一子載波間隔能夠覆蓋整個(gè)范圍。由于子載波間距與OFDM符號(hào)長(zhǎng)度呈現(xiàn)反比關(guān)系，窄的子載波間距對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度。使用更長(zhǎng)的OFDM符號(hào)，可以為循環(huán)間隔（CP，Cyclic Prefix）分配更多的抗衰落空間，使信號(hào)更容易抵抗長(zhǎng)時(shí)延的衰落信道。

·在6GHz以下頻段，已經(jīng)沒(méi)有很寬的空白頻帶了。為了在有限的頻譜中放進(jìn)盡可能多的子載波，需要使子載波間隔盡可能小。這就是為什么在這個(gè)頻段參數(shù)集使用較小的子載波間隔，比如15kHz，30kHz，60kHz。那么，為什么不使用更小的子載波，比如10kHz、7.5kHz、5kHz等？因?yàn)樵贠FDM中，保持子載波之間的正交性是很重要的，傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)經(jīng)過(guò)各種衰落信道，導(dǎo)致每個(gè)子載波的頻率漂移。當(dāng)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)移動(dòng)得很快時(shí)，頻率漂移的程度就變得更加嚴(yán)重。使用的子載波間隔越窄，對(duì)衰落的容忍度就越弱。

·寬的子載波間隔比如120 kHz、240kHz，主要用于毫米波頻段。發(fā)射機(jī)或接收器的頻率漂移程度也會(huì)越來(lái)越高。隨著載波頻率的增加，多普勒頻移范圍也隨之增大。為了容忍這種寬范圍的頻移，需要使用更寬的子載波間隔。毫米波中子載波間隔更寬是另一個(gè)原因是使用了基于Massive MIMO的波束賦型，從而很難去控制子載波間隔較窄的信號(hào)的相位。此外，隨著頻率的增加，相位噪聲的惡化程度也會(huì)增加。采用更寬的子載波間距更容易實(shí)現(xiàn)相位噪聲估計(jì)和校正。

一言以蔽之，就是不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要不同的子載波間隔的OFDM調(diào)制信號(hào)，如下表所示：

2.頻率范圍

在R16版本中，定義了兩大FR（frequency range，頻率范圍）。與LTE不同，5G NR頻段號(hào)標(biāo)識(shí)以“n”開(kāi)頭，比如LTE的B20（Band 20），5G NR稱(chēng)為n20。

FR1：410MHz 到7125MHz，頻段號(hào)從1到85，通常叫做Sub-6GHz（盡管頻率上限擴(kuò)展到了7125MHz）。在FR1中引入了SUL和SDL，即輔助頻段（Supplementary Bands）。原因是，手機(jī)的發(fā)射功率低于基站發(fā)射功率，3.5GHz的覆蓋瓶頸受限于上行，工作于更低頻段的SUL（上行輔助頻段）就可以通過(guò)雙連接的方式與下行3.5GHz配和，從而補(bǔ)償3.5GHz上行覆蓋不足的瓶頸。

FR2：從24.250GHz到52.6GHz， 頻段號(hào)從257到261，通常指的是毫米波mmWave（盡管?chē)?yán)格的講毫米波頻段大于30GHz）。

3.波形和調(diào)制

3GPP在5G NR R15之前提出了很多物理層的波形選項(xiàng)（例如UFMC，GFDM，f-OFDM），考慮到與LTE和MIMO的兼容性、頻譜效率、低峰均功率比（PAPR）、以及URLLC場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等多種因素，在3GPP Release 15已確定5G NR的上行和下行使用CP-OFDM，還引入LTE上行的DFT-s-OFDM波形與CP-OFDM波形互補(bǔ)用于低峰均比的上行信號(hào)。CP-OFDM波形可用于單流和多流（即MIMO）傳輸，而DFT-S-OFDM波形只限于針對(duì)上行鏈路峰均比較低的情況的單流傳輸。

5G NR波形比LTE波形生成方程簡(jiǎn)單得多。在LTE中，波形生成方程（IFFT方程）為了去除位于DC位置被分成兩部分，在基帶的頻率為0。在NR中，不再需要這種直流去除，將完整的IFFT方程合并為一個(gè)，如下面的方程所示。

5G NR的下行OFDM調(diào)制方式為QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，上行DFT-s-OFDM調(diào)制方式為π/ 2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。上行增加了π/ 2-BPSK，主要考慮在mMTC場(chǎng)景，低數(shù)據(jù)速率下實(shí)現(xiàn)功放的更高效率。除了π/ 2-BPSK以外，5G NR與LTE-A使用的調(diào)制階數(shù)是相同的。3GPP也正在考慮將1024QAM引入（802.11ax已經(jīng)有了）。

4.時(shí)域符號(hào)、循環(huán)前綴和幀結(jié)構(gòu)

無(wú)論采用哪種參數(shù)集，5G無(wú)線(xiàn)幀（frame）和子幀（subframe）的長(zhǎng)度都是固定的——一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀的長(zhǎng)度固定為10ms、1個(gè)子幀的長(zhǎng)度固定為1ms，每個(gè)時(shí)隙（slot）里有12或14個(gè)符號(hào)。以上時(shí)域結(jié)構(gòu)都和LTE是相同的，從而更好的保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR共同部署模式下時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)同步，簡(jiǎn)化小區(qū)搜索和頻率測(cè)量。時(shí)域幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。

與LTE不同，5G NR定義了靈活的時(shí)隙，長(zhǎng)度根據(jù)子載波間隔大小變化。一個(gè)子幀里時(shí)隙的個(gè)數(shù)會(huì)呈2μ倍數(shù)變化（Slot時(shí)域長(zhǎng)度Tslot= 1/2μ）。與LTE 按子幀進(jìn)行調(diào)度不同的是，時(shí)隙是NR的基本調(diào)度單位，更高的子載波間隔導(dǎo)致了更小的時(shí)隙長(zhǎng)度，因而數(shù)據(jù)調(diào)度粒度就更小，更適合于時(shí)延要求高的傳輸。這里將時(shí)隙和時(shí)隙數(shù)匯總?cè)缦卤怼?/p>

和LTE類(lèi)似，NR的OFDM符號(hào)由符號(hào)加上其循環(huán)前綴組成，那么不同的參數(shù)集也會(huì)引起不同的符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度，計(jì)算方法如下所示：

·數(shù)據(jù)部分OFDM符號(hào)長(zhǎng)度Tdata= 1/SCS

·CP長(zhǎng)度Tcp= 144/2048* Tdata

·符號(hào)長(zhǎng)度（數(shù)據(jù)+CP）Tsymbol= Tdata+Tcp

NR中的時(shí)隙能被靈活調(diào)度，可以用作以下的功能：

·Downlink，D，用于下行傳輸

·Flexible，X，可用于下行傳輸，上行傳輸以及GP（相當(dāng)于LTE的特殊子幀，由于下行需要一定時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)換成上行，因此留一個(gè)特殊時(shí)隙）

·Uplink，U，用于上行傳輸

在3GPP協(xié)議中，靈活的時(shí)隙調(diào)度組合定義了很多種。在中國(guó)，根據(jù)工信部和運(yùn)營(yíng)商的技術(shù)規(guī)范，6GHz以下eMBB場(chǎng)景主流30kHz子載波間隔(μ=1)，NR時(shí)隙配置和LTE類(lèi)似主要采用10ms（20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為0.5ms）靜態(tài)配置。目前主流有以下四種時(shí)隙結(jié)構(gòu)。

○ 2.5ms單周期：DDDSU結(jié)構(gòu)，每2.5ms里面包含3個(gè)全下行時(shí)隙，1個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙。RTT（Round-Trip Time）為4.1ms，下行容量最大。

○ 2.5ms雙周期：DDDSUDDSUU結(jié)構(gòu)，每5ms里面包含5個(gè)全下行時(shí)隙，3個(gè)全上行時(shí)隙和2個(gè)特殊時(shí)隙。2.5ms雙周期相對(duì)2.5ms單周期，上行時(shí)隙占比變高，也就是上行資源占比高，因此有利于上行業(yè)務(wù)。RTT為4ms，上行容量大。這是目前中國(guó)電信和聯(lián)通采用的主流時(shí)隙配置。因?yàn)槟壳?G的主要場(chǎng)景是eMBB，對(duì)時(shí)延要求不高，而且5G的下行速率相比4G提升很多，因?yàn)樯闲匈Y源占比多一點(diǎn)能更加提升用戶(hù)感知。

○ 2ms單周期：DDSU結(jié)構(gòu)，每2ms里面包含2個(gè)全下行時(shí)隙，1個(gè)下行為主時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙。RTT為3.875ms，時(shí)延在四種結(jié)構(gòu)中最短，適用于低時(shí)延場(chǎng)景。

○ 5ms單周期：DDDDDDDSUU結(jié)構(gòu)，每5ms里包含7個(gè)全下行時(shí)隙，2個(gè)全上行時(shí)隙和1個(gè)特殊時(shí)隙。中國(guó)移動(dòng)使用此結(jié)構(gòu)，目的是保持和TD-LTE同步。下行容量大，但RTT為4.95ms，時(shí)延相對(duì)較大。

5.資源塊、BWP和SSB

5G NR物理層資源的最小粒度和LTE一致，為一個(gè)RE（Resource Element）.這是一個(gè)二維概念的資源定義，包括頻域1個(gè)子載波，時(shí)域1個(gè)OFDM符號(hào)。NR信道資源頻域基本調(diào)度單位RB（Resource Block）和LTE類(lèi)似，定義為頻域上12個(gè)連續(xù)子載波，但頻域?qū)挾扰c子載波間隔有關(guān)，為2μ×180kHz。NR中數(shù)據(jù)信道的基本調(diào)度單位PRB（Physical RB）定義為頻域上N個(gè)RB，控制信道的基本調(diào)度單位CCE（Control Channel Element）為6PRB或6REG（RE Group，1REG = 1PRB）。

NR R16中上下行的最大RB資源塊數(shù)定義如下，也與LTE有所不同。相比4G最高僅90%的信道帶寬利用率，5G NR進(jìn)一步提高信道帶寬利用率，30kHz 子載波間隔最高可達(dá)98.3%。和LTE一樣，各設(shè)備商對(duì)占用帶寬設(shè)計(jì)和帶外抑制并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可采用自主的濾波和加窗技術(shù)改善信號(hào)的帶外發(fā)射。下表分別為FR1和FR2頻段的最大RB數(shù)量和頻域利用率。

5G NR在頻域上引入了一個(gè)新的概念carrier bandwidth part（縮寫(xiě)為BWP，義譯為載波帶寬分塊）。根據(jù)38.211 章節(jié)4.4.5，將載波帶寬分塊定義為核心網(wǎng)配置給UE的一段連續(xù)的帶寬資源，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)和UE側(cè)靈活傳輸帶寬配置。每個(gè)BWP可以對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的參數(shù)集，即每一個(gè)BWP內(nèi)的子載波間隔、符號(hào)時(shí)間、循環(huán)前綴長(zhǎng)度可以不同。UE可以在上下行鏈路中被配置多達(dá)四個(gè)BWP，但在特定時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)BWP處于激活狀態(tài)。對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，面對(duì)小區(qū)內(nèi)多個(gè)UE，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)不同參數(shù)集同時(shí)發(fā)射的復(fù)雜場(chǎng)景，如下圖所示。

在LTE中，UE的帶寬跟系統(tǒng)的帶寬保持一致，解碼MIB信息配置帶寬后就保持不變。在NR中，UE的帶寬可以動(dòng)態(tài)的變化。比如第一個(gè)時(shí)刻，UE的業(yè)務(wù)量較大，系統(tǒng)給UE配置一個(gè)大帶寬（BWP1）；第二時(shí)刻，UE的業(yè)務(wù)量較小，系統(tǒng)給UE配置了一個(gè)小帶寬（BWP2），滿(mǎn)足基本的通信需求即可；第三時(shí)刻，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)BWP1所在帶寬內(nèi)有大范圍頻率選擇性衰落，或者BWP1所在頻率范圍內(nèi)資源較為緊缺，于是給UE配置了一個(gè)新的帶寬（BWP3）。因此，總結(jié)起來(lái)，BWP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有四個(gè)方面：

·UE無(wú)需支持全部帶寬，只需要滿(mǎn)足最低帶寬要求即可，有利于研發(fā)低成本UE；

·當(dāng)UE業(yè)務(wù)量不大時(shí)，UE可以切換到低帶寬運(yùn)行，可以非常明顯的降低功耗；

·保持5G技術(shù)兼容性。當(dāng)5G增加新技術(shù)時(shí)，可以直接將新技術(shù)在新的BWP上運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的前向兼容；

·不同BWP，配置不同參數(shù)集，承載不同業(yè)務(wù)。

和LTE不一樣，NR的同步信號(hào)和PBCH信道在物理層采用打包一起處理的方式。SS Block（SSB）為同步信號(hào)塊，包含PSS/SSS/PBCH信號(hào)。SSB由兩部分組成如下：

·Synchronization Signal：包括主同步信號(hào)（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號(hào)（Secondary Synchronization Signal, SSS），DMRS間隔插入。

·PBCH：包含PBCH DMRS和PBCH

·頻域上：PSS和SSS信號(hào)各自占用127個(gè)子載波。時(shí)域上：PSS和SSS信號(hào)各自占用一個(gè)OFDM符號(hào)（每個(gè)子載波間隔，每個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，都由參數(shù)集來(lái)定）

·PBCH信號(hào)橫跨3個(gè)OFDM符號(hào)和240個(gè)子載波(20個(gè)RB)，其中第三個(gè)PBCH 的OFDM符號(hào)中間127個(gè)子載波被SSS信號(hào)占用。

PSS/SSS/PBCH在時(shí)頻資源格上的位置關(guān)系如下圖所示：

6.上行和下行物理信道與物理信號(hào)

5G NR物理信道和LTE物理信道有一些不同。以下是NR物理層和LTE 物理層的差異。

· NR沒(méi)有CRS(小區(qū)特定的參考信號(hào)，Cell Specific Reference Signal)，減少了物理資源的開(kāi)銷(xiāo)，避免了小區(qū)間CRS干擾，提升了頻譜效率

· NR相對(duì)于LTE，刪減了PCFICH，PHICH信道

· 新增上行和下行PT-RS參考信號(hào)，用于高頻場(chǎng)景下相位對(duì)齊

· NR PDCCH和PDSCH增加了DMRS，用于終端解調(diào)

筆者采用了思維導(dǎo)圖的方式匯總物理信道和信號(hào)，如下圖所示，便于記憶。

7.總結(jié)

本文根據(jù)5G NR R16的3GPP TS38.211協(xié)議，摘要了射頻工程師在研發(fā)和測(cè)試中會(huì)遇到的空中接口物理層主要參數(shù)，同時(shí)也根據(jù)筆者自己的工作經(jīng)驗(yàn)和理解加以解讀，不當(dāng)之處請(qǐng)指正。下期會(huì)介紹5G NR射頻測(cè)試方法。

原文標(biāo)題：射頻工程師關(guān)注的5G NR空口物理層主要參數(shù)解讀

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