前言
前面,我们针对5G做了一个简单的介绍,随着标准的发布,一些列技术不断落地,更多行业应用将在未来数十年一一呈现。
为了更好地了解5G NR 物理层,本周我们将针对5G NR的波形、帧结构和参数集等基础知识进行梳理。
5GNR 波形、帧结构与参数集
为适应多种不同子载波间隔的OFDM波形,在5G NR中引入了参数集,子载波间隔不再局限于LTE时代的15KHz,而是根据不同的使用场景,进行适配,这也是5G NR的一个重要特性,并对时隙和子帧产生影响。
什么是载波,什么是部分带宽(BWP),5G NR的资源块RB与LTE的RB有什么区别?
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5G NR波形
5G NR将波形定义为具有循环前缀的OFDM,这一点与LTE中大放异彩的OFDM如出一辙。
此外,5G NR波形可以降低保护频带,这意味着5G波形不像在LTE中那样被限制在90%的带宽。做过LTE基带的朋友应该还记得,20M带宽,波形却只占用了18M。与LTE一样,在标准中没有制定任何特定技术来限制带宽和频谱泄露,这也是为什么只有一套标准,各通信厂商的设备在基带和射频性能上有着较大差异的原因之一,谁发挥得好,谁就能在市场上多分一杯羹。
一些公认的技术,比如滤波OFDM,加窗OFDM,得到了业界广泛关注。
在前面的文章《5G NR中的多载波波形》中,介绍了CP-OFDM、W-OFDM、F-OFDM、UF-OFDM、DFTS-OFDM以及FBMC-OQAM、FBMC-QAM等多载波波形,并列出了NR波形设计的性能指标KPI。对于选择什么样的波形进行设计,需要根据性能要求进行选择和设计。
对于这些波形,在MATLAB中可以通过通信系统工具箱附带示例进行试用,作为一种参考。
前面提到5G NR中的自造波间隔,具有适应性选择。5G NR的一个关键特征,便是子载波间隔(SCS)不仅可以采用一个与LTE相同的15KHz,还可以是2的幂乘以15KHz,最高可达240KHz。
OFDM符号的持续时间,是子载波间隔的倒数,对于最高的子载波间隔,符号持续时间可以缩短2、4、8或16倍。
同时,对于相同数量的子载波,间隔越远,占用的带宽就越大。
间隔为15KHz时,支持的最大带宽为50MHz。随着子载波间隔增加,最大带宽也会随之翻倍,在间隔为120KHz时,可达400MHz。而当子载波间隔为240KHz时,支持的子载波数减半,因而所能支持的最大带宽,依然为400MHz。
那么,为什么要设定这么多不同的子载波间隔呢?各自有什么优缺点呢?
首先,我们知道,较高的子载波间隔,会增加带宽。与此同时,缩短了OFDM符号的传输时间,从而缩短了物理层的延迟。
也就是传输相同的内容,用的时间减少了,传输相对而言就更快。
天下武功,唯快不破。
物理层信号处理实践缩短,这就为超高速低时延创造了前提条件。
因此,为适应众多不同的应用场景,5G NR中子载波间隔具备选择性。
在想象高速低时延应用时,其实问题也浮出来水面。
每个OFDM符号持续时间缩短了,意味着每个slot的时间也缩短了,假如不能在规定时间范围内将信号处理完成,每一帧的数据处理不过来,这对系统来说,是不可接受的。
02
5G NR帧结构
5G NR中,依然采用一帧10ms,并将一帧分为10子帧,每个子帧为1ms。每个子帧包含几个时隙(slot),每个时隙由14个OFDM符号构成(在常规CP下)。
由于子载波间隔可变,每一个子帧的时隙数也是可变的。具体来说,如下图所示。
当子载波间隔翻倍时,由于OFDM符号长度减半,所以时隙长度减半,因此每个子帧的时隙数翻倍。
不同的参数间,存在着相互依赖的关系。
首先,我们看频率依赖性。前面我们知道,FR1对应于sub-6GHz,可用的子载波间隔为15KHz、30KHz和60KHz。
而FR2是针对毫米波应用,数据传输只能使用60KHz或120KHz的子载波间隔。
注意,240KHz的子载波间隔,不是为数据传输准备的,而是用于同步信号块SSB。
这里,我们在详细说明一些关于时隙结构的问题。
5G 采用了LTE中相同的理念,其中时隙的第一个OFDM符号的CP比后面6个OFDM的CP要长。这就引出了一个问题:在相同带宽内,当子载波间隔混合时,如何进行符号对齐?我们可通过OFDM符号定期对齐,而不考虑子载波间隔。
在5G NR中,定义了所有子载波间隔的CP长度。
在5G NR中,在不同的子载波间隔下,CP长度与FFT采样点数、时域符号索引有关,其中扩展CP只针对子载波间隔为60kHz时,其余子载波间隔的Case均为Normal CP。具体计算过程如下:
其中有
Ts为LTE基本时间单元,Tc为5G NR基本时间单元,两者固定比值为64,从中可以看出5G中的基本时间单元相比LTE更短。
举例说明,当子载波间隔为30kHz时,长CP和短CP的计算方法为
当载波间隔为30kHz,FFT Size为4096,时域实际的采样点时间间隔为:
若以实际的采样时间间隔作为CP的时间单位,则长CP和短CP所占用的时域采样点数为
有了CP的长度,我们在做接收端时,就知道该从什么位置去CP。
现在,我们再来认识一下,什么是载波和部分带宽。
对于每个参数集,都定了一个载波。
载波具有载波间隔、若干资源块和起始资源。每个载波,对应于OFDM资源网格。
一个具有15KHz的子载波间隔和216个资源块,另一个具有30KHz的子载波间隔和106个资源块。更大的子载波间隔意味着106资源块覆盖的带宽几乎与216个15KHz的资源块覆盖的相同。
再来看看,什么是部分带宽(BWP)。
一个部分带宽,还具有子载波间隔、若干资源块和其实资源。BWP与具有相同子载波间隔的载波相关联。但是,通常只有几个BWP具有相同的载波间隔。
BWP可以看作是一种解决UE(用户终端)可用频谱的方法。BWP可以解决以下问题:某些设备可能无法接收全部带宽。因为,带宽可达400MHz。
即使设备能够接收更大的带宽,但选择较小的带宽,将有利于节能。比如,在某个时间点,不需要高数据速率。
在MATLAB工具箱中,可进行BWP配置。
一个UE可以与多达4个不同的BWP相关联。但是,UE一次只能有一个活跃的BWP。
这些BWP是预先配置的,并且系统可以指示UE随时间在这些不同的部分带宽之间切换。
正如上图中,UE在BWP1、BWP2、BWP3之间切换,并且在BWP3时具有更大带宽,这是需要gNodeB交换更多的数据。
在5G NR中,资源粒子(RE)的定义与LTE相同,它是最小的时频单位,即一个子载波和OFDM符号。
另一方面,资源块RB时一组没有相关持续时间的12个子载波。
在LTE中,RB由12个子载波和7个OFDM的符号构成。
需要注意的是,在5G NR中,DC子载波会被调制,但在LTE中不会被调制。造成这种差异的原因是,在5G NR中,部分带宽以及因此而产生的传输不必集中在载波带宽。因此,零子载波在5G NR的OFDM网格中没有任何特定作用。
本周介绍了5G NR中波形、帧结构和参数集的基础知识。下周,我们将对NR中的下行数据链路进行介绍。
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