5GNR漫談1 NR物理層幀結構

2021-10-04 09:33:05 字數 3392 閱讀 8701

5gnr標準是3gpp組織在4g lte標準後,為適應新的移動通訊發展需要,制訂的新標準,它主要考慮的是大資料量、低時延、萬物互聯的應用場景。雖然是新的標準協議,但nr標準仍然處處有著lte標準的「影子」,傳統上做為代差最明顯的物理層核心調製解調技術,nr和lte採用的都是ofdm技術,這明顯區別於2g的gsm採用tdma/fdma技術,3g的wcdma和td-sdma採用的是cdma技術。這也是眾多的業內人士認為5g不夠「新」的原因,理論技術創新應用不如前幾代通訊技術在改朝換代時那麼明顯。雖然在通道編碼方面採用了ldpc和polar編碼,但兩種編碼方式與3g/4g時代用的turbo編碼在吐吞效能上相比,並沒有數量級上質的飛躍,3gpp組織內部討論採用何種通道編碼方式時,也做了激烈的爭論,最後由於ldpc和polar工程上實現起來運算量更少利於實現,而最終做了權衡,長碼字用ldpc,短碼字用polar,當然這裡面也涉及到了產業內各大玩家參與者的利益之爭。

從3g時代的cdma時代開始,到4g/5g時代,無線空口的1個無線幀長(radio frame)都是10ms,體現了其技術體系的一脈相承。不過,nr相對於lte的子幀(sub frame)和時隙(slot)結構有了很大的區別,lte子幀固定為1ms,包含2個時隙,子載波間隔(subcarrier space)固定為15khz,而nr在這方面則靈活變化得多。這種靈活變化,主要是為了適應nr時代的各種應用場景。標準協議定義了乙個引數numerologies(u )來體現這種變化,由 u值的不同,決定了子載波間隔的不同,進而定義了每個無線幀包含的時隙個數、每個子幀包含的時隙個數、每個時隙包含的ofdm符號數的不同。這裡邊最關鍵的定義依據**,在於ofdm子載波間隔的改變,帶來ofdm在時間符號長度上的改變。相同的是,nr在資源塊(resource block,rb)的定義上仍然相同,頻域占用12個子載波,時域占用乙個時隙的長度。

理論上,ofdm時域符號長度(不包含保護間隔),由子載波間隔決定,為其倒數,由此可知,子載波間隔越大,ofdm時域符號長度就長小,這正有利於低時延場景的應用。

每個資源塊(rb)占用頻寬

子載波間隔與符號時長關係

nr物理層上行通道定義有隨機接入通道prach、上行控制通道pucch、上行共享通道pusch,下行通道定義有主同步通道pss、輔同步通道sss、廣播通道pbch、下行控制通道pdcch、下行共享通道pdsch,由此可見,上行通道型別大體和lte相同,但下行通道少了lte的控制格式指示信道pcfich和混合自動重傳指示信道phich。前面說道nr定義了乙個引數集numerologies,那麼,是不是每個上下行通道都可以對應多種 值呢?答案是否定的。

每個物理通道承載的業務型別是有其自身特點的,不必要求每個通道支援所有的 u值引數,那樣系統過於複雜,也不利於工程實現。比如,nr僅在子載波為60khz(u =2)的時候,支援normal和extended兩種cp型別,其它子載波間隔的時候僅支援normal cp型別。那麼,在設計ssb(包含pss、sss、pbch)通道的時候,就不支援子載波間隔為60khz的場景,這是為了給終端在開機檢測接收ssb的時候帶來簡便,節省時間和實現資源,因為如果ssb支援60khz的場景,則要檢測ssb的時候,就要從接收的空口基帶資料中,找到無線幀起始,然後區分cp型別,從而再對接收資料進行相應的ofdm符號級提取資料處理,這無疑帶來工程實現上的複雜繁瑣。

不同於lte裡面的tdd幀結構定義了7種上下行時隙配比無線幀模式,以及9種特殊子幀導頻時隙dwpts、uppts的時長,nr並沒有預先定義嚴格的上下行配比以及特殊子幀配比,代之以靈活的廣播通知模式,在廣播訊息裡告知上下行結構模式,在乙個上下行發射週期內(transmission periodicity),通過告知下行時隙個數(nrofdownlinkslots),下行符號個數(nrofdownlinksymbols),上行符號個數(nrofuplinksymbols),上行時隙個數(nrofuplinkslots)來確定上下行時間結構。通過這種手段,使得nr幀結構可以適應更為靈活的業務結構。

協議裡面包含了6種上下行(ul/dl)週期( periodicity,p)模式,系統可支援其中一種或者多種模式。

以embb(增強型無線寬頻)場景,30khz子載波間隔為例,這裡例舉實現中3種各廠家可能的幀結構。

第一種:

2.5ms雙週期結構,在5ms裡面有兩個不同型別的週期,第乙個2.5ms為dddsu,第二個2.5ms為ddsuu,合在一起為:dddsuddsuu。這種型別有兩個連續上行時隙,意味著能夠接收更遠的隨機接入申請,有利於提公升上行覆蓋。

第二種:

2.5ms單週期結構,以2.5ms為週期,重**射模板dddsu。這種型別下行時隙多,有利於增大下行吞吐量。

第三種:

2ms單週期結構,以2ms為週期,重**射dsdu。這種模式上下行轉換較為均衡,有效減少網路時延。但上下行切換頻繁,需要在上行時隙中犧牲一部分符號做切換。

由前所述,雖然靈活的上下行時隙配置,給靈活的實現各類場景的業務,帶來技術實現上的便利,卻也給傳統的直放站(rp repeater)廠商帶來了麻煩。直放站為了解決訊號覆蓋差的問題,在5g以前的時代,技術上可以實現搜尋無線幀邊界和確定上下行切換時間點後,對接收的無線幀訊號進行中繼放大。因為5g前時代的技術標準,上下行幀結構的切換模式較為固定,變化最多的lte也不超過10種,這種上下行變化少的幀結構特點,給技術上工程實現訊號的再生放大帶來簡單化。然而nr標準中上下行幀結構的不確定性,給實現訊號的再生放大,帶來了巨大挑戰。當然,並非不可實現。

5gnr具體的時域波形和100m頻寬頻譜占用解調情況,可以在下文5gnr射頻鏈路的驗證中,有採用keysight儀器直觀的解調結果:

5gnr 下行rct tm1.1解調接收

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