5G NR协议学习--TS38.211主要参数解读

1 OFDM

        正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，实际上OFDM是MCM(Multi Carrier Modulation，多载波调制)的一种。通过频分复用实现高速串行数据的并行传输, 它具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。其调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的（频域→ 时域→ 频域）。

        详细见OFDM符号介绍和OFDM的基本原理。

2 参数集（Numerologies）

        子载波间隔（subcarrierSpacing,SCS）配置（）和循环前缀（cyclicPrefix,CP）由高层参数给定，如下表。

Table 4.2-1: Supported transmission numerologies.

	[ kHz ]	Cyclic prefix
0	15	Normal
1	30	Normal
2	60	Normal, Extended
3	120	Normal
4	240	Normal

        问：NR中，为什么扩展CP只出现在子载波间隔为60khz处？

        答：多路径传输造成符号间干扰（ISI），循环前缀就是作为缓冲区或保护区，保护OFDM信号不受符号间干扰（影响）。普通循环前缀对大多数场景已足够，而扩展循环前缀主要针对延迟特别大的场景。FR1对应的子载波间隔配置为15khz、30khz和60khz；FR2对应的子载波间隔配置为60khz和120khz。首先扩展CP有需求，其次只有60k的支持扩展CP估计是综合考虑应用场景（适用于FR1和FR2）和数学模型的结果。

        补充概念：

                ①5G三大应用场景：eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、URLLC（ultra-reliable & low-latency communication，超高可靠低时延通信）、mMTC（massive Machine Type of Communication，海量机器类通信）。

                ②Sub6G是一段5G频段，工作频率在6000MHz（6G）以下的频段。mmWave又称毫米波，频段在24GHz以上。

3 帧结构（Frame structure）

       定义：

                ，其中Hz，；

                ，其中，Hz，。

        帧（frame）时长

        子帧（subframe）时长

        1 frame = 2 half-frame = 10 subframe 

        每子帧中的时隙（slot）数、每时隙中连续的OFDM符号数取决于下二表给出的循环前缀：

Table 4.3.2-1: Number of OFDM symbols per slot, slots per frame, and slots per subframe for normal cyclic prefix.

0	14	10	1
1	14	20	2
2	14	40	4
3	14	80	8
4	14	160	16

Table 4.3.2-2: Number of OFDM symbols per slot, slots per frame, and slots per subframe for extended cyclic prefix.

2	12	40	4

        每子帧中连续OFDM符号（symbol）数为

        3.1 Mini-Slot介绍

                Slot是5G NR网络标准的调度单元或传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）。

                5G NR网络中数据传输可以从时隙内的任一OFDM符号开始直至最后一个保持通信所需的符号（2、7或7个符号长度），这就是“Mini-Slot”的概念。与Slot不同，Mini-Slot与帧结构没有固定关系，这样不用等待时间轮循，可不受帧结构限制直接调度。

                Mini-Slot有利于低延迟的数据通信，最大限度减少对其他射频链路的干扰。

4 物理资源

         4.1 资源单元（RE）

                Resource Element用索引对唯一标识，其中k是频率索引，l是时域中相对于某个参考点的符号位置索引。该RE对应于物理资源和复数值。

         4.2 资源单元组（REG）

                Resource Element Group在频域上包含个连续的子载波，时域上包含1个OFDM符号。

        4.3 资源块（RB）

                Resource Block在频域上包含个连续的子载波，时域上未定义。

                4.3.1 Point A

                        用作资源格的公共参考点，位置可从以下获得：

                                ①offsetToPointA：这个参数定义了Piont A与频率最低点之间的频率偏差。

                                ②absoluteFrequencyPointA：直接定义了Piont A的频率，单位是ARFCN。 

                4.3.2 公共资源块（CRB）

                        在参数Numerology 给定的情况下，每个RE所在的CRB（Common Resource Block）标号为。

                        可以这样理解：

                                ①对于一个载波带宽（Carrier Bandwidth），CRB的标号从0递增，一个PRB对应着一个CRB。

                                ②CRB0的子载波（SC，1个SC对应1个RE）0的中心即为Point A。

                4.3.3 物理资源块（PRB）

                        Physical Resource Block是L1物理层时频资源概念。

                        PRB标号在如下关系中：

                                        

                        注意：

                                ①只在BWP中定义，且在每个BWP中从0标号递增。

                                ②是部分载波带宽i（BWP）中PRB0相对于CRB0的RB标号。

                        图中CRB(Carrier Resource Block)可以理解为一种全局编号的资源块，它对整个工作带宽进行编号；PRB(Physical Resource Block)可以理解为一种局部编号的资源块，它仅对BWP内的资源块进行编号。

                4.3.4 虚拟资源块（VRB）

                        Virtual Resource Block是L2 MAC层时频资源概念。

                        VRB标号在BWP内定义，计数在0到。

                        基站一般通过VRB给UE指示资源信息，具体的物理资源映射需要计算通过VRB映射到对应PRB后才能得到，一般集中式的表示一个用户的资源占用连续的RB，分布式表示一个用户占用带宽上不连续的RB资源，提高系统的频率分集增益，提高抗干扰能力。

                4.3.5 交错资源块（IRB）

                        定义参数interlace ，其中M由下表关系所得：

 Table 4.4.4.6-1: The number of resource block interlaces.

	M
0	10
1	5

                        此外Interlaced Resource Block标号。

                        IRB的CRB标号关系式如下：        ​​​​                                     

                        

                                   

                                   

                                                                    

                        其中，，。

        4.4 载波带宽分块（BWP）           

                        4.4.1 BWP的定义和特点                 

                                Bandwidth part定义为核心网配置给UE的一段连续的带宽资源，即为一个载波内连续的多个资源块(RB,Resource Block)的组合，可实现网络侧和UE侧灵活传输带宽配置。简单的来看就是把一个带宽的载波分割成几个BWP，每个BWP包含一段连续的物理资源块(PRB)。

                根据配置场景，BWP可以分为以下4类：

                ①初始BWP
                        UE在初始接入阶段使用的BWP，通过系统消息SIB1或者RRC重配置消息通知给UE。
                ②专用BWP
                        UE在RRC连接态配置的BWP，一个UE在每个载波上最多配置4个BWP。
                ③激活BWP
                        UE在RRC连接态某一时刻激活的BWP，是专用BWP中的一个，UE在RRC连接态某一时刻只能激活一个专用BWP。
                ④缺省BWP
                        UE在RRC连接态时，当BWP的bwp-inactivityTimer超时后UE所工作的BWP，也就是专用BWP中的一个，通过RRC信令指示哪一个专用BWP作为缺省BWP。

                BWP具有以下4个特点：
                ①UE可以配置多个BWP，但同时只能激活一个。
                ②不同BWP可以使用不同的参数集（SCS和CP）。也就是说不同BWP可以针对不同的业务使用的子载波间隔
                ③PRB在BWP范围内定义。
                ④不同UE可以配置不同的BWP，UE的所有信道资源均配置在BWP内进行分配和调度，也即UE在激活的BWP范围内收发消息。

                引入BWP的5个目的：
                ①LTE中，所有UE都能支持最大载波带宽20MHz,但是NR的最大载波带宽可达100MHz(FR1)或400MHz(FR2),若让所有的UE都支持如此大的带宽显然不合理，由此引入的BWP可以让NR对接收机带宽小于整个载波带宽的UE提供支持。
                ②UE工作在较大载波带宽时耗电，因此可以通过在不同大小的BWP之间转换和自适应以降功耗。(类似于载波关断)
                ③通过切换BWP可以变换空口参数集，以满足不同的业务场景。(不同的子载波间隔)
                ④载波中可以配置不连续的频段。（充分利用频段资源）
                ⑤载波中可以预留频段，用于支持尚未定义的传输格式。

                     4.4.2 BWP的频率位置

                        如下图所示：

                            

                            

                补充RRC介绍：

                        RRC(Radio Resource Control, 无线资源控制)，是整个无线通信协议栈接入层的消息配置中心以及控制中心，其重要性不言而喻 。

                        首先，可将RRC层理解为网络和UE都应该理解的通用语言。如你所知，UE和网络之间是通过无线信道进行通信的。通信的最终目标是在通信双方之间交换数据(用户数据)，要做到这一点有很多事情(尤其是很多下层问题)需要共同配置。在低端通信系统的情况下，这些通用配置是在产品投放市场之前完成的，一旦发布，这些配置就不会更改。但是，在许多高端通信系统(例如，蜂窝通信)中，这些配置应动态地改变，以在通信时获得最佳配置。然而，问题在于，通信双方如何就这些通用配置达成协议?为此，我们需要一种特殊的控制机制来在通信双方之间交换有关这些配置的信息。该控制机制的最终实现称为RRC。

                        其次，每个通信方(网络和UE)的RRC的另一个主要作用是充当每个系统内所有较低层的控制中心。UE或基站内所有较低层的集合称为“无线资源”(即，使无线通信成所需的资源)。那么，RRC的主要作用是给其下层(PHY，MAC，RLC，PDCP)控制或配置所有无线资源，从而可以使得在UE与基站(例如，gNB，eNB，NB，BTS等)之间进行通信。

        4.5 资源栅格（RG）

                Resource Grid由个子载波和个OFDM符号定义，其中表示DL/UL，由下表给定。每个天线端口p，每个子载波间隔配置μ以及每个传输方向（上行或下行）对应一个资源格。

        4.6 天线端口

                同一天线端口（antenna port）p上，某一符号的信道可以由另一符号的信道推知。

                antenna port主要是物理层预处理过程的概念，是一个逻辑概念，跟物理天线端口不一定一一对应，其主要作用是表征无线信道(Radio Channel)状态，也就是凡是从相同port发出来的数据经历(Propagate)的信道状况都是相同的。

                跟某个Antenna Port相关联的所有信号/数据都在完全相同的天线配置上传输，并且端口会有专门的参考信号配置，因为接收端需要参考信号来估计信道，从而能解析该端口上传输的数据。

                换句话说，每个单独的下行链路传输都是从特定的天线端口发送的，UE的身份是已知的，并且当且仅当它们是从特定的天线端口发送的，UE才能假设两个发送的信号已经经历了相同的无线信道，即为相同的逻辑天线端口（也就是只要是不同的信号经过相同的信道，就认为经历了相同的逻辑天线端口）。

                在实践中，至少用于下行链路传输的每个天线端口都可以声明为对应于特定参考信号。UE接收机可以假设该参考信号可以用于估计与特定天线端口相对应的信道。UE还可以使用参考信号来推导出与天线端口有关的信道状态信息。下面列出了3gpp规范38.211中针对5G NR定义的天线端口集：

                下行链路

                PDSCH（Dwonlink共享信道）：天线端口从1000开始（1000系列）
                PDCCH（控制信道）：从2000年开始的天线端口（2000系列）
                CSI-RS（信道状态信息）：天线端口从3000开始（3000系列）
                SS块/ PBCH（广播频道）：从4000开始的天线端口（4000系列）

                上行链路

                PUSCH / DMRS（上行共享信道）：天线端口从1000开始（0系列）
                SRS，预编码的PUSCH：从1000开始的天线端口（1000系列）
                PUCCH（上行控制信道）：从2000年开始的天线端口（2000系列）
                PRACH（随机访问）：从4000开始的天线端口（4000系列）

                如上所示，天线端口编号中有一个定义的结构，以便用于不同目的的天线端口必须具有不同范围内的编号。例如，以1000开头的下行链路天线端口用于PDSCH。PDSCH的不同传输层可以使用此系列中的天线端口，例如用于两层PDSCH传输的1000和1001。

                应当注意，天线端口是抽象概念，其不一定对应于特定的物理天线端口。天线端口到物理天线的映射由波束形成控制，因为某些波束需要在某些天线端口上传输信号以形成所需波束。因此，有可能将两个天线端口映射到一个物理天线端口，或者将一个天线端口映射到多个物理天线端口。

                若在一个天线端口上传输的某一符号的信道的大尺度特性，可以从另一个天线端口上传输的某一符号的信道推知，则这两个天线端口被称为是准共定位（quasi co-located，QCL）的。大尺度特性包括一个或多个时延扩展，多普勒频移，平均增益，平均时延，空间Rx参数。

        4.7 载波聚合（CA）

                多个小区的传输可以被聚合起来，除了主小区之外最多可聚合15个次级小区。除非另有说明，本规范中的描述适用于多达16个服务小区中的每一个。

                对于具有未对齐帧边界的小区的载波聚合（carrier aggregation），PCell/PScell和SCell之间的CA时隙偏移由SCell的更高层参数ca-SlotOffset确定。该数量被定义为分别为PCell/PSCell和SCell配置的较高层参数scs-SpecificCarrierList给出的子载波间隔中最低子载波间隔配置的最大值。

                CA技术可以将多个成员载波（ComponentCarrier，CC）聚合在一起，实现更大的的传输带宽，有效提高了上下行传输速率，如下图所示。终端根据自己的能力大小决定最多可以同时利用几个载波进行上下行传输。

                根据聚合载波所在的频段，载波聚合可以分为：频段内（intra-band）载波聚合和频段间（inter-band）载波聚合。同频段内的载波聚合，可以分为连续的和非连续的载波聚合。频段间的载波聚合是聚合2个或以上不同频段的载波，这会带来射频实现的复杂性。如果是不同制式的，比如TDD和FDD频段之间的载波聚合，实现会更为复杂。

                略。

5 通用函数

        5.1 调制映射器（Modulation mapper）

                调制映射器采用二进制0或1作为输入，产生复值调制符号作为输出。

                见：pi/2 BPSK和QPSK调制星座图

        5.2 序列生成（Sequence generation）

                5.2.1 伪随机序列生成（Pseudo-random sequence generation）

                        背景知识见https://blog.csdn.net/Jackiezhang1993/article/details/123881396 。

                        通用伪随机序列由长度为31的Gold序列定义，输出长度为序列出， 其中。表示如下： 

                                           

                         其中：

                                ；

                                第一个m序列的初始值，特征多项式为；

                                第二个m序列的初始值取决于序列的具体应用，其特征多项式为。

6 NR信道结构

逻辑信道类型	NR逻辑信道	方向
控制信道	广播控制信道（BCCH）	D
	寻呼控制信道（PCCH）	D
	公共控制信道（CCCH）	U/D
	专用控制信道（DCCH）	U/D
业务信道	专用业务新信道（DTCH）	U/D

传输信道类型	NR传输信道
下行传输信道	广播信道（BCH）
	寻呼信道（PCH）
	下行共享信道（DL-SCH）
上行传输信道	随机接入信道（RACH）
	上行共享信道（UL-SCH）

        

7 上下行物理信道和物理信号

        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。

参考5G-NR物理信道与调制v1.1.0。

5g nr物理层主要参数介绍见射频工程师关注的5G NR空口物理层主要参数摘要解读。

参考NR中关于RE、RB、CRB、PRB、VRB、REG、RBG、CCE等概念。