NR物理层帧结构

5GNR标准是3GPP组织在4G LTE标准后,为适应新的移动通信发展需要,制订的新标准,它主要考虑的是大数据量、低时延、万物互联的应用场景。虽然是新的标准协议,但NR标准仍然处处有着LTE标准的“影子”,传统上做为代差最明显的物理层核心调制解调技术,NR和LTE采用的都是OFDM技术,这明显区别于2G的GSM采用TDMA/FDMA技术,3G的WCDMA和TD-SDMA采用的是CDMA技术。这也是众多的业内人士认为5G不够“新”的原因,理论技术创新应用不如前几代通信技术在改朝换代时那么明显。虽然在信道编码方面采用了LDPC和Polar编码,但两种编码方式与3G/4G时代用的Turbo编码在吐吞性能上相比,并没有数量级上质的飞跃,3GPP组织内部讨论采用何种信道编码方式时,也做了激烈的争论,最后由于LDPC和Polar工程上实现起来运算量更少利于实现,而最终做了权衡,长码字用LDPC,短码字用Polar,当然这里面也涉及到了产业内各大玩家参与者的利益之争。

从3G时代的CDMA时代开始,到4G/5G时代,无线空口的1个无线帧长(radio frame)都是10ms,体现了其技术体系的一脉相承。不过,NR相对于LTE的子帧(sub frame)和时隙(slot)结构有了很大的区别,LTE子帧固定为1ms,包含2个时隙,子载波间隔(subcarrier space)固定为15KHz,而NR在这方面则灵活变化得多。这种灵活变化,主要是为了适应NR时代的各种应用场景。标准协议定义了一个参数Numerologies(u )来体现这种变化,由 u值的不同,决定了子载波间隔的不同,进而定义了每个无线帧包含的时隙个数、每个子帧包含的时隙个数、每个时隙包含的OFDM符号数的不同。这里边最关键的定义依据来源,在于OFDM子载波间隔的改变,带来OFDM在时间符号长度上的改变。相同的是,NR在资源块(Resource Block,RB)的定义上仍然相同,频域占用12个子载波,时域占用一个时隙的长度。

理论上,OFDM时域符号长度(不包含保护间隔),由子载波间隔决定,为其倒数,由此可知,子载波间隔越大,OFDM时域符号长度就长小,这正有利于低时延场景的应用。

每个资源块(RB)占用带宽

子载波间隔与符号时长关系

NR物理层上行信道定义有随机接入信道PRACH、上行控制信道PUCCH、上行共享信道PUSCH,下行信道定义有主同步信道PSS、辅同步信道SSS、广播信道PBCH、下行控制信道PDCCH、下行共享信道PDSCH,由此可见,上行信道类型大体和LTE相同,但下行信道少了LTE的控制格式指示信道PCFICH和混合自动重传指示信道PHICH。前面说道NR定义了一个参数集Numerologies,那么,是不是每个上下行信道都可以对应多种 值呢?答案是否定的。

每个物理信道承载的业务类型是有其自身特点的,不必要求每个信道支持所有的 u值参数,那样系统过于复杂,也不利于工程实现。比如,NR仅在子载波为60KHz(u =2)的时候,支持Normal和Extended两种CP类型,其它子载波间隔的时候仅支持Normal CP类型。那么,在设计SSB(包含PSS、SSS、PBCH)信道的时候,就不支持子载波间隔为60KHz的场景,这是为了给终端在开机检测接收SSB的时候带来简便,节省时间和实现资源,因为如果SSB支持60KHz的场景,则要检测SSB的时候,就要从接收的空口基带数据中,找到无线帧起始,然后区分CP类型,从而再对接收数据进行相应的OFDM符号级提取数据处理,这无疑带来工程实现上的复杂繁琐

不同于LTE里面的TDD帧结构定义了7种上下行时隙配比无线帧模式,以及9种特殊子帧导频时隙DwPTS、UpPTS的时长,NR并没有预先定义严格的上下行配比以及特殊子帧配比,代之以灵活的广播通知模式,在广播消息里告知上下行结构模式,在一个上下行发射周期内(Transmission Periodicity),通过告知下行时隙个数(nrofDownlinkSlots),下行符号个数(nrofDownlinkSymbols),上行符号个数(nrofUplinkSymbols),上行时隙个数(nrofUplinkSlots)来确定上下行时间结构。通过这种手段,使得NR帧结构可以适应更为灵活的业务结构。

协议里面包含了6种上下行(UL/DL)周期( Periodicity,P)模式,系统可支持其中一种或者多种模式。

以eMBB(增强型无线宽带)场景,30KHz子载波间隔为例,这里例举实现中3种各厂家可能的帧结构。

第一种:

2.5ms双周期结构,在5ms里面有两个不同类型的周期,第一个2.5ms为DDDSU,第二个2.5ms为DDSUU,合在一起为:DDDSUDDSUU。这种类型有两个连续上行时隙,意味着能够接收更远的随机接入申请,有利于提升上行覆盖。

第二种:

2.5ms单周期结构,以2.5ms为周期,重复发射模板DDDSU。这种类型下行时隙多,有利于增大下行吞吐量。

第三种:

2ms单周期结构,以2ms为周期,重复发射DSDU。这种模式上下行转换较为均衡,有效减少网络时延。但上下行切换频繁,需要在上行时隙中牺牲一部分符号做切换。

由前所述,虽然灵活的上下行时隙配置,给灵活的实现各类场景的业务,带来技术实现上的便利,却也给传统的直放站(RP repeater)厂商带来了麻烦。直放站为了解决信号覆盖差的问题,在5G以前的时代,技术上可以实现搜索无线帧边界和确定上下行切换时间点后,对接收的无线帧信号进行中继放大。因为5G前时代的技术标准,上下行帧结构的切换模式较为固定,变化最多的LTE也不超过10种,这种上下行变化少的帧结构特点,给技术上工程实现信号的再生放大带来简单化。然而NR标准中上下行帧结构的不确定性,给实现信号的再生放大,带来了巨大挑战。当然,并非不可实现。

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