NR5G基础概念扫盲

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前言

随着人工智能、万物互联时代的到来，人类社会进入到一个新的阶段。新兴的科技产业对信息社会基础设施提出了更高的要求，对低时延、大带宽、高流量的需求，催生了5G技术，并推动其蓬勃发展。通信，作为人类社会的基本需求，在新的时代里，将会一如既往地起到至关重要的作用，这也意味着5G技术将会是构建新的信息产业的重要支柱。本文将对5G所使用的通信技术——NR5G，进行基本概念的扫盲，让大家一窥信息技术的基础支柱的内部构造。

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BWP

BWP(bandwidth part)是一个载波内一组连续的PRB。

每个BWP都会相应地有一个对应的numerology，带宽以及频率位置。网络为每个UE最多可以配置4个BWP，但是在任意时刻，只能使用其中一个BWP。BWP的配置是UE特定的，换言之，一个小区内不同UE的BWP配置可能会有所不同，网络会为每个UE配置专属于其的BWP配置。

BWP的用处主要有以下三点：

• 支持带宽有限的UE，UE不一定能支持整个载波带宽
• 支持在一个载波内使用不同的子载波间隔(subcarrier spacing, SCS)
• 省电

与LTE相比，NR5G理论上所支持信道带宽要大得多，UE并不一定能支持这么大的带宽。因此，为了让带宽有限的UE运行在带宽较大的小区，引入了BWP机制。

由于不同的BWP可能使用不同的nemerology，因此其子载波间隔(SCS)可能会有所不同。网络会在不同的时刻动态地切换，让UE使用不同的BWP，这样，UE就能在一个载波内使用多个不同的子载波间隔。

不同的BWP相互间可能会部分重叠，覆盖到同样的PRB上，但是，因为任意时刻只能使用一个BWP，所以它们之间不会产生冲突。例如，在上图中，BWP1、BWP2、BWP4相互重叠，但是在任意时刻，UE只会使用其中一个，因此不会有冲突。

由于所支持的带宽更大，与LTE相比，NR5G的功耗要大得多。为了减少UE耗电，gNB会将数据业务相对较少的UE切换到带宽更窄、PDCCH监测周期更长的BWP上，这样就能让UE检测更少的PRB，并在相邻的PDCCH监测点(PDCCH monitoring occasion)间有更长的睡眠时间。

对FDD，上行和下行各自都最多支持4个BWP，但是在任意时刻，只能使用一个上行BWP和一个下行BWP。

5G NR波形

与LTE类似，5G使用基于OFDM的波形来传输信号。在eMBB和URLLC场景下，5G的上下行都使用CP-OFDM，其频率利用率比LTE的90%还要大。在上行使用单流传输(single layer transmission)的情况下，NR也可以使用DFT-s-OFDM。

OFDM波形

OFDM通过多个并行的窄带信号来表示一路数据流。通过快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)可以有效地产生一个OFDM信号，通过size-N IFFT进行采样，就可以生成$N_{sc}$个离散频率。

在OFDM信号中，由于信号传播路径存在时延，并且由于存在散射折射等现象，信号会通过多路传播路径到达接收端，这样就可能会导致不同的symbol之间相互重叠，从而导致不同symbol信号之间失去正交性， 这就是多径的问题。

为了解决这一问题，引入了循环前缀(Cyclic Prefix, CP)，在不同symbol之间，通过复制并粘贴调制信号的尾端，将CP插入到其中，这样就能消除symbol之间的相互干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)，从而维持OFDM信号的正交性。

循环前缀

循环前缀(cyclic prefix, CP)的引入消除了symbol间的相互干扰，但与此同时，也降低了使用效率，每个symbol的时间利用率从原来的100%变成了$T_u/(T_u+T_{cp})$。循环前缀的选择取决于延迟扩展(delay spread)。

DFT-S-OFDM

过高的峰值均值功率比(peak to average power ratio, PAPR)是上行的一个重要问题。对每个使用OFDM的载波而言，可能出现较大的功率波动。而对于一个UE发射机而言，又必须具有以下三个特征：

• 复杂度低
• 发射功率有限
• 成本低

因此，需要一些额外的技巧对OFDM symbol进行处理，以实现较小的功率波动，从而满足上述三个特征。NR5G通过DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM)来实现这点，使用DFT预编码，可以使OFDM信号相对更加平滑，降低其功率波动，这就是LTE以及NR上行所使用的SC-OFDM(SC-FDMA)。

未完待续