第五代移動通信技術講師亢建華CONTENTS

5GNR空中接口

NR無線幀結構

NR物理信道和信號

NR信道編碼5G移動通信技術第三章核桃AI【本章內容】5G空中接口和LTE相比，既有延續又有發展。本章主要介紹了5GNR的空中接口，包括無線幀結構、Numerology概念、NR的物理信道和信號、5GNR新的調制方式256QAM等，特別是Numerology概念最能體現5G空口的新特性，是5G實現新功能和強大性能的基礎。本章最后介紹了5GNR的數據信道的編碼LDPC碼和信令信道的編碼Polar碼。5GNR空中接口3.1NR無線幀結構3核桃AI3.1.1幀結構和Numerology的概念5G的新空中接口稱為5GNR，從物理層來說，5GNR相對于4G最大的特點是支持靈活的幀結構。5GNR引入了Numerology的概念，Numerology可翻譯為參數集或配置集，意思指一套參數、包括子載波間隔、符號長度、CP(循環前綴)長度等，這些參數共同定義了5GNR的幀結構。5GNR幀結構由固定架構和靈活架構兩部分組成，如圖3-1所示。圖3-1NR無線幀結構核桃AI

在固定架構部分，5GNR的一個物理幀長度是10ms，由10個子幀組成，每個子幀長度為1ms。每個幀被分成兩個半幀，每個半幀包括五個子幀，子幀1～5組成半幀0，子幀6～10組成半幀1。這個結構和LTE基本一致。在靈活架構部分，5GNR的幀結構與LTE有明顯的不同，用于三種場景eMBB、uRLLC和mMTC的子載波的間隔是不同的。5GNR定義的最基本的子載波間隔也是15kHz，但可靈活擴展。所謂靈活擴展，即NR的子載波間隔設為2μ×15kHz，μ∈{-2，0，1，…，5}，也就是說子載波間隔可以設為3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz等，這一點與LTE有著根本性的不同，LTE只有單一的15kHz子載波間隔。表3-1列出了NR支持的五種子載波間隔，表中的符號μ稱為子載波帶寬指數。表3-1NR支持的五種子載波間隔μΔf?=?2μ?×?15(kHz)循環前綴(CP)015正常130正常260正常、擴展3120正常4240正常核桃AI由于NR的基本幀結構以時隙為基本顆粒度，當子載波間隔變化時，時隙的絕對時間長度也隨之改變，每個幀內包含的時隙個數也有所差別。比如在子載波帶寬為15kHz的配置下，每個子幀時隙數目為1，在子載波帶寬為30kHz的配置下，每個子幀時隙數目為2。正常CP情況下，每個子幀包含14個符號，擴展CP情況下包含12個符號。表3-2和3-3給出了不同子載波間隔時，時隙長度以及每幀和每子幀包含的時隙個數的關系。可以看出，每幀包含的時隙數是10的整數倍，隨著子載波間隔的增大，每幀或是子幀內的時隙數也隨之增加。表3-2正常循環前綴下OFDM符號數、每幀時隙數和每子幀時隙數分配核桃AI在表3-2和表3-3中，μ是子載波配置參數，是每時隙符號數目，是每幀時隙數目，是每子幀時隙數目，子載波間隔=2μ×15kHz，子幀由一個或多個相鄰的時隙形成，每時隙具有14個相鄰的符號。3GPP技術規范38.211規定了5G時隙的各種符號組成結構。圖3-2例舉了格式0～15的時隙結構，時隙中的符號被分為三類：下行符號(標記為D)、上行符號(標記為U)和靈活符號(標記為X)。表3-3擴展循環前綴的每時隙OFDM符號數、每幀時隙數和每子幀時隙數核桃AI下行數據可以在D和X上發送，上行數據可以在U和X上發送。同時，X還包含上下行轉換點，NR支持每個時隙包含最多兩個轉換點。由此可以看出，不同于LTE上下行轉換發生在子幀交替時，NR上下行轉換可以在符號之間進行。圖3-25GNR時隙的符號配置核桃AI由于每個時隙的OFDM數目固定為14(正常CP)和12(擴展CP)，因此OFDM符號長度也是可變的。無論子載波間隔是多少，符號長度×子幀時隙數目=子幀長度，子幀長度一定是1ms。子載波間隔越大，其包含的時隙數目越多，因此，對應的時隙長度和單個符號長度會越短。各參數如表3-4所示。表3-4OFDM符號長度可變數表Parameter/Numerlogy(μ)/(參數/參數集)01234子載波(subcarrier)間隔/kHz153060120240每個時隙(slot)長度/μs100050025012562.5每個時隙符號數(NormalCP)/個1414141414OFDM符號有效長度/μs66.6733.3316.678.334.17循環前綴(CyclicPrefix)長度/μs4.692.341.170.570.29OFDM符號有效長度(包含CP)/μs71.3535.6817.848.924.46OFDM符號長度(包含CP)?=?每個時隙(slot)長度/每個時隙符號數(NormalCP)3.1.2各種子載波的幀結構劃分雖然5GNR支持多種子載波間隔，但是在不同子載波間隔配置下，無線幀和子幀的長度是相同的。無線幀長度固定為10ms，子幀長度為1ms。那么不同子載波間隔配置下，無線幀的結構有哪些不同呢？答案是每個子幀中包含的時隙數不同。在正常CP情況下，每個時隙包含的符號數相同，且都為14個。下面根據每種子載波的間隔配置，來看一下5GNR的幀結構。1．正常CP(子載波間隔=15kHz)如圖3-3所示，在這個配置中，一個子幀僅有1個時隙，所以無線幀包含10個時隙，一個時隙包含的OFDM符號數為14。圖3-3正常CP(子載波間隔15kHz)2．正常CP(子載波間隔=30kHz)如圖3-4所示，在這個配置中，一個子幀有2個時隙，所以無線幀包含20個時隙。1個時隙包含的OFDM符號數為14。圖3-4正常CP(子載波間隔30kHz)3．正常CP(子載波間隔=60kHz)如圖3-5所示，在這個配置中，一個子幀有4個時隙，所以無線幀包含40個時隙。1個時隙包含的OFDM符號數為14。圖3-5正常CP(子載波間隔60kHz)4．正常CP(子載波間隔=120kHz)如圖3-6所示，在這個配置中，一個子幀有8個時隙，所以無線幀包含80個時隙。1個時隙包含的OFDM符號數為14。圖3-6正常CP(子載波間隔120kHz)5．正常CP(子載波間隔=240kHz)如圖3-7所示，在這個配置中，一個子幀有16個時隙，所以無線幀包含160個時隙。1個時隙包含的OFDM符號數為14。圖3-7正常CP(子載波間隔240kHz)6．擴展CP(子載波間隔=60kHz)如圖3-8所示，在這個配置中，一個子幀有4個時隙，所以無線幀包含40個時隙。1個時隙包含的OFDM符號數為12。圖3-8擴展CP(子載波間隔=60kHz)通過以上配置的例子可以得出如下結論：(1)雖然5GNR支持多種子載波間隔，但是不同子載波間隔配置下，無線幀和子幀的長度是相同的。無線幀長度為10ms，子幀長度為1ms。(2)不同子載波間隔配置下，無線幀的結構有所不同，即每個子幀中包含的時隙數不同。另外，在正常CP情況下，每個時隙包含的符號數相同，且都為14個。(3)時隙長度因為子載波間隔不同會有所不同，一般是隨著子載波間隔變大，時隙長度變小。3.1.3物理資源

NR的物理資源包括三部分：頻率資源、時間資源和空間資源。在這里，頻率資源指的是子載波，時間資源指的是時隙/符號，空間資源指的是天線端口。子幀時隙資源結構如圖3-9所示。1．天線端口天線端口是由參考信號定義的邏輯發射通道，也就是天線邏輯端口。它是物理信道或物理信號的一種基于空口環境的標識，相同的天線邏輯端口信道環境變化一樣，接收機可以據此進行信道估計從而對傳輸信號進行解調。在同一天線端口上，某一符號上的信道可以由另一符號上的信道推知。如果一個天線端口上某一符號傳輸的信道的大尺度性能可以被另一天線端口上某一符號傳輸的信道所推知，則這兩個天線端口被稱為準共址(Quasico-Located)。大尺度性能包括一個或多個延時擴展、多普勒擴展、多普勒頻移、平均增益，平均時延和空間接收參數。2．資源網格資源網格由個子載波和個OFDM符號構成，由更高層的信令指示。每個傳輸方向(上行鏈路或下行鏈路)有一組帶有下標的資源網格x，分別將下行鏈路和上行鏈路設置為DL和UL。給定天線端口有一個資源網格p、子載波間隔配置μ和傳輸方向(下行鏈路或上行鏈路)。核桃AI圖3-9子幀時隙資源結構載波帶寬用于子載波間隔配置，由SCS-SpecificCarrierIE(子載波間隔-指定載波)中的高層參數CarrierBandwidth(載波帶寬)給出。起始位置用于子載波間隔配置，由SCS-SpecificCarrierIE中的高層參數offsetToCarrier(載波偏移)給出。3．RE天線端口p和子載波間隔配置μ的資源格中的每個元素被稱為RE(ResourceElement，資源粒子)，并且由索引對(k，l)唯一地標識，其中k是頻域索引，l是時域索引。RE可分為4類：Uplink(上行)，Downlink(下行)，Flexible(靈活)，Reserved(保留)。4．RBRB(ResourceBlock，資源塊)的定義和LTE是不一樣的：5GRB是頻域上連續的12個子載波，時域上沒有定義，稱為1個RB。而且由于5G引入了Numerology的概念，在不同的配置集下，不同的子載波間隔對應的最小和最大RB