第4章：帧结构和物理信道

2023-12-31 05:26| 来源: 网络整理| 查看: 265

在通信相关的工作当中，比如通信算法工程师、通信开发工程师、通信协议预研工程师等等，都需要与通信协议打交道。我刚学习5G物理层协议的时候，是从王映民《5G移动通信系统设计与标准详解》这本书开始边学的，当时也做了一些笔记，现在将这些笔记分享在这里。

这本书我在《向各位前辈请教，5g的3gpp协议该怎么去看，能给一点意见吗?》和我自己的专栏陈老湿：《通信MATLAB仿真》合集也多次推荐过。

本次的内容来源是《5G移动通信系统设计与标准详解》的第4章——帧结构和物理信道。下面中的标粗体部分是重点，值得熟练掌握。

帧结构是空口设计的基础。NR设计的目标是用一个统一的空口结构来满足所有的业务要求，并且高效支持不同业务的资源复用传输。前向兼容性是指未来的网络中引入新的业务或者新特性之后，当前的UE在未来网络中的性能下降仅与被新业务和新特性占用的资源成比例。前向兼容性对空口设计的影响主要体现在以下几个方面：允许配置并预留空白资源以待未来使用。最大化可以预留为空白资源的时频资源量，确保未来不会产生后向兼容性问题了，即空白资源足够多，不会对新特性和新业务的部署产生限制。尽量减少持续传输的信号。尽量避免必须占用整个系统带宽的信号。将实现物理层功能的信号和信道限制在可以配置的时频资源内。这样，网络可以灵活将物理信号和物理信道配置在不影响新特性的时频资源内。通常讲的sub 6G：FR1（450-6000MHz）；通常讲的毫米波段：FR2（24250-52600MHz）基本参数集NR的设计目标是用统一的空口支持100GHz以内的频段，因此帧结构和物理信道的各个方面均考虑了对高、低频段的支持。基本参数集设计：OFDM系统的基本参数集包括子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）和循环前缀（Cyclic Prefix）长度。NR支持多种子载波间隔以适应不同的频段，其中60kHz和120kHz子载波间隔的重要应用场景是毫米波频段。帧结构方面：引入微时隙调度支持是一个时隙内用户间的时分复用，克服高频段模拟波束带来的调度灵活度的问题。参考信号设计：高、低频段统一设计参考信号，并引入相位跟踪参考信号（Phase Tracking Reference Signal，PT-RS），目的是跟踪和补偿相位噪声，因为相位噪声在毫米波对解调有显著的影响。物理信道设计：为补偿毫米波的路径损耗，NR上下行的初始接入信道均设计了波束扫描的发送/接收机制，扩展覆盖范围。

大规模天线大规模天线技术对于满足5G对高速率和大容量传输的需求来说非常关键。一方面，通过极窄的波束实现对高阶MU-MIMO的支持，提升频谱效率，在带宽有限的条件下尽量提升传输速率；另一方面，大规模波束赋形所能提供的波束赋形可以补偿高频段通信的路径损耗，使得利用高频段丰富的频谱资源进行移动通信成为可能。

使用MIMO的好处：

图片来自《5G NR in Bullets》的P92NR支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD），而且TDD是NR主要的双工方式低频段可以用于移动通信的频段日益稀少，5G的目标工作频段高高于4G系统的工作频段，甚至需要在毫米波频段进行部署。在这种情况下，难以分配FDD系统所需的成对频谱。TDD系统可以利用信道互易性实现大规模天线技术，以较低的开销获得高精度信道状态信息，相比于FDD系统有天然的优势。因此，NR在设计上重点对TDD的帧结构和控制方式进行了优化。NR 上下行波形DFT-s-OFDM 在PAPR、资源分配灵活度和检测复杂度等方面取得了比较好的均衡，因而被选为LTE上行波形。CP-OFDM 优点：IFFT/FFT快速实现、易于与MIMO技术结合、使用简单的子载波均衡算法、支持灵活的资源分配，因而被选为LTE下行波形。缺点：对时间和频率同步误差敏感，且带外辐射比较大。NR上行也支持CP-OFDM，原因如下：NR对空口超高传输速率的要求会给基站带来很高的计算复杂度。均衡和检测算法简单的CP-OFDM调制比单载波调制更有优势；器件技术的发展，上行PAPR问题得到了一定程度的缓解；上下行采用相同的调制波形，有利于TDD系统上下行之间的干扰测量和管理。NR上行也支持DFT-s-OFDM波形，用于上行覆盖受限的场景，只支持单流传输。上行传输所使用的波形由基站配置。在低频段，需要使用较小的子载波间隔，避免CP所占的开销过大，而在毫米波频段需要使用较大的子载波间隔，以避免高频段的多普勒频偏带来严重的子载波间干扰。NR支持多种子载波间隔，不同的子载波间隔之间呈倍数关系，并且倍数必须为2的整数次幂。这样设计的一个目的是支持不同子载波间隔信号传输的时分复用以及在一个OFDM符号内的频分复用。CP长度随子载波间隔进行缩放，目的使不用子载波间隔的OFDM符号之间能实现边界对齐。OFDM符号级对齐的好处有以下几个：在符号级实现不同载波间隔的数据之间的时分复用，降低时延；不同子载波间隔的数据频分复用时，一个较短的OFDM符号仅会对一个较长的OFDM符号产生干扰，易于控制和管理干扰。在LTE和NR同频共存时，NR可以在LTE子帧的部分OFDM符号上传输，符号边界对齐可以减少NR和LTE之间的干扰。NR的子帧仅作为计时单位，不再作为基本的调度单元，目的是支持更灵活的资源调度方式。

基于时隙和微时隙调度基于时隙和微时隙调度 P55下面NR支持基于时隙的资源调度[13]，其资源在时域起始于PDCCH区域之后，至少占用3个OFDM符号，可以在时隙的最后一个OFDM符号之前结束。基于时隙调度的问题在于，如果一个数据分组在时隙的中间到达，则最早也要等到下一个时隙才能开始传输，不利于满足uRLLC等时延敏感业务的要求。为此，NR也支持基于微时隙（Mini-slot）的调度。微时隙可以开始于一个时隙内的任意一个OFDM符号，下行微时隙的长度可以是2个、4个或7个OFDM符号[13]，上行微时隙的长度则可以是1～14个OFDM符号以内的任意长度，如图4-6所示。基于微时隙的调度可以支持多个UE在一个时隙内的TDM复用，这对高频段尤其重要。由于模拟波束赋形的限制，高频段难以实现两个不同方向UE的FDM资源复用，而在极窄的模拟波束条件下，多个UE的波束相同的概率很低，造成一个时隙只能被一个UE独占的情况，资源利用不够灵活。

而基于微时隙调度，一个时隙的资源可以在时域内进行分割，针对不同的UE采用不同的模拟波束进行传输。在NR和LTE同频共存的场景中，为了避开LTE的CRS和PDCCH等，对NR PDSCH的调度有一定的限制，这时可以在没有CRS和PDCCH的符号上以微时隙调度PDSCH，充分利用资源。如图4-7所示，微时隙调度NR PDSCH在LTE子帧的PDCCH和CRS之间的OFDM符号传输。此外，NR的后续版本将扩展到非授权频段。非授权频段上工作的系统将以抢占的方式获取资源，抢占到的资源在时间上往往不能和时隙对齐，即抢占到的资源是从一个时隙的中间开始的。如果只能以时隙为单位进行调度，这一部分资源将被浪费，而采用微时隙调度则可以充分利用这部分资源。

NR支持100MHz（400MHz）系统带宽，提供极高速率的数据传输。同时，NR允许UE只工作在系统带宽的一部分，例如20MHz，主要的考虑有以下两个：终端能力的限制：支持大带宽对UE的功耗和成本等都是比较大的挑战，由于实现能力的限制，部分UE可能选择仅支持较小的带宽传输。节能的考虑：即使UE能支持大带宽传输，在不必要时（如业务量不高时），UE可以关闭部分射频通道以降低功耗。NR在系统带宽内定义了公共资源块（Common Resource Block，CRB）。CRB从系统带宽的一个参考点开始编号，该参考点被称为Point A。在系统带宽内，不同子载波间隔的CRB构成的CRB构成的CRB网格之间独立，也就是说，对于每种子载波间隔，其CRB0的子载波0和PointA对齐的。UE通过初始接入过程接入网络之后，网络可以通过专用信令为UE配置其工作BWP，每个UE最多可以配置4个BWP，但在任意时刻仅有1个BWP是激活的。除无线资源管理（Radio Resource Management,RRM）测量之外，UE仅在激活的BWP上收发数据。UE支持的BWP个数以及BWP带宽作为UE能力上报给网络，网络根据UE的能力进行配置。支持多个BWP带来一定的灵活度，可以令UE根据需要在不同的传输带宽之间进行切换；也可以支持不同子载波间隔的传输之间的FDM，即不同的BWP可以配置不同的子载波间隔。此外，一些特殊的场景中存在系统带宽不连续的情况，通过多个BWP的配置可以较好的适应这种频偏分配方式。物理信号的设计主要考虑一下原则尽量避免持续发送的周期性信号NR的物理信号，除同步信号之外，都是可以通过高层信令或者物理层信令开启、关闭的。物理信号占用的时频资源可灵活配置一方面，为了保证前向兼容性，物理层信号不能固定在特定的时间和频率资源发送，否则会限制未来新业务和新特性的引入；另一方面，NR的各种物理信号和信道之间的冲突，也要通过资源的灵活调配来解决。支持大规模波束赋形传输。通过大规模天线的应用，上下行业务信道和控制信道的覆盖及效率都得以提升。解调参考信号（DM-RS）NR上下行相位噪声跟踪参考信号（PT-RS）物理信道PDCCH，承载下行控制信息DCI，主要是UE接收PDSCH和传输物理上行共享信道（PUSCH）所需的调度信息，也可以传输时隙格式指示（Slot Format Indicator,SFI）和抢占指示（PI）等。PUCCH，承载上行控制信息UCI，反馈HARQ-ACK信息，指示下行的传输块是否正确接收；上报信道状态信息；在有上行数据到达时请求上行资源。PUCCH的天线端口为2000。NR采用大规模天线技术有效地解决了高频段带来的覆盖变小的难题。通过大规模天线的波束赋形增益，业务信道的覆盖范围得以普遍提升。尤其对于毫米波频段，必须通过波束赋形技术才能补偿高频段的路径损耗，使得通信距离达到有意义的范围。一个SSB突发集内的SSB个数主要取决于两个因素：系统开销和覆盖的要求。SSB个数越多，基站就可以用更多更窄的波束发送SSB，从而获得更大的波束赋形增益和更好的覆盖效果（波束越窄，需要的天线数量越多），但是相应的系统开销也等比例地增加。NR分频段定义了允许的最大SSB个数。随着频点的升高，对于提升SSB覆盖的需求增强，允许的SSB数目也增大。在实际的网络中，基站可以根据系统频点、用户分布等因素选择实际发送的SSB的个数和方向。NR的PDSCH和PDCCH均采用波束赋形技术，但是两者的目标不一样。PDSCH追求频谱效率，其波束应该尽量窄，以获得更大的波束赋形增益；而对于PDCCH来说，可靠性是更为重要的目标，因此PDCCH的波束可以宽一些。空分复用的目的也是提高频谱效率，提高容量不是PDCCH设计的主要目标，因此NR不支持PDCCH的空分复用传输。NR PDCCH仅支持单端口传输一个数据流。PDSCH和PUSCH的DM-RS采用了DM-RS为解调导频，DM-RS和数据的预编码相同，因此基于DM-RS估计出的信道可以直接用于数据的解调。为满足上、下行的峰值速率要求，PDSCH和PUSCH单用户最多分别支持8流和4流传输。多用户MIMO调度时的一个UE最多支持4流传输。PDSCH和PUSCH在支持MU-MIMO的情况最多可以配置12个正交DM-RS端口。一个UE最多可以配置4个BWP（取决于UE能力），数据传输可以在4个BWP之间进行切换，通过DCI信令指示或者高层信令配置进行切换。PDSCH和PUSCH时域资源的映射类型有两种：TypeA和TypeB。Type A是基于时隙的调度，Type B是基于微时隙的调度。Type B调度的主要目标是支持uRLLC业务。Type A调度的起始符号位置可以是0、1、2、3，Type B调度的起始符号位置可以是任意的符号。Type A的前置DM-RS位置固定在第3个或者第4个OFDM符号上，Type B的前置DM-RS位置总是在PDSCH或者PUSCH的第一个OFDM符号上。在频域，NR支持多种子载波间隔，网络可以根据频段和业务等的需求进行选择；时域上，NR保留了帧和子帧设计，但是子帧仅用作计时单位，调度的基本单位为时隙。为降低传输的时延，NR引入了微时隙作为调度的单位，微时隙结合PDCCH发送机会的多样配置，可以降低空口传输的时延。NR物理信道和物理信号的设计在充分考虑多种频段和多种业务要求的同时，也非常注重系统的前向兼容性，为未来引入新特性做好准备。

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这是《陈老湿·5G协议学习笔记》的第2章，下次更新见！

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