淺析5G的基本信息承載單元資源塊

1 引言

傳輸時間間隔（Transmission Time Interval，TTI）是無線鏈路中一個能夠獨(dú)立解碼傳輸信息的時域長度，是傳輸層針對物理層取樣的傳輸時間間隔，是代表最小數(shù)據(jù)傳送時間的系統(tǒng)資源調(diào)度周期，也是系統(tǒng)在時域調(diào)度資源時的一個基本調(diào)度單位。理論上，TTI的時長越短越好，不同的通信系統(tǒng)的TTI時長可能不同，如3G的TTI時長有10ms的，也有20ms的，4G的TTI時長理論上可變，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型在較大范圍內(nèi)適度調(diào)整，最小值為1ms，例如接收端在收到1個完整的無線幀后可立即解調(diào)，這時的TTI時長就是10ms。但實(shí)際中多取1ms，即1個TTI時長是1個子幀的寬度。也就是說，4G基站eNB每次TTI做的一次用戶調(diào)度，時域上是調(diào)度1個子幀。

4G中1個TTI周期內(nèi)的1個資源塊只能分配給一個用戶UE，雖然1個TTI在時域只有1個資源塊，但頻域?qū)?yīng)的資源塊數(shù)由載波的子載波數(shù)決定。因此，4G在1個TTI周期內(nèi)調(diào)度的用戶數(shù)，在1.4MHz帶寬時不多于6個，在20MHz帶寬時不多于100個。也就是說，系統(tǒng)在同1個TTI周期內(nèi)，可以同時調(diào)度多個用戶。由于4G的每個TTI都對應(yīng)一個Harq ID碼，使得不同HarqID碼的TTI可以依次流水調(diào)度，使系統(tǒng)資源一直都能動態(tài)分配，即前1個TTI分配的資源塊RB在1個調(diào)度周期內(nèi)被傳送后，后一個分配的資源塊可以在下1個調(diào)度周期內(nèi)繼續(xù)使用后1個TTI，在下1個TTI內(nèi)的資源塊被釋放后，系統(tǒng)可以根據(jù)信道狀況或UE請求重新獲得分配權(quán)限。

TTI是系統(tǒng)在時域固定的1個資源調(diào)度周期，系統(tǒng)首先要定義1個資源頁面，即每個TTI周期調(diào)度時域內(nèi)的1個子幀，及對應(yīng)頻域內(nèi)載波帶寬中所有子載波包含的N個資源塊。例如，4G中20MHz載波對應(yīng)的1個資源頁面就包含有N=100個資源塊。如果移動通信系統(tǒng)是MIMO天線系統(tǒng)，每個天線端口支持1個資源頁面，則有M個端口的MIMO天線系統(tǒng)，在1個TTI周期內(nèi)可以同時調(diào)度M個資源頁面，或可以同時調(diào)度N×M個資源塊。若1個TTI周期內(nèi)的每個資源塊只能分配給1個UE，也就是說任何用戶接收到的最小信息單元是1個資源塊，則所有資源頁面中攜帶的其他資源塊，既可以分配給其他UE，也可以承載同一UE的其他數(shù)據(jù)，提高用戶數(shù)據(jù)吞吐量。

在典型的移動通信系統(tǒng)中，信息傳輸?shù)幕具^程可以簡單地總結(jié)為：系統(tǒng)先將傳輸時域按TTI周期劃分時段，且每個TTI周期分配1個子幀，并與每個子幀按載波帶寬包含的資源塊組成1個資源頁面，再根據(jù)天線端口數(shù)組成與其匹配的資源頁面數(shù)；然后，系統(tǒng)將需要傳送的多個用戶信息，先按時域順序，后按頻域順序，再按空域順序，分別映射到各個資源頁面中的資源塊上；最后，系統(tǒng)按TTI周期將每個TTI時段內(nèi)的所有資源頁面中的所有資源塊，按串行順序發(fā)送到各自的信道中，從而完成無線信道中的多用戶、大數(shù)據(jù)傳輸。由此可見，移動通信系統(tǒng)的最小時域、頻域和空域單位中的基本調(diào)度資源單位實(shí)際上是資源塊。

5G系統(tǒng)采用了時域、頻域、空域等多種信息承載資源，因?yàn)?G更需要高數(shù)據(jù)吞吐率。5G系統(tǒng)TTI管理的資源塊數(shù)量要遠(yuǎn)大于4G，因?yàn)?G系統(tǒng)在空域使用的是大規(guī)模MIMO天線，在頻域使用的是帶寬更寬的毫米波，不僅支持的資源頁面更多，每個資源頁面中的資源塊也更多，還有多種調(diào)度方式。5G系統(tǒng)的信息承載資源，同樣有資源柵格、資源塊和資源粒子，但因μ值的取值可調(diào)，致使組成資源粒子的基本時頻單位OFDM符號時長和子載波帶寬同樣可調(diào)。其中，組成資源粒子的時頻單位雖然可隨μ值的變化而變化，但面積不變；資源塊中包含的資源粒子數(shù)雖然可隨μ值的變化而變化，但對應(yīng)的時域?qū)挾热詾?個子幀，頻域?qū)挾纫仓挥?2個子載波。

2 5G資源粒子RE

眾所周知，資源塊是移動通信系統(tǒng)信息傳輸中的基本承載單位，然而要了解資源塊必須先了解資源粒子。5G定義的資源粒子與4G一樣，也是時域最小單位OFDM符號與頻域最小單位子載波的乘積。采用資源粒子作為信息承載的最小單位，反映了移動通信系統(tǒng)承載信息資源從傳統(tǒng)的一維時域、一維頻域和一維相域等環(huán)境，過渡到了二維的時頻兩域，從而大大提高了無線信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量。由于資源粒子是時頻兩域的組合體，分析資源粒子就必須分別從時域信息承載最小單位和頻域信息承載最小單位入手。與4G系統(tǒng)完全不同的是，5G的時域信息承載最小單位和頻域信息承載最小單位都是可以改變的。

出現(xiàn)圖1所示的3種面積完全一樣但形狀卻完全不同的資源粒子結(jié)構(gòu)的原因，是5G系統(tǒng)定義資源粒子的幀結(jié)構(gòu)與4G有較大不同（見圖2）。5G的幀結(jié)構(gòu)分為兩部分，第一部分與4GLTE定義完全一樣，其中無線幀的時長仍然是10ms，每個無線幀則由10個時長1ms的子幀組成，每個無線幀還可以分為兩個時長為5ms的半幀，前半幀由編號為0～4的子幀組成，后半幀由編號為5～9的子幀組成，但半幀在5G中的應(yīng)用較少。第一部分幀結(jié)構(gòu)也叫固定架構(gòu)，這部分唯一可以調(diào)整的僅僅是系統(tǒng)可以根據(jù)場景需要，采用無線幀作為系統(tǒng)的傳輸單位，還是采用半幀作為系統(tǒng)的傳輸單位，前者傳輸調(diào)度更加靈活方便，但數(shù)據(jù)傳輸量受限，后者剛好相反。

圖1 常規(guī)CP方式下的1個資源粒子的3種表述

圖2 5G幀結(jié)構(gòu)圖示

5G幀結(jié)構(gòu)中的第二部分叫靈活架構(gòu)，主要指子幀中包含的時隙數(shù)可以靈活多變，即每個子幀中最小的時隙數(shù)是2個（與4GLTE一樣），最多的時隙數(shù)高達(dá)32個，或者說每個子幀的時隙數(shù)為2μ，其中μ=0、1、2、3、4、5。所以，雖然5G子幀可以靈活配置時隙數(shù)的選擇方式有6種，但每個時隙中包含的符號數(shù)與4GLTE仍然一樣，也有常規(guī)CP方式和擴(kuò)展CP方式兩種，且每個符號前都要添加循環(huán)前綴CP，其中常規(guī)CP方式中包含14個（符號+CP），擴(kuò)展方式中包含12個（符號+CP）。顯然，5G幀結(jié)構(gòu)的靈活多變，其實(shí)就是每個子幀中所包含的時隙數(shù)可以靈活選擇，當(dāng)μ=0時可與4G兼容。

由于每個子幀的時長固定為1ms，又因?yàn)槊總€時隙中包含的OFDM符號數(shù)只有常規(guī)CP方式和擴(kuò)展CP方式中的14個符號和12個符號。所以，當(dāng)系統(tǒng)定義每個子幀的時隙數(shù)為2μ（μ=0、1、2、3、4、5時），則每個OFDM符號時長Δt=1/（2μ×14）ms同樣有6種不同的選擇方式，若以常規(guī)CP方式為例，最大OFDM符號的時長為1/14ms=71.43μs，正好是4GLTEOFDM符號的標(biāo)準(zhǔn)時長，最小OFDM符號的時長為1/（32×14）ms=2.23μs，具體情況見表1。5G幀結(jié)構(gòu)中的可變部分，歸根結(jié)底還是最小單元OFDM符號時長的可變。

表1 時頻兩域最小單元的可變方式

5G頻域的最小信息承載單元仍然是子載波，與4GLTE不同的是，子載波的帶寬可以靈活多變，且可變方式與時域子幀中包含的時隙數(shù)相關(guān)，即5G子載波帶寬為Δf=2μ×15kHz，其中μ=0、1、2、3、4、5。也就是說，5G頻域的子載波帶寬同樣也有6種選擇方式，其中最小子載波帶寬是μ=0時的15kHz，與4GLTE完全一樣，其他子載波帶寬都是成倍增加，最大子載波帶寬是μ=5時的480kHz。因?yàn)镃P是時域的循環(huán)前綴，所以在頻域中沒有常規(guī)CP與擴(kuò)展CP之分。同理，5G在頻域中的可變性也是頻域最小單元子載波帶寬。

顯然，頻域子載波帶寬（也叫子載波間隔）的可變性與時域OFDM符號時長的可變性是完全對應(yīng)的，且具有互補(bǔ)關(guān)系，正是這種互補(bǔ)對應(yīng)關(guān)系，保證了5G系統(tǒng)信息承載資源的最小顆粒——資源粒子的數(shù)值固定不變；如果有變化，也僅僅是時域的常規(guī)CP方式和擴(kuò)展CP方式的不同，即在常規(guī)CP方式中有：1資源粒子=1OFDM 符號×1子載波帶寬=[1/(2μ×14)ms]·(2μ×15kHz)=1.0714ms·kHz；在擴(kuò)展CP方式中有：1資源粒子=1OFDM符號×1子載波帶寬=[1/(2μ×12)ms]·(2μ×15kHz)=1.25ms·kHz。也就是說，雖然5G的時域最小單元和頻域的最小單元可變，但5G中的每個資源粒子的大小與4G完全一樣，為4G平滑演進(jìn)到5G提供了技術(shù)方便。

3 5G時域資源基本周期Ts和Tc

5G的物理層關(guān)鍵核心技術(shù)與4G一樣，仍將是OFDM+CP技術(shù)，這不僅因?yàn)镺FDM+CP是成熟技術(shù)，還因?yàn)樵摷夹g(shù)可滿足5G在空域采用大規(guī)模MIMO天線的需求。當(dāng)然，5G采用的OFDM技術(shù)是濾波器組OFDM或F-OFDM，因?yàn)樵摷夹g(shù)更有利于處理帶外能量泄漏問題。不管怎樣，使用OFDM技術(shù)就必須使用IFFT/FFT，而使用快速付里葉變換和逆變換就必須考慮變換中的采樣數(shù)N，考慮時域資源應(yīng)用中的最小基本周期Ts和Tc，因?yàn)樵谝苿油ㄐ蓬I(lǐng)域時域資源的設(shè)計(jì)與規(guī)劃中，無線幀、子幀、時隙和OFDM符號等，最終都要用Ts和Tc作為基本單位，4G如此，5G也是如此，雖然4G中只有Ts，5G有Ts和Tc，但5G還是以Tc為主。

移動通信系統(tǒng)中采用時域資源基本周期Ts或Tc，不僅是習(xí)慣，更是系統(tǒng)物理層的規(guī)劃與設(shè)計(jì)的需要。

5G系統(tǒng)在時域定義的基本周期單位Tc=1/（Δfmax·Nf），其中Δfmax=480kHz是頻域μ=5時的最大子載波帶寬，Nf=4096是時域每個OFDM符號中的最大采樣數(shù)，所以Tc=5.086·10-10s=0.5086ns實(shí)際上是時域OFDM符號中每兩個相鄰采樣點(diǎn)間的寬度。同樣，5G系統(tǒng)在時域還定義了另一個基本周期單位Ts=1/（Δfref·Nf,ref），其中Δfref=15·103Hz是頻域μ=0時的最小子載波帶寬，Nf,ref=2048是時域每個OFDM符號的最小采樣數(shù)，所以Ts=3.255·10-8s=32.55ns同樣是時域OFDM符號中每兩個相鄰采樣點(diǎn)間的寬度。顯然，Ts就是4GLTE中的最小時間單位Ts，也就是4G OFDM變換中每個OFDM符號中的采樣時長，或每兩個相鄰采樣點(diǎn)間的寬度。

眾所周知，在4GOFDM發(fā)射端的IFFT變換中，系統(tǒng)通過子載波映射，將串并變換后的QAM調(diào)制符號從頻域映射到各子載波上，再經(jīng)過IFFT變后將頻域中包括的子載波數(shù)和過采樣數(shù)共N個值的符號轉(zhuǎn)到時域中的抽樣數(shù)為N個的一個OFDM符號上。若以4G系統(tǒng)支持的最大帶寬為20MHz的傳輸載波為例，支持IFFT的采樣值N=2048，由于子載波帶寬Δf=15kHz，除去兩邊各1MHz邊帶，20MHz帶寬的載波只能分成1200個帶寬為15kHz的子載波，為了滿足IFFT變換中的采用數(shù)為2048，在映射中還將補(bǔ)充848個過采樣點(diǎn)（見圖3）。經(jīng)過IFFT變換后，每個OFDM符號的采樣數(shù)可為2048，各相鄰采樣點(diǎn)間的時長Ts=1ms/[14·(2048+CP)]=32.55ns。

圖3 4G OFDM調(diào)制過程

在4G的OFDM的IFFT變換中，相鄰采樣點(diǎn)間的時域間隔只有一個值，或者說4G在時域資源的基本周期單位只有一個Ts。5G則完全不同，除了有Ts=32.55ns外，另外還有一組是對應(yīng)參數(shù)μ=0、1、2、3、4、5的 6 個 Tc，分別為 Tc0=16.276ns、Tc1=8.1376ns、Tc2=4.0688ns、Tc3=2.0344ns、Tc4=1.0172ns、Tc5=0.5086ns。所以，5G的Ts和Tc可以用μ=-1、0、1、2、3、4、5來統(tǒng)一管理，可以使得5G系統(tǒng)在技術(shù)上更易處理，對4G兼容更加自然。然而，當(dāng)系統(tǒng)僅以Tc作為時域基本周期單位來定義固定架構(gòu)的幀結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)只用Tc=Tc5=0.5086ns來表述，如5G系統(tǒng)定義的無線幀時長=19660800Tc，子幀時長=1966080Tc。若定義靈活架構(gòu)的時隙和符號時，則只能用靈活的Ts、Tc0、…、Tc5作為時域基本周期單位使用。

4 5G資源塊RB

5G資源塊的定義與4G相似（見圖4）。系統(tǒng)首先將時域、頻域二維信息承載資源，以資源粒子為最小單位組成資源柵格，當(dāng)系統(tǒng)給定波形參數(shù)和子載波帶寬配置參數(shù)μ后，則1個資源柵格被系統(tǒng)定義為由個頻域子載波和個時域OFDM符號組成，式中是資源柵格在頻域的資源塊數(shù)，參數(shù)x表示下行DL和上行UL，具體數(shù)據(jù)見表2所示；是每個資源塊在頻域的連續(xù)子載波數(shù)，是時域每個子幀中的符號數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。然后，再在資源柵格中劃分資源塊，每個資源塊在頻域?yàn)閭€連續(xù)子載波，在時域從進(jìn)行編號，共有14 2μ個OFDM符號。

圖4 資源柵格、資源塊和資源粒子

表2 資源柵格頻域資源塊數(shù)

表3 常規(guī)CP方式資源柵格時域子載波符號數(shù)

表4 擴(kuò)展CP方式資源柵格時域子載波符號數(shù)

從圖5可以看出，在頻域的子載波數(shù)都固定為12個，但彼此不同μ值的資源粒子的子載波頻域間隔卻相差一倍，所以不同資源塊在頻域的高度相差較大；在時域的符號中，雖然不同資源塊的符號數(shù)彼此相差一倍，但不同資源塊中的符號寬度不同，彼此之間同樣相差一倍，從而可以保證各資源塊的時域總寬度是相同的。也就是說，不同μ對應(yīng)的資源塊，在頻域的總高度不同，且彼此之間相差一倍，但子載波數(shù)相同；在時域的總寬度相同，但符號數(shù)不同，且彼此之間相差一倍；雖然每個資源粒子的面積相等，但不同μ對應(yīng)的資源塊的面積不同，且彼此之間相差一倍。μ=0時的資源塊是一個特例，正好是4GLTE定義的資源塊。

之所以在移動通信中引入TTI周期作為系統(tǒng)在時域調(diào)度資源的基本調(diào)度單位，就是因?yàn)橐ＷC發(fā)送端發(fā)送的信息能夠被接收端正確識別分辨這個的基本要求，如果在整個傳輸過程中的TTI周期有多個可變?nèi)≈?，不僅需要大大提高接收系統(tǒng)的復(fù)雜度，甚至于很難從技術(shù)上保證接收端的高正確率。正是由于資源塊在取不同μ值時，能保證資源塊在時域有相同的時長，從而為系統(tǒng)可以在1個固定的TTI周期內(nèi)，在任何情況下調(diào)度任何1個子幀或資源塊，不僅保證了接收端在技術(shù)上與發(fā)送端的一致性和簡單性，還可以滿足系統(tǒng)對不同場景需求的數(shù)據(jù)傳輸率和吞吐率，滿足了系統(tǒng)萬物互聯(lián)和萬網(wǎng)整合的需求。

5 結(jié)束語

5G頻域的最小信息承載單元是子載波，時域的最小信息承載單元是OFDM符號，但每個子載波的帶寬隨μ值變化而變化，每個OFDM符號的時長同樣隨μ值變化而變化。由于子載波帶寬越大，則OFDM符號周期越小，反之亦然，μ值大小的變化使得子載波帶寬變化和OFDM時長變化正好相反。當(dāng)μ值變大時，既可成倍提高資源塊在時域的信息承載量，又可以使頻譜更加平坦，達(dá)到提高傳輸性能的目的。至于每個時域OFDM符號中承載的二進(jìn)制比特信息量，則完全由系統(tǒng)采用的基帶調(diào)制解調(diào)方案所決定。

圖5 μ=0～2的3個5G資源塊RB簡圖

從5G的物理底層定義的符號和子載波，再到資源粒子、資源塊和資源柵格，都有6種類型，其中μ=0的類型正是4GLTE的基本類型，所以4GLTE在5G中只是6種類型中的一個特例，既反映了4G向5G平滑演進(jìn)的過程，又說明5G可以包含4G的向下兼容性。4G應(yīng)用場景是移動互聯(lián)網(wǎng)，場景單一、容易實(shí)現(xiàn)，所以只需物理層擁有一種幀結(jié)構(gòu)和資源塊即可。5G應(yīng)用場景有3類，實(shí)現(xiàn)難度較大，必須從物理層使其適應(yīng)多種需求。所以5G的物理層信息承載資源定義了6種類型，且實(shí)現(xiàn)這6種類型也方便快捷，因?yàn)閮H僅需要改變μ的取值即可。

雖然5G幀結(jié)構(gòu)中的無線幀、子幀和每時隙符號數(shù)都是固定不變的，唯一可變的只有每個子幀中的時隙數(shù)，表面上5G幀結(jié)構(gòu)包含了固定架構(gòu)和靈活架構(gòu)，其實(shí)靈活架構(gòu)也只有一個可變因子，這種設(shè)計(jì)既簡單又管用，非?？茖W(xué)。雖然5G定義的資源塊中包含的資源粒子數(shù)與μ的取值大小有關(guān)，但不同μ值對應(yīng)的資源塊的時域時長卻都是1個子幀的1ms，這種固定的時長設(shè)計(jì)方案，不僅簡單方便，還可為系統(tǒng)在時域基本傳輸單位TTI內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)時，降低系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，同樣科學(xué)。5G物理層設(shè)計(jì)既考慮了兼容性，又考慮了5G場景應(yīng)用的需求。

5G同樣使用了CP+OFDM技術(shù)，即每個OFDM符號前都添加1個循環(huán)前綴CP，該循環(huán)前綴CP的數(shù)值也是OFDM符號N個抽樣數(shù)中的后面部分，從而使得OFDM符號在時域的實(shí)際寬度=OFDM符號抽樣數(shù)+CP值，基本工作原理與4G完全一樣。但因CP值是OFDM符號抽樣數(shù)中的一部分，當(dāng)μ值不同時，雖然不同資源塊在時域的總時長相同，不僅符號數(shù)不同，每個符號的時長也不同，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個符號前插入的CP數(shù)固定，雖然每個資源塊的總時長增加了，但所有資源塊在時域的時長都相等，并非因μ值不同而改變，說明5G的μ值設(shè)計(jì)確實(shí)是一個科學(xué)方案。

另外，5G雖然與4G一樣設(shè)計(jì)了每個OFDM符號前插入CP，也同樣采用了常規(guī)CP方式和擴(kuò)展CP方式，使系統(tǒng)可以方便使用大規(guī)模MIMO天線，但5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)的擴(kuò)展CP方式僅能在μ=2時應(yīng)用。同理，5G系統(tǒng)也只是在子載波帶寬為60kHz時使用擴(kuò)展CP，但這時的μ=2。由此可見，擴(kuò)展CP在5G系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)際上只是個特例，僅僅限制在μ=2時使用，這有可能與5G系統(tǒng)具有靈活可變的特點(diǎn)有關(guān)。