5G NR物理層主要參數(shù)解析

劉詩(shī)蔚 陸偉繼 劉泳海 徐振飛

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，5G逐漸憑借其高速率、低時(shí)延、海量設(shè)備接入的優(yōu)勢(shì)，在社會(huì)各個(gè)角落得以應(yīng)用，5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化和多樣化、海量設(shè)備接入與超高速率對(duì)于頻譜資源也提出了更高要求。在通訊領(lǐng)域，針對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試是尤為重要的。本文從3 GPP規(guī)范切入，結(jié)合TS38.211與TS38.521-1/3終端一致性系列規(guī)范，并主要針對(duì)FR1射頻參數(shù)集進(jìn)行解析。

1 射頻測(cè)試規(guī)范

目前我國(guó)關(guān)于5G的SRRC認(rèn)證測(cè)試主要參考3 GPP協(xié)議法規(guī)，其5G NR（新空口）系列法規(guī)集中在38系列，其中TS為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。38系列按照順序又分為射頻規(guī)范系列、物理層規(guī)范系列、空中接口規(guī)范系列、接入網(wǎng)網(wǎng)口規(guī)范系列、終端一致性規(guī)范系列。本文主要從TS38.521-1規(guī)范中部分射頻參數(shù)入手，結(jié)合TS38.211中對(duì)于參數(shù)集的定義進(jìn)行研究。

2 5G無線終端設(shè)備特性

1）5G的工作與測(cè)試頻率高。劃分給5G無線終端設(shè)備的工作頻段分別為：FR1（410 MHz ～7 125 MHz），頻段號(hào)從1到85，通常叫做Sub-6 GHz，雖然頻率上限擴(kuò)展到了 7 125 MHz。FR2（24.250 GHz～ 52.6 GHz） 頻段號(hào)從257到261，通常指的是毫米波mmWave。目前我國(guó)使用的時(shí)FR1頻段，工作頻率大多在2.5 GHz以上。在小于6 GHz頻段（FR1）下，5G NR的最大信道帶寬為100 MHz，在毫米波頻段（FR2），5G NR的最大信道帶寬達(dá)400 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE的最大信道帶寬20 MHz。

2）5G信號(hào)配置組合多。5G無線終端設(shè)備的組網(wǎng)方式分為獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種，不同的組網(wǎng)方式下分單載波和載波聚合、補(bǔ)充上行等工作方式，載波聚合又分為帶內(nèi)和帶間載波聚合。本文從射頻參數(shù)集切入僅討論獨(dú)立組網(wǎng)單載波工作方式。為了達(dá)到性能和應(yīng)用的要求，5G無線終端設(shè)備的技術(shù)參數(shù)較2G、3G、4G設(shè)備相比更多，參數(shù)設(shè)置也非常靈活復(fù)雜，存在多種不同參數(shù)設(shè)置和選擇。結(jié)合TS38.521-1可以看到，影響射頻性能的參數(shù)主要有6項(xiàng)：信道、信道帶寬、功率等級(jí)、調(diào)制方式、子載波間隔、資源塊數(shù)量。其中信道帶寬、子載波間隔、資源塊數(shù)量具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 參數(shù)集定義

在3GPP 38.211規(guī)范5.3章節(jié)中，參數(shù)集（Numerologies）的定義是由于子載波間隔（SCS，sub-carrier spacing）和循環(huán)間隔（CP，Cyclic Prefix）變化引起的各項(xiàng)時(shí)域和頻域相關(guān)參數(shù)的變化。LTE只有一個(gè)子載波間隔（即15 kHz子載波間隔），而在5G NR中目前3GPP定義了五種不同類型的子載波間隔，如圖1所示。

圖1 傳輸支持的參數(shù)集

為適應(yīng)多種不同子載波間隔的OFDM波形, 子載波間隔不再局限于LTE時(shí)代的15 KHz,而是根據(jù)不同的使用場(chǎng)景,進(jìn)行適配,這是5G NR的一個(gè)重要特性。子載波間隔的變化會(huì)對(duì)時(shí)隙和子幀產(chǎn)生影響。

循環(huán)前綴的類型分為兩種，一種為正常型（Normal），一種為擴(kuò)展型（Extended），正常型CP下，一個(gè)時(shí)隙包括14個(gè)OFDM符號(hào)，而擴(kuò)展型包括12個(gè)OFDM符號(hào)。其中擴(kuò)展型CP只會(huì)出現(xiàn)在子載波間隔為60 kHz的情況下。圖2中分別對(duì)應(yīng)正常型CP和擴(kuò)展型CP情況下的各參數(shù)關(guān)系。可以看出每個(gè)slot包含的符號(hào)數(shù)不變，但是一個(gè)子幀包含的slot發(fā)生了變化，也就是符號(hào)長(zhǎng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致可以容納的時(shí)隙數(shù)目發(fā)生變化。

圖2 正常型與擴(kuò)展型循環(huán)前綴的每幀中時(shí)隙數(shù)量、每子幀中時(shí)隙數(shù)量和每個(gè)時(shí)隙中OFDM符號(hào)數(shù)量

4 靈活參數(shù)集的意義

5G NR應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋了廣泛的頻率范圍，由于電磁波在不同頻段的特性不同，很難在不影響性能的情況下用一個(gè)單一子載波間隔覆蓋整個(gè)頻率范圍，一種numerology無法滿足所有場(chǎng)景的技術(shù)需求。

由于子載波間距與OFDM符號(hào)長(zhǎng)度呈現(xiàn)倒數(shù)關(guān)系，窄子載波間隔對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度，這樣可以為循環(huán)間隔分配更多的抗衰落空間。在OFDM中，需要保持子載波之間的正交性，以幫助信號(hào)抵抗各種衰落信道引起的子載波的頻率漂移；使用的子載波間隔越窄，對(duì)衰落的容忍度就越弱；因此子載波間隔也并非越窄越好。如果子載波間隔太小，會(huì)導(dǎo)致較高的相位噪聲從而影響EVM，也對(duì)本地振蕩器產(chǎn)生較高的要求，同時(shí)物理層性能也容易受多普勒頻移的干擾。如果子載波間隔的設(shè)置過大，為了保持頻譜效率，CP的持續(xù)時(shí)間也要進(jìn)一步縮短，增加CP開銷。因此，CP時(shí)長(zhǎng)決定了子載波間隔的最大值。

無線傳播特征主要取決于三個(gè)參數(shù)：多徑效應(yīng)的平均時(shí)延差異Td、最大多普勒頻偏fd，和小區(qū)半徑R。這三個(gè)傳播特征參數(shù)決定了循環(huán)前綴CP的時(shí)長(zhǎng)TCP和子載波間隔△f。

循環(huán)前綴CP的時(shí)長(zhǎng)TCP和子載波間隔△f的取值遵循三個(gè)原則：

1） 循環(huán)前綴CP的時(shí)長(zhǎng)TCP必須大于或等于多徑平均時(shí)延差Td，以避免OFDM符號(hào)之間的干擾（ISI）；

2）子載波間隔△f必須遠(yuǎn)大于最大多普勒頻偏fd(max)，確保多普勒頻偏不會(huì)引起較大的載波間干擾（ICI）；

3）TCP和△f的乘積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，或者說TCP遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于OFDM符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)TU（因?yàn)門U=1/△f），以便提高頻譜效率。

根據(jù)三原則可以發(fā)現(xiàn)，多普勒頻移（以及其它相位噪聲）決定了子載波間隔的最小值（15 kHz），而循環(huán)前綴CP決定了子載波間隔的最大值（240 kHz）。子載波間隔是符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度(Symbol Duration)與CP開銷之間的權(quán)衡——子載波間隔越小，符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)；子載波間隔越大，CP開銷越大。

FR1對(duì)應(yīng)于sub-6 GHz, 在6 GHz以下頻段為了在有限的頻譜中放進(jìn)盡可能多的子載波，需要使子載波間隔盡可能窄，因此參數(shù)集使用較小的子載波間隔。此外，對(duì)于使用低于1 GHz或者幾個(gè)GHz載波頻率的基站來說，基站半徑比較大，因此多徑平均時(shí)延差Td也比較大，需要較長(zhǎng)的循環(huán)前綴，這就意味著較長(zhǎng)的OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)，也意味著較小的子載波間隔。FR1可用的子載波間隔為15 kHz，30 kHz，60 kHz。

更寬的子載波間隔主要用于毫米波頻段，即FR2。由于毫米波使用了基于Massive MIMO的波束賦型，很難控制子載波間隔較窄的信號(hào)的相位。隨著頻率的增加，相位噪聲對(duì)于毫米波影響尤為顯著，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的頻譜效率。子載波間隔越寬，相位噪聲估計(jì)和校正就越容易實(shí)現(xiàn)。FR2的數(shù)據(jù)傳輸只能使用60 kHz或120 kHz的子載波間隔。240 kHz的子載波間隔,不是為數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備的,而是用于同步信號(hào)塊SSB。頻率范圍FR1和FR2所支持的子載波間隔見表1。

表1 頻率范圍FR1和FR2所支持的子載波間隔

為了實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)集之間的高復(fù)用率，3 GPP確定了Δf * 2^μ 的原則 （μ為參數(shù)集的序號(hào)），5G NR最小的子載波間隔與LTE一樣為15 kHz，但可根據(jù)15*（2^μ） kHz，μ ∈{0, 1,..., 4}靈活變化。不同的參數(shù)集可用于滿足不同的部署場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)不同的性能需求；比如，子載波間隔越小，小區(qū)范圍越大，可用于低頻段部署；子載波間隔越大，符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度越短，時(shí)隙長(zhǎng)度越小，因而數(shù)據(jù)調(diào)度粒度就更小，更適合于低時(shí)延場(chǎng)景部署。

5 波形與調(diào)制方式

5G NR的上行和下行使用CP-OFDM，LTE上行的DFT-s-OFDM波形與CP-OFDM波形互補(bǔ)用于低峰均比的上行信號(hào)。CP-OFDM波形可用于單流和MIMO傳輸，而DFT-S-OFDM波形只限于針對(duì)上行鏈路峰均比較低的情況的單流傳輸。

5G NR的 下行OFDM調(diào)制方式為QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，上行DFT-s-OFDM調(diào)制方式為π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。相較于LTE,新增256QAM是為了提高系統(tǒng)容量。上行增加了π/ 2-BPSK，主要考慮在mMTC場(chǎng)景，提高小區(qū)邊緣的覆蓋。

表2為TS38.211第5.1章節(jié)給出的調(diào)制映射公式。公式中首個(gè)系數(shù)為各調(diào)制方式的歸一化因子。

表2 5G NR支持調(diào)制方式的映射公式

6 幀結(jié)構(gòu)

無論采用什么參數(shù)集，5G NR無線幀（frame）和子幀（subframe）的長(zhǎng)度都是固定的。每個(gè)無線幀的長(zhǎng)度固定為10 ms，分為10個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度固定為1 ms，每個(gè)時(shí)隙（slot）里有12或14個(gè)符號(hào)，視循環(huán)前綴類型而定。以上時(shí)域結(jié)構(gòu)都和LTE是相同的，這樣有助于保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR在NSA模式下時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)同步，簡(jiǎn)化小區(qū)搜索和頻率測(cè)量。

上文提到5G NR的一個(gè)關(guān)鍵特征，便是子載波間隔的選擇性，其不僅可以采用一個(gè)與LTE相同的15 kHz，還可以是2的冪乘以15 kHz。由此，5G NR定義了靈活的時(shí)隙，其長(zhǎng)度根據(jù)子載波間隔大小變化。一個(gè)子幀里時(shí)隙的個(gè)數(shù)會(huì)呈2^μ 倍數(shù)變化（Slot時(shí)域長(zhǎng)度T slot =1/2^μ ）。與LTE 按子幀進(jìn)行調(diào)度不同的是，時(shí)隙是NR的基本調(diào)度單位，更高的子載波間隔會(huì)導(dǎo)致更小的時(shí)隙長(zhǎng)度。

和LTE類似，NR的OFDM符號(hào)由符號(hào)加上其循環(huán)前綴組成，那么不同的參數(shù)集也會(huì)引起不同的符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)算方法如下所示：

3）符號(hào)長(zhǎng)度：Tsymbol=Tdata+Tcp

以上參數(shù)匯總?cè)绫?。

表3 5個(gè)參數(shù)集的每幀時(shí)隙數(shù)量、每子幀時(shí)隙數(shù)量、子載波間隔、OFDM符號(hào)與包括cp前綴的OFDM符號(hào)時(shí)間

7 資源塊與帶寬

5G NR物理層資源的最小粒度和LTE一致，為一個(gè)時(shí)頻資源單元RE（Resource Element）.一個(gè)RE在頻域上為1個(gè)子載波，時(shí)域?yàn)?個(gè)OFDM符號(hào)。NR信道資源頻域基本調(diào)度單位RB（Resource Block）和LTE類似，在TS38.211中RB定義為頻域上連續(xù)的12個(gè)子載波，但頻域?qū)挾扰c子載波間隔有關(guān)。一個(gè)時(shí)隙上所有OFDM符號(hào)和頻域上12個(gè)子載波組成一個(gè)RB。NR中數(shù)據(jù)信道的基本調(diào)度單位PRB（Physical RB）定義為頻域上N個(gè)RB，控制信道的基本調(diào)度單位CCE（Control Channel Element）為6 PRB或6 REG（RE Group，1REG= 1PRB）。

TS38.521-1[2]中（如圖3），最大傳輸帶寬用RB數(shù)描述見表4，最大傳輸帶寬=RB數(shù)×子載波數(shù)（固定為12）× SCS。每個(gè)信道帶寬兩邊各有一個(gè)保護(hù)帶寬，以kHz為單位。OFDM調(diào)制器的FFT size和SCS共同決定了信道帶寬。

圖3 原文描述

表4 FR1頻段的最大RB數(shù)量和頻域利用率

5G NR在頻域上引入了一個(gè)新的概念載波帶寬分塊carrier bandwidth part（縮寫為BWP）。根據(jù)TS38.211 章節(jié)4.4.5，BWP定義為通過核心網(wǎng)為終端配置的連續(xù)的帶寬資源，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的靈活帶寬配置。每個(gè)BWP可以對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的參數(shù)集，即不同的子載波間隔、符號(hào)時(shí)間、循環(huán)前綴長(zhǎng)度。UE可以在上下行鏈路中被配置多達(dá)四個(gè)BWP，但在特定時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)BWP處于激活狀態(tài)。

在NR FDD的情況下，一個(gè)UE最多可以配置4個(gè)下行 BWP和4個(gè)上行BWP。NR TDD的一個(gè)UE最多配置4個(gè)BWP Pair。BWP Pair是指下行BWP ID和上行 BWP ID相同，且中心頻點(diǎn)一致，但是其帶寬和子載波間隔不必保持一致。

8 總結(jié)

3 GPP射頻一致性規(guī)范是行業(yè)內(nèi)標(biāo)桿級(jí)的要求，本文根據(jù)5G NR R16的3GPP TS38.211與TS38.521-1協(xié)議，主要對(duì)5G FR1頻段的無線設(shè)備摘要了射頻工程師測(cè)試終端射頻性能時(shí)會(huì)遇到的空中接口部分主要參數(shù)進(jìn)行研究，為5G無線終端射頻測(cè)試提供參考。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用和未來發(fā)展，必然導(dǎo)致5G類產(chǎn)品急劇增多，本文的解讀有助于相關(guān)企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室正確理解5G NR信號(hào)參數(shù)配置，使測(cè)試流程和方法更加嚴(yán)謹(jǐn)合理。