5G NR空口技术介绍,灵活多变的子载波间隔与帧结构

5G的空口是我认为通信技术中最意思的一部分内容,因为它相对简单些。

导读

什么是'空口'?

空口就是空中接口,Air Interface。下图1中基站到手机之间的空中'路径'就是我们所谓的接口,它定义了无线信号传输规范,包括频率、带宽、编码等等一系列内容。

图1 GSM基站与手机,空中接口

5G为什么又叫作NR,New Radio?

这是由3GPP组织用来描述5G的,就像我们也用LTE来说4G。NR源自于R15版本。

通信中,我们常常说到帧Frame,那么什么是帧呢?

如果我们的手机和基站进行通信,需要发送一系列数据,那么这一系列数据排好队,然后一个一个向基站发送,在时间上,这些数据是分开的,有规律的。这样'有组织有纪律'的'部队',就是帧。

在时间域中,无线传输被组织成无线帧radio frames、子帧subframes、时隙slots和符号symbols。

图2 无线帧,时隙,符号

5G中无线帧是10ms,有10个子帧;

每个子帧就是1ms;

每个子帧又由多个时隙slot组成,每个slot又由14个OFDM符号构成。具体多少个呢?不确定,这就是5G的灵活性!

一些预备知识

在此之前,班长写了3篇关于OFDM的文章,当时就告诉各位同学,这是为了学习5G的空口打下基础。

有兴趣的同学可以链接过去仔细阅读,如果没有兴趣,可以直接跳过,我会补充一些预备知识,不会影响本文的理解。

OFDM调制:相比于传统的频分复用,利用正交子载波实现多载波通信

OFDM技术:相比FDM提高频带利用率,子载波间隔可以随意选取吗?

OFDM技术:信号的产生为何与FFT算法有关?为什么要串并转换?

先看下矩形脉冲的傅里叶变换

图3 矩形脉冲(码元)的频域波形

这是第2次放这副图了。这幅图告诉我们3个知识点:

矩形脉冲的傅里叶变换,频域波形是Sa函数;

时间域内,脉冲宽带为τ,那么频域内带宽定义为B=1/τ,这是一个反比例关系。所以说一定时间内,如果想传递更多的脉冲(码元),提高传输速率,必然要缩短τ;对应到频域,就是带宽变大;

频域的1波形我们叫它为1个子载波;

为什么叫作子载波?

因为我们用到了多个不同频率的载波,为了区分他们,所以使用子载波的概念。

图4 不同的子载波调制

同样的,这幅图4之前在我的文章中出现过,当我们用不同频率的载波f1和f2,去调制发送的矩形脉冲(1个码元)时,频域发生了什么?

Sa函数会在频域内移动,形成两个子载波,它们中心的对称点分别为f1和f2。

且我们证明过,子载波间隔为Δf=f2-f1=1/Ts,其中Ts为码元的持续时间。图4中是1。

有了上面的基本认识,我们现在再来看时频资源图,会更加的清晰。

图5 OFDM时间频域图

图5中左侧的坐标轴是时间,上面就是我们传送的码元数据,我们叫作符号Symbol。右侧的坐标轴是频率轴,是码元对应的频域波形,称之为子载波。

4GLTE中的子载波间隔固定为15kHz。

所以根据Δf=1/Ts的公式,我们可以计算出4GLTE的符号长度为66.7us(自己动手算算)

再换一个俯视的视角,见图6。横向为子载波,频率轴;纵向为符号,时间轴;时间与频率形成了一个二维资源格Resouce Grid。每一个小方块(资源格)可以给一个用户使用。

图6 时间频域资源

5G的子载波间隔scs=subcarrier spacing

与4GLTE数字(子载波间距和符号长度)相比,5G NR支持多种不同类型的子载波间隔(在LTE中只有一种子载波间隔-15 kHz)。

图7 不同的子载波间隔

38.211中总结了NR参数集(Numerology)。正如在图7和图8看到的,每一个数字都被标记为一个参数u。

数字(u=0)表示子载波间隔15 kHz,与LTE相同;

数字(u=1)表示子载波间隔30 kHz;

数字(u=2)表示子载波间隔60 kHz;

Δf=2^u*15kHz,其他子载波间距是从(u=0)的乘幂上放大而来。

图8 不同的参数u对应的子载波间隔

无线帧结构

5G NR1个时隙slot含有14个或者12OFDM符号。

随着u的变化,时隙的长度会发生变化。

图9 不同的参数对应不同的子载波间隔,不同的时隙长度

随着子载波间距的增大,时隙会变短。

子载波间隔为15KHz是,符号长度为66.7us,1个时隙共有14个符号,那么时隙的长度为66.7us*14,约等于1ms(先这样理解,实际中要加上CP);

子载波间隔为30kHz时,符号长度为1/30kHz,1个时隙共有14个符号,那么时隙的长度为1/30kHz*14,约等于0.5ms(先这样理解);

依次类推......

图10 OFDM的符号长度变化

如上所述,在5GNR中,支持多个参数集Numerology,并且无线帧结构因u的不同而略有不同。然而,不管什么情况,无线帧和子帧的长度固定的。

无线帧的长度总是10 ms,子帧的长度总是1 ms。

那么,不同参数u的情况下,在考虑不同数字的物理性质时,应该有什么不同的区别呢?

最重要的是在一个子帧中放置不同数量的时隙。

还有另一个具有数理的变化参数。它是子帧中的符号数。但是,子帧内的符号数量不会随参数u变化,仅随时隙配置数量而变化。

现在,我们来看一下每个参数u和时隙配置的无线帧结构。

| 常规的CP,参数Numerology=0 |

在该配置中,1个子帧仅有1个时隙,这意味着1无线帧包含10个时隙。时隙内的OFDM符号的数目是14。

图11 常规的CP,参数Numerology=0

| 常规的CP,参数Numerology=1 |

在这种配置中,1个子帧仅有2个时隙,这意味着1个无线帧中包含20个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。

图12 常规的CP,参数Numerology=1

| 常规的CP,参数Numerology=2 |

在这种配置中,1个子帧仅有4个时隙,这意味着1个无线帧中包含40个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。

图13 常规的CP,参数Numerology=2

| 常规的CP,参数Numerology=3 |

在这种配置中,1个子帧仅有8个时隙,这意味着1个无线帧中包含80个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。

图14 常规的CP,参数Numerology=3

| 常规的CP,参数Numerology=4 |

在这种配置中,1个子帧仅有16个时隙,这意味着1个无线帧中包含160个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。

图15 常规的CP,参数Numerology=4

| 扩展的CP,参数Numerology=2 |

在这种配置中,1个子帧仅有8个时隙,这意味着1个无线帧中包含80个时隙。时隙内OFDM符号的数目为12。

图16 扩展的CP,参数Numerology=2

时隙配置

时隙配置就是定义每个时隙如何使用。

它定义了哪些符号用于上行链路,哪些符号用于下行链路。在4G LTE TDD中,如果子帧(相当于NR中的时隙)配置为DL或UL,则子帧中的所有符号都应用作DL或ULl。但在NR中,时隙内的符号可以按以下2种方式配置。

不需要使用时隙中的每个符号;

单个时隙可分为多个连续符号段,可用于DL、UL或Flexible。

理论上,我们可以在一个时隙内,组合无数多个DL符号、UL符号、Flexible符号的组合。但3GPP只允许61个预定义的符号组合,如下图17所示。这些预定义的符号分配称为时隙配置。

图17 Slot formats for normal cyclic prefix>D : Down

为什么我们需要这么多不同类型的时隙配置呢?

显然,这不是让我们学习起来更加困难。

这是为了使NR调度灵活,特别是对于TDD操作。通过应用时隙配置或按顺序组合不同的时隙格式,我们可以实现各种不同类型的调度,如下例图18所示。

图18 不同场景,不同的时隙配置

时频资源

NR的时间频域资源网格定义如下图19。看起来它与LTE资源网格几乎完全相同,但子载波间隔、无线帧内OFDM符号的数目,在NR中因参数u而异。

图20 时频资源图

下行链路和上行链路的最大和最小资源块数定义如下(这与LTE不同)

图21 不同的资源块

图22是根据图21制成,将下行部分转换为带宽。最大的RB数是138个,最大的带宽397.44MHz。

总结

5GNR的空口结构因为参数u的取值不同而不同,从而实现灵活多变。

原文 | sharetechnote-5G/NR-Frame Structure ,班长翻译、编辑、整理。预备知识为班长原创添加。

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