《無線通信基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第13章 5G NR

第十三章5GNR簡介5GNR簡介015G概述02協(xié)議棧03物理傳輸結(jié)構(gòu)04大規(guī)模MIMO技術(shù)05上下行同步5G概述13.15G概述015G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)02技術(shù)演進(jìn)03整體架構(gòu)04NR設(shè)計(jì)原則5G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)5G的法定名稱是IMT-2020，其應(yīng)用被劃分為增強(qiáng)的移動寬帶（enhancedMobileBroadBand，eMBB）通信、大規(guī)模機(jī)器類型通信（massiveMachineTypeCommunications，mMTC）以及超可靠低時延通信（ultraReliableLowLatencyCommunications，uRLLC）三個典型應(yīng)用場景，如圖13-1所示。圖13-15G三大應(yīng)用場景及實(shí)例13.1.15G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)5G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)eMBB：主要針對以人為中心的通信。在LTE的基礎(chǔ)上進(jìn)一步為用戶提供更高的傳輸速率和增強(qiáng)的用戶體驗(yàn)。不斷增長的新需求和新應(yīng)用要求5G支持熱點(diǎn)覆蓋和廣域覆蓋，前者著眼于高傳輸速率、高用戶密度和高容量，后者主要關(guān)注移動性和無縫用戶體驗(yàn)。mMTC：該場景純粹以機(jī)器為中心，為海量的物聯(lián)網(wǎng)終端提供服務(wù)，比如遠(yuǎn)程傳感器、機(jī)械手、設(shè)備監(jiān)測等。主要特點(diǎn)是終端數(shù)量或者密度極高，數(shù)據(jù)量小且傳輸不頻繁，對延遲不敏感。對終端的關(guān)鍵需求包括：非常低的造價，非常低的能耗和超長的電池使用時間，某些情況下甚至要達(dá)到幾年。uRLLC：這一場景的特點(diǎn)是對時延、可靠性和高可用性有嚴(yán)格的要求，涵蓋人類通信和機(jī)器類通信，比如3D游戲、自動駕駛、工業(yè)設(shè)備的無線控制、遠(yuǎn)程手術(shù)等。5G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)作為5G定義的典型場景，上述三個應(yīng)用場景主要用來分析、確定IMT-2020的空口技術(shù)所需要的關(guān)鍵能力，許多實(shí)際應(yīng)用場景可能無法精確地歸入這三類之中。比如有的應(yīng)用需要非常高的可靠性，但是對于時延要求不高。還有的應(yīng)用可能要求終端成本很低，但并不需要電池的使用壽命非常長。這就意味著5G的空中接口必須具有高度的靈活性以便容納新的場景、新的用例和新的需求。針對IMT-2020，ITU-R一共定義了8個關(guān)鍵能力，圖13-2描述了這些關(guān)鍵能力及其目標(biāo)值，為了便于對比，圖中還給出了IMT-Advanced（即4G）中這8個關(guān)鍵能力的指標(biāo)。圖中有的關(guān)鍵能力使用了絕對值，有的則使用了相對于4G能力的相對值。表13-1列出了5G針對上述8個關(guān)鍵能力的部分指標(biāo)要求。5G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)圖13-25G的8個關(guān)鍵能力5G應(yīng)用場景及關(guān)鍵指標(biāo)表13-1IMT-2020關(guān)鍵指標(biāo)要求技術(shù)演進(jìn)為了全面達(dá)到IMT-2020針對三大應(yīng)用場景規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，發(fā)揮新技術(shù)的潛能，3GPP制定了一種有別于LTE的、新的無線接入技術(shù)，稱為新空口（NewRadio，NR）。為了滿足2018年進(jìn)行5G早期部署的商業(yè)需求，NR借用了LTE的很多結(jié)構(gòu)和功能，于2017年12月針對非獨(dú)立組網(wǎng)（non-standalone，NSA）模式發(fā)布了第一個NR標(biāo)準(zhǔn)R15，這個版本只定義了RAN技術(shù)，核心網(wǎng)暫時使用4GEPC。隨后開始定義新的5G核心網(wǎng)5GC，能夠?qū)崿F(xiàn)5G基站連接到5GC的獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）模式，同時5GC也能夠?yàn)長TE基站提供連接。2018年9月，R15的SA模式規(guī)范凍結(jié)。2019年6月R15全面凍結(jié)，eMBB場景的標(biāo)準(zhǔn)化工作基本完成。2019年6月6日，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電四家電信運(yùn)營商獲得了5G商用牌照，從而正式開啟了5G在我國的商用。13.1.2技術(shù)演進(jìn)技術(shù)演進(jìn)R16的制定始于2018年，受新冠肺炎在全球肆虐的影響，R16推遲至2020年7月凍結(jié)，在兼容R15的基礎(chǔ)上，R16重點(diǎn)針對uRLLC場景制定了規(guī)范，同時進(jìn)一步增強(qiáng)了eMBB場景。2020年7月9日，ITU-R國際移動通信工作組（WP5D）第35次會議成功閉幕，會議確定3GPP的5G規(guī)范成為唯一被ITU認(rèn)可的5G標(biāo)準(zhǔn)。R17重點(diǎn)關(guān)注mMTC場景，基于現(xiàn)有架構(gòu)與功能從技術(shù)層面持續(xù)演進(jìn)，全面支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，預(yù)計(jì)于2021年12月完成。整體架構(gòu)5G總體架構(gòu)如圖13-3所示，由無線接入網(wǎng)NG-RAN和核心網(wǎng)5GC兩部分組成，其中NG-RAN中有兩類基站gNB和ng-eNB，其中g(shù)NB通過NR用戶面和控制面協(xié)議與終端通信，ng-eNB則通過LTE用戶面和控制面協(xié)議與終端交互。無論是哪類基站，基站之間通過Xn接口相互通信，兩類基站通過NG接口與5GC各核心網(wǎng)元交互。5GC同時支持NR和LTE兩種無線接入技術(shù)，實(shí)際上NR還可以與4G核心網(wǎng)EPC互聯(lián)互通，也就是“非獨(dú)立組網(wǎng)”工作模式，NR與5GC互聯(lián)互通則是“獨(dú)立組網(wǎng)”工作模式。圖13-35G總體架構(gòu)13.1.3整體架構(gòu)整體架構(gòu)5GC采用基于服務(wù)的架構(gòu)，也就是說協(xié)議只是規(guī)定核心網(wǎng)需要提供的服務(wù)和功能，不再規(guī)定具體的物理節(jié)點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV）的發(fā)展，通用計(jì)算機(jī)上可以運(yùn)行各類服務(wù)，基于服務(wù)的架構(gòu)實(shí)際上是自然演進(jìn)的結(jié)果。此外，5G核心網(wǎng)還支持網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片可以看作是服務(wù)于特定企業(yè)或者用戶的能夠提供必要功能的一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，例如我們可以設(shè)置一個切片為高度移動性的用戶提供移動寬帶接入，設(shè)置另一個切片為工業(yè)自動化應(yīng)用提供極低時延的通信服務(wù)。這些不同的切片在同一個物理接入網(wǎng)和核心網(wǎng)上運(yùn)行，但是對于最終用戶來看，表現(xiàn)為不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系類似于物理計(jì)算機(jī)和虛擬機(jī)的關(guān)系。整體架構(gòu)圖13-45GC應(yīng)提供的服務(wù)整體架構(gòu)5GC提供的服務(wù)如圖13-4左圖所示，所有灰色塊均屬于5GC，其中UPF（UserPlaneFunction）是RAN與互聯(lián)網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，完成用戶面的數(shù)據(jù)路由與轉(zhuǎn)發(fā)、QoS處理、包過濾等功能?？刂泼娌糠职巳舾煞?wù)，其中SMF（SessionManagementFunction）負(fù)責(zé)終端IP地址分配以及會話管理功能；AMF（AccessandMobilityManagementFunction）主要負(fù)責(zé)終端接入管理、移動性管理以及用戶面數(shù)據(jù)安全性與認(rèn)證等。SMF/AMF的功能類似于EPC中的MME實(shí)體。此外還包括PCF（PolicyControlFunction），UDM（UnifiedDataManagement）、NRF（NRRepositoryFunction）以及AUSF（AuthenticationServerFunction）等服務(wù)，讀者可以查閱3GPPTS23.501獲得更加詳細(xì)的信息。由于AMF/SMF/UPF都是以服務(wù)的形式規(guī)定的，因此可以將他們部署在相同或者不同的節(jié)點(diǎn)上，還可以部署在云上。圖13-4右圖說明了5G各組成部分之間的接口。可以看出，gNB通過NG-c接口與5GC網(wǎng)元AMF實(shí)現(xiàn)控制面通信，通過NG-u接口與UPF實(shí)現(xiàn)用戶面通信，單個gNB可以同時連接多個UPF/AMF以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。gNB之間通過Xn接口相互通信，主要用來實(shí)現(xiàn)切換、雙連接以及多小區(qū)的空口資源管理。整體架構(gòu)特別需要指出的是，5G支持將gNB分為集中單元（CentralUnit，CU）和若干分布式單元（DistributeUnit，DU）的新架構(gòu)，圖13-5說明了4G與5G基站架構(gòu)的區(qū)別，4G基站內(nèi)部分為基帶單元（BasebandUnit，BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RemoteRadioUnit，RRU）和天線幾個模塊，每個基站都有一套BBU，并通過BBU直接連到核心網(wǎng)，結(jié)構(gòu)比較清晰。到了5G時代，原先的RRU和天線合并成了有源天線單元（ActiveAntennaUnit，AAU），而BBU則拆分成了DU和CU，其中CU部分運(yùn)行RRC/PDCP/SDAP等實(shí)時性要求不高的協(xié)議層，DU部分則運(yùn)行RLC/MAC/PHY等實(shí)時性較高的協(xié)議層。每個站都有一套DU，多個站點(diǎn)共用同一個CU進(jìn)行集中式管理，其中5GC與CU之間的通信鏈路稱為回傳（Backhaul），CU與DU之間的通信鏈路稱為中傳（Middlehaul），DU與AAU之間的通信鏈路稱為前傳（Fronthaul）。CU和DU是邏輯概念，物理上是否分開部署取決于具體需求。整體架構(gòu)圖13-54G與5G基站架構(gòu)的比較NR設(shè)計(jì)原則高度靈活性NR大幅拓展了用于部署無線接入技術(shù)的頻譜范圍，支持0.41~7.125GHz的頻段（FrequencyRange1，F(xiàn)R1）或24.25~52.6GHz的毫米波頻段FR2工作。由于高頻段較大的路徑損耗，通常使用低頻段實(shí)現(xiàn)廣覆蓋，高頻段實(shí)現(xiàn)小范圍高容量覆蓋。通過高低頻段聯(lián)合實(shí)現(xiàn)宏微小區(qū)聯(lián)合覆蓋，從而提供極大的部署靈活性。此外，針對各種不同的工作頻率，NR靈活設(shè)置了15/30/60/120/240KHz多種子載波間隔，支持靈活的OFDM參數(shù)配置，其中低頻段使用小的子載波間隔與更長的循環(huán)前綴，支持廣覆蓋目標(biāo)；高頻段則使用更大的子載波間隔和更短的OFDM符號周期，保證低處理時延和足夠的抗頻偏能力。帶寬方面也有足夠的靈活性，NR中最大子載波數(shù)目可達(dá)3300個，對于子載波間隔l5/30/60/120KHz，最大載波帶寬分別50/100/200/400MHz，還可以使用載波聚合靈活支持更大的帶寬。13.1.4NR設(shè)計(jì)原則NR設(shè)計(jì)原則雙工方面，NR除支持FDD和TDD外，還進(jìn)一步支持動態(tài)TDD，動態(tài)TDD是NR有別于LTE的技術(shù)要點(diǎn)之一。如前所述，高頻段對于熱點(diǎn)容量覆蓋的微小區(qū)非常實(shí)用，由于微小區(qū)發(fā)射功率低，覆蓋范圍很小，因此同頻干擾并不嚴(yán)重，而且這類小區(qū)的業(yè)務(wù)變化很快，通過動態(tài)TDD，NR允許基站根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)情況實(shí)時動態(tài)調(diào)整上下行時頻資源的配比。對于宏小區(qū)，為了避免小區(qū)之間嚴(yán)重的同頻干擾，則需要使用相對靜態(tài)的TDD配置，也就是每幀中的上下行配比基本不變。NR設(shè)計(jì)原則低能耗原則5G之前的移動通信技術(shù)的一個特點(diǎn)是，無論用戶業(yè)務(wù)如何，基站總是要周期性地發(fā)送一些控制信號，這些信號被稱為“常開”（always-on）信號．例如主輔同步信號、系統(tǒng)信息廣播信號以及用于信道估計(jì)的常開參考信號。在LTE的典型業(yè)務(wù)條件下，這種傳輸僅構(gòu)成整個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊恍〔糠?，因此對網(wǎng)絡(luò)性能的影響相對較小。但是，在峰值數(shù)據(jù)速率很高的超密集網(wǎng)絡(luò)中，每個小區(qū)的平均業(yè)務(wù)負(fù)載一般相對較低，相比之下常開信號的傳輸就成為整個網(wǎng)絡(luò)傳輸中不可忽視的一部分，導(dǎo)致極大的能耗，另一方面也會對其他小區(qū)造成干擾。通過最大限度地減少常開信號的傳輸，可以大大降低基站功耗。例如LTE中每子幀中都始終包含小區(qū)特定參考信號，終端可以用來實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)及信號強(qiáng)度測量等功能；而NR中則取消了小區(qū)特定參考信號，除非有數(shù)據(jù)要發(fā)送，否則不發(fā)送解調(diào)參考信號，降低了基站功耗的同時也減少了對其他小區(qū)的干擾。NR設(shè)計(jì)原則低時延措施超低時延是NR需要達(dá)到的重要目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要多協(xié)議層面協(xié)同聯(lián)合。例如在核心網(wǎng)層面使用邊緣計(jì)算，將計(jì)算能力盡可能部署在用戶附近以降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。此外，NR的MAC層和RLC層協(xié)議報(bào)頭設(shè)計(jì)也充分考慮了低時延要求，能夠在待傳數(shù)據(jù)量未知的情況下開始進(jìn)行處理。這一點(diǎn)在上行方向上尤其重要，因?yàn)閺慕邮丈闲惺跈?quán)到發(fā)送上行數(shù)據(jù)，終端可能僅有幾個OFDM符號的時間。相比之下，LTE協(xié)議則要求MAC和RLC層在生成PDU之前必須知道要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，而傳輸數(shù)據(jù)量只能通過解析上行授權(quán)獲得，因而難以壓縮處理時延。再比如NR物理層將參考信號和攜帶調(diào)度信息的控制信令放在時隙最開始的位置，如圖13-6所示，通過把參考信號和下行控制信令放在時隙最開始的位置發(fā)送，并且關(guān)閉跨OFDM符號的時域交織，終端無須緩存數(shù)據(jù)，可以立即處理接收的數(shù)據(jù)，從而最小化解碼的時延。相比之下，LTE的參考信號是分布在整個時隙的，必須首先緩存整個時隙，利用參考信號完成信道估計(jì)之后才能開始數(shù)據(jù)解碼，顯然時延較大。NR設(shè)計(jì)原則圖13-6可能的時隙占用方案NR設(shè)計(jì)原則NR的基本調(diào)度周期是時隙，每個時隙持續(xù)時長為14個OFDM符號，對于時延敏感的業(yè)務(wù)場景，通過增大子載波間隔可減小時隙長度，從而縮短調(diào)度周期。但這種機(jī)制下，系統(tǒng)調(diào)度周期與時隙周期緊耦合，并不是效率最高的方式。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的動態(tài)調(diào)度，NR使用了微時隙（Mini-Slot）機(jī)制來支持突發(fā)異步傳輸。與周期出現(xiàn)的常規(guī)時隙不同，微時隙的起始位置是可變的，且持續(xù)時間比常規(guī)時隙更短，時長可定制。當(dāng)突發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)時，NR能夠改變數(shù)據(jù)傳輸隊(duì)列的順序，將微時隙插入某個常規(guī)時隙傳輸數(shù)據(jù)的前面，無須等待下一個時隙開始，從而可以獲得極低的時延，如圖13-7所示。因此，微時隙機(jī)制能夠很好地適配uRLLC與eMBB業(yè)務(wù)共存的場景。對于熱點(diǎn)高容量場景，尤其是使用毫米波作為載頻的場景，由于帶寬很高，可能只需幾個OFDM符號即可承載較小的數(shù)據(jù)有效負(fù)荷，無需用到1個時隙中全部14個OFDM符號，在這種情況下，使用微時隙機(jī)制顯然可以提高資源的利用率。尤其是使用模擬波束賦形技術(shù)的場景，由于不同時刻波束指向不同方向，在每個波束方向上各自使用微時隙，就可以服務(wù)不同位置的多個UE設(shè)備。NR設(shè)計(jì)原則圖13-7微時隙協(xié)議棧13.2協(xié)議棧01PDCP層02RLC層03MAC層04物理層協(xié)議棧gNB與終端之間的空中接口協(xié)議棧如圖13-8所示，可以看出用戶面和控制面協(xié)議棧稍有不同，但是兩者在底下四層使用了相同的協(xié)議，以下重點(diǎn)討論用戶面協(xié)議棧。圖13-8NR協(xié)議棧協(xié)議棧NR協(xié)議棧與LTE協(xié)議棧極為相似，當(dāng)然兩者還是存在著很大的不同。比較顯著的區(qū)別在于NR中多了一個SDAP層，圖13-9說明了各層的主要功能。圖13-9NR各層處理協(xié)議棧業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（ServiceDataApplicationProtocol，SDAP）層，負(fù)責(zé)將不同的QoS流，依據(jù)其QoS要求映射到不同的無線承載上。這里的無線承載與LTE中的概念相同。分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PacketDataConvergenceProtocol，PDCP）層：負(fù)責(zé)IP包首部壓縮、加密以及完整性保護(hù)，此外負(fù)責(zé)切換過程中的數(shù)據(jù)重傳、按序遞交和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除等功能，每個UE的每個無線承載都對應(yīng)一個PDCP實(shí)體。無線鏈路控制（RadioLinkControl，RLC）層以RLC信道的方式為PDCP層提供服務(wù)，負(fù)責(zé)分段及重傳處理。每個RLC信道（或每個無線承載）都對應(yīng)一個RLC實(shí)體。為了滿足低時延的要求，NR中的RLC協(xié)議與LTE的RLC協(xié)議有所不同。媒質(zhì)接入控制（MediumAccessControl，MAC）層以邏輯信道的形式向RLC層提供服務(wù)，負(fù)責(zé)處理邏輯信道的復(fù)用、HARQ及調(diào)度功能，特別是gNB側(cè)MAC層的調(diào)度功能需要負(fù)責(zé)本小區(qū)所有上下行傳輸?shù)馁Y源調(diào)度。與LTE有所不同，為了滿足低時延要求，NR重新設(shè)計(jì)了MACPDU的協(xié)議頭。物理（PhysicalLayer，PHY）層以傳輸信道的方式向MAC層提供服務(wù)，負(fù)責(zé)信道編碼譯碼、調(diào)制解調(diào)、多天線映射以及其他物理層功能。協(xié)議棧圖13-10使用1個例子說明了下行數(shù)據(jù)經(jīng)過各層協(xié)議封裝的情況，首先定義兩個名詞，對于某個協(xié)議層來說，來自或者去往高層的數(shù)據(jù)單元稱為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（ServiceDataUnit，SDU），來自或者去往低層的數(shù)據(jù)單元稱為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ProtocolDataUnit，PDU）。本例中三個IP分組中的前兩個對應(yīng)一個無線承載，最后一個使用另一個無線承載，兩個無線承載分別對應(yīng)不同的PDCP/RLC實(shí)體。SDAP協(xié)議將IP分組n和n+1映射到無線承載x，IP分組m映射到無線承載y，輸出PDU交給PDCP層；對于PDCP層來說就是收到了PDCPSDU，PDCP以每個無線承載為單位對IP分組執(zhí)行首部壓縮、加密等處理，添加必要的協(xié)議頭生成PDCPPDU后交給RLC層；RLC根據(jù)需要，對PDCPPDU執(zhí)行分段并添加序號等處理，添加必要的協(xié)議頭后輸出RLCPDU交給MAC層；MAC層對多個RLCPDU進(jìn)行復(fù)用并添加MAC協(xié)議頭，形成MACPDU，也就是傳輸塊TB交給物理層處理。協(xié)議棧圖13-10數(shù)據(jù)封裝示例PDCP層PDCP的主要功能是IP報(bào)頭壓縮和報(bào)文加密。報(bào)頭壓縮機(jī)制采用基于魯棒性報(bào)頭壓縮（RobustHeaderCompression，ROHC）的標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)頭壓縮算法，對于控制面，PDCP還提供完整性保護(hù)以確保控制消息來自正確的信息源。在接收端，PDCP要執(zhí)行相應(yīng)的解密和解壓縮操作。PDCP還負(fù)責(zé)切換時的重復(fù)數(shù)據(jù)包刪除。在切換時，源gNB的PDCP負(fù)責(zé)將未送達(dá)的下行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)gNB；在終端側(cè)，由于HARQ的緩存被清空，終端上的PDCP實(shí)體還將負(fù)責(zé)重傳那些尚未送達(dá)gNB的所有上行數(shù)據(jù)包。在這種情況下，終端和目標(biāo)gNB上可能會接收到一些重復(fù)的PDU，通過檢查序號就可以刪除重復(fù)數(shù)據(jù)包。如果需要，PDCP還可以被配置為執(zhí)行重排序功能以便確保SDU按序遞交到更高層協(xié)議。PDCP中重復(fù)數(shù)據(jù)包處理功能也可用于提供額外的分集功能。在發(fā)射端，數(shù)據(jù)包被復(fù)制多份在多個小區(qū)中發(fā)送，增加了成功接收的可能性。在接收端，PDCP的重復(fù)刪除功能可以刪除掉所有重復(fù)項(xiàng)，這實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于選擇分集。13.2.1PDCP層RLC層RLC協(xié)議負(fù)責(zé)將來自PDCP層的RLCSDU經(jīng)過分段處理轉(zhuǎn)換為大小合適的RLCPDU，此外RLC協(xié)議還負(fù)責(zé)重傳出錯的PDU以及檢測重復(fù)接收的PDU，與LTE相同，NR中的RLC也有TM、UM和AM三種工作模式，其中TM模式對RLCSDU不做任何處理，UM模式中包含序號，支持?jǐn)?shù)據(jù)分段和重復(fù)檢測，而AM模式則是在UM模式基礎(chǔ)上增加了差錯重傳功能。AM工作模式下，通過檢測序號，RLC實(shí)體可以發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)是否發(fā)生了缺失，進(jìn)而通知對端重傳。注意MAC層的HARQ功能也可在傳輸出錯的時候自動發(fā)起重傳，丟失或出錯數(shù)據(jù)的重傳主要是由MAC層的HARQ機(jī)制處理，并由RLC層的ARQ進(jìn)行補(bǔ)充。13.2.2RLC層RLC層NR中的RLC不保證按序遞交，這是其與LTERLC的一個區(qū)別。在NR中，即使RLC實(shí)體發(fā)現(xiàn)序號不連續(xù)，也不會等待缺失的PDU，而是立即將解出的RLCSDU直接遞交高層，由高層自行保證數(shù)據(jù)的有序性，這種做法可以極大地降低NR處理的時延。另一個區(qū)別是NR的RLC中去掉了級聯(lián)功能，從而允許在收到調(diào)度授權(quán)之前提前生成RLCPDU，這種做法也可以降低總體時延。如圖13-11所示，以上行為例，在LTE中，UE只有收到了調(diào)度授權(quán)才知道本次允許發(fā)送的字節(jié)數(shù)，UE的MAC層才能通知RLC生成相應(yīng)大小的PDU，RLCPDU可以由多個SDU級聯(lián)而成，也可以包含某個SDU的一部分，由于級聯(lián)操作比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致了較大的時延。然而在NR中，終端從接收調(diào)度授權(quán)到終端發(fā)起上行傳輸?shù)臅r間間隔很短，通常只有短短幾個OFDM符號的時間。為此RLC刪去了SDU的級聯(lián)功能，無需等待調(diào)度授權(quán)，就可以提前針對每個RLCSDU分別生成RLCPDU，當(dāng)收到調(diào)度授權(quán)后，根據(jù)其中允許發(fā)送的字節(jié)數(shù)L，將緩存的多個RLCPDU依次交付給MAC層，直到這些PDU的總長度超過L為止，最后一個PDU可能需要分段后交付MAC層，以保證交給MAC層的數(shù)據(jù)總長度正好是L，由于分段操作很簡單，因此基本沒有處理時延。RLC層圖13-11LTE與NR的RLC區(qū)別MAC層MAC層的第一個重要功能是實(shí)現(xiàn)邏輯信道到傳輸信道的映射，具體的映射關(guān)系如圖13-12所示，從邏輯信道、傳輸信道的名稱以及映射關(guān)系來看，NR與LTE完全相同，且邏輯信道與傳輸信道上傳輸?shù)膬?nèi)容與LTE也幾乎完全相同，具體可參看12.3.1節(jié)。簡單來說，MAC層支持上述映射關(guān)系的具體做法是將多個邏輯信道復(fù)用到1個傳輸信道中，并通過MACPDU中的協(xié)議頭說明上述復(fù)用關(guān)系，在接收端MAC層，依據(jù)MAC協(xié)議頭，通過解復(fù)用操作可以分離出每個邏輯信道分別遞交給相應(yīng)的RLC實(shí)體。圖13-12NR中的信道映射13.2.3MAC層MAC層NR與LTE的MAC協(xié)議字段設(shè)計(jì)有很大的不同，如圖13-13所示，LTE中MAC協(xié)議頭位于PDU的最前面，每個PDU中復(fù)用的邏輯信道數(shù)目是可變的，且針對每個邏輯信道的MAC協(xié)議子頭也是變長的，因此只有在知道調(diào)度決策之后才能執(zhí)行復(fù)用過程組裝MACPDU。然而NR中則是在每個MACSDU之前添加子頭，這種做法允許在收到調(diào)度決策之前就提前處理每個MACSDU，為其分別添加協(xié)議子頭，子頭中包含了LCID字段以及SDU長度字段，其中LCID指明了該SDU來自于哪個邏輯信道，每個MACSDU最大為65536字節(jié)。MACPDU中除了攜帶不同邏輯信道的數(shù)據(jù)，還可以包含MAC層控制信息，這些信息可以看作是MAC層的帶內(nèi)控制信令。對于下行傳輸，MAC控制信息位于MACPDU的最前面；對于上行傳輸，則位于MACPDU的尾部，這么做也是為了滿足低時延的要求。有多種可能的MAC控制信息，例如基站通過時間提前量的MAC控制信息，通知終端調(diào)整其發(fā)送時機(jī)。具體請參考TS38.321。MAC層（a）LTE（b）NR圖13-13LTE和NR中的MACPDUMAC層MAC層的第二個重要功能是調(diào)度，其目標(biāo)與LTE相同，讀者可以參考12.3.1節(jié)，具體的調(diào)度算法則由各生產(chǎn)廠商自行設(shè)計(jì)。雖然動態(tài)調(diào)度是NR的基本工作模式，但是也可以通過配置實(shí)現(xiàn)半靜態(tài)調(diào)度（Semi-PersistentScheduling，SPS），即終端被預(yù)先配置可用于上行數(shù)據(jù)傳輸（或下行數(shù)據(jù)接收）的資源。一旦終端有可用數(shù)據(jù)，它就可以立即開始上行傳輸，無須首先發(fā)送調(diào)度請求并等待調(diào)度授權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)更低的時延。MAC層的第三個重要功能是帶軟合并的HARQ，HARQ協(xié)議使用與LTE類似的多個并行停等進(jìn)程。當(dāng)接收到傳輸塊（TransportBlock，TB）時，接收機(jī)嘗試解碼，并通過1比特的ACK信號向發(fā)射機(jī)反饋解碼是否成功，如果解碼失敗，則發(fā)射端需要重傳該TB。顯然，收發(fā)兩端都需要知道ACK與HARQ進(jìn)程的對應(yīng)關(guān)系，為此NR上下行均采用異步HARQ，即明確指出需要重傳的HARQ進(jìn)程，這一點(diǎn)與LTE也存在較大的差別。例如對于需要重傳的上行數(shù)據(jù)，基站無需向UE發(fā)送ACK/NACK信息，而是直接調(diào)度UE進(jìn)行指定HARQ進(jìn)程的數(shù)據(jù)重傳。MAC層與LTE相比，NR中HARQ機(jī)制的一個增強(qiáng)功能是碼塊組（CodeblockGroups，CBG）重傳，物理層在收到MAC遞交的TB后，通常會首先將TB分割成1個或多個碼塊（Codeblock，CB），然后以CB為單位執(zhí)行LDPC信道編碼，以保證信道編碼合理的復(fù)雜度。對于5G可能的Gbps量級的數(shù)據(jù)傳輸，每個TB可以有高達(dá)數(shù)百個CB，如果傳輸出錯，大多數(shù)情況下1個TB中只有少量CB遭到破壞，此時重傳整個TB既浪費(fèi)資源也非必要，只需重傳錯誤的CB即可。但是重傳CB要求HARQ協(xié)議明確指出每個出錯的CB索引，有可能導(dǎo)致過高的控制信令開銷，因此NR采用了CBG重傳的折中方案，如果配置了CBG重傳，則每個CBG都需要提供反饋，從而僅僅重傳出錯的CBG，這比重傳整個TB消耗更少的資源。盡管CBG重傳是HARQ機(jī)制的一部分，但它對MAC層是不可見的，因?yàn)閷AC層來說，只有正確接收了所有CBG，才算是收到了TB?？紤]到射頻拉遠(yuǎn)單元會引起一定的前傳時延，以及5G中較短的時隙長度（意味著更快的調(diào)度），NR最多可支持16個HARQ進(jìn)程，而LTE的最大HARQ進(jìn)程數(shù)為8。出于和12.3.1節(jié)相同的理由，多個并行的HARQ進(jìn)程可能導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂序，這一問題在LTE中由RLC層解決，而在NR中則由PDCP層或者更高的傳輸層協(xié)議（例如TCP）來解決。物理層物理層以傳輸信道的形式向MAC層提供服務(wù)。以gNB的下行方向?yàn)槔琈AC層在每個調(diào)度周期針對每個UE最多輸出1或2個TB及其傳輸格式（TransportFormat，TF）作為1路DL-SCH傳輸信道交付給物理層，物理層負(fù)責(zé)完成傳輸信道到物理信道的映射，包括編碼、物理層HARQ處理、調(diào)制、多天線處理以及將信號映射到相應(yīng)的物理時頻資源上。一個物理信道對應(yīng)于一組用來傳送某個特定傳輸信道的時頻資源，每個傳輸信道映射到相應(yīng)的物理信道上，如圖1312所示。有些物理信道用于傳輸物理層控制信息，并沒有對應(yīng)的傳輸信道，這類信道也稱為Ll/L2控制信道。具體來說，NR中定義了以下物理信道類型：13.2.4物理層物理層物理下行共享信道（PhysicalDownlinkSharedChannel，PDSCH），用于單播數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕锢硇诺?，也用于傳輸尋呼信息、隨機(jī)接入響應(yīng)消息和部分系統(tǒng)信息。物理上行共享信道（PhysicalUplinkSharedChannel，PUSCH），終端在上行方向上發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用的信道。物理廣播信道（PhysicalBroadcastChannel，PBCH)，用于傳輸終端接入網(wǎng)絡(luò)所需的部分關(guān)鍵系統(tǒng)信息。物理下行控制信道（PhysicalDownlinkControlChannel，PDCCH），用于傳輸下行控制信息，主要是調(diào)度決策，包括正確接收PDSCH的必要輔助信息以及正確發(fā)送PUSCH的調(diào)度授權(quán)信息。物理上行控制信道（PhysicalUplinkControlChannel，PUCCH），終端使用它來發(fā)送HARQ反饋、信道狀態(tài)報(bào)告以及請求PUSCH資源。物理隨機(jī)接入信道（PhysicalRandomAccessChannel，PRACH），用于隨機(jī)接入。物理層圖13-14給出了傳輸信道DL-SCH/UL-SCH到物理信道PDSCH/PUSCH映射過程中的處理流程，NR與LTE對業(yè)務(wù)信道的處理基本類似。需要指出的是，LTE中上下行共享信道使用Turbo信道編碼，NR中則使用了低密度奇偶校驗(yàn)（Low-DensityParityCheck，LDPC）碼。這主要是因?yàn)镹R要支持非常高的數(shù)據(jù)速率，盡管從糾錯能力上看，LDPC和Turbo編碼性能相近，但LDPC的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更低，特別是在高碼率時有明顯優(yōu)勢。圖13-14NR中PDSCH/PUSCH處理流程物理層與LTE相比，NR中去掉了PCFICH/PHICH等信道，并且NR中的PDCCH時頻結(jié)構(gòu)更靈活，可以在一個或多個控制資源集（COntrolREsourceSET，CORESET）中傳輸，CORESET的大小和時頻位置由基站半靜態(tài)配置，頻域上可以出現(xiàn)在不同的RB位置，占用6個RB的整數(shù)倍，最多可以占到整個載波帶寬，時域上可以出現(xiàn)在時隙內(nèi)的任何位置，最多占用3個OFDM符號，但是為了方便接收數(shù)據(jù)，通常會把CORESET放在時隙的起始位置。需要指出的是，LTE中的PDCCH占用每個子幀前1~3個OFDM符號的整個載波帶寬，而NR中的CORESET允許僅僅占用部分載波帶寬且時域位置靈活，優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效兼容不同帶寬能力的終端，并且便于向未來兼容，關(guān)于帶寬能力，可以參考13.3.4節(jié)。此外，LTE中PDCCH占用的OFDM符號寬度在每個子幀上都是動態(tài)變化的，由PCFICH指示，而NR中CORESET長度則是固定的，具體時頻位置是通過RRC信令提前配置好的。物理層5G系統(tǒng)為了支持更加靈活的資源分配，如圖13-15所示，在時域上PDSCH/PUSCH與PDCCH（DCI）的位置不再固定。對于PDSCH，其與PDCCH的相對位置由DCI中的K0域指示。K0=0表示PDSCH與PDCCH處于同一個時隙，K0=1表示PDSCH處于PDCCH隨后的那個時隙中，依此類推。對于PUSCH，其與PDCCH的相對位置由DCI中的K2域指示。K2=0表示PUSCH與PDCCH處于同一個時隙，K2=1表示PUSCH處于PDCCH隨后的那個時隙中，依此類推。需要注意的是，UE需要一定的時間來準(zhǔn)備PUSCH數(shù)據(jù)，TS38.214中規(guī)定了這個準(zhǔn)備時間的長度，資源調(diào)度時基站需要保證PUSCH距離PDCCH的間隔大于PUSCH的準(zhǔn)備時間。PUCCH用于傳輸HARQ反饋、信道狀態(tài)反饋、上行數(shù)據(jù)調(diào)度請求等上行控制信息，根據(jù)信息量和PUCCH傳輸持續(xù)時間的不同，有若干不同的PUCCH格式。例如短PUCCH在時隙的最后一個或兩個符號中發(fā)送，從而可以實(shí)現(xiàn)非常迅速的HARQ確認(rèn)反饋，基站從PDSCH傳輸結(jié)束至收到終端HARQ反饋的時延大約僅僅是幾個OFDM符號的長度。而LTE中這個時延接近3毫秒，也就是三個子幀的時長。如果短PUCCH的持續(xù)時間太短以至于不能提供足夠的覆蓋，可以采用更長的PUCCH持續(xù)時間。物理層圖13-15NR中PDSCH/PUSCH與PDCCH之間的位置關(guān)系信道編碼方面，由于物理層控制信道數(shù)據(jù)量比業(yè)務(wù)信道要小，并且不使用HARQ，當(dāng)控制信息的有效載荷大于11比特時采用極化（Polar）碼，否則采用Reed-Muller碼。物理傳輸結(jié)構(gòu)13.3物理傳輸結(jié)構(gòu)01空口波形02幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集03雙工方式04部分帶寬空口波形針對5G的空口波形，盡管學(xué)界和業(yè)界曾提出FBMC、UFMC及GFDM等許多候選技術(shù)，但是這些技術(shù)或者技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，或者難以與多天線技術(shù)結(jié)合使用，因此最終5GNR還是選擇與LTE相同的OFDM作為上下行空口波形方案。與LTE上行僅支持DFTS-OFDM不同，NR在上行方向上支持OFDM和DFTS-OFDM兩種波形，支持前者是因?yàn)榻邮諜C(jī)更容易與MIMO空分復(fù)用技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高速傳輸；支持后者則是出于與LTE類似的考慮，可以降低峰均比從而提高終端側(cè)功率放大器的效率。13.3.1空口波形幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集LTE中只支持一種子載波間隔，即15KHz，但是NR支持多種不同的子載波間隔，如表13-2所示。每種子載波間隔都對應(yīng)符號周期、時隙、循環(huán)前綴等一整套不同的參數(shù)，不同子載波間隔對應(yīng)的參數(shù)集合構(gòu)成多參數(shù)集（MultipleNumerology）。無論子載波間隔為多少，每幀長度為10ms，由10個子幀級聯(lián)而成，每個子幀持續(xù)時間為1ms，每子幀進(jìn)一步分為若干時隙，具體的時隙數(shù)取決于子載波間隔，如圖13-16所示，不同的參數(shù)集具有不同的μ值，分別對應(yīng)不同的子載波間隔。如果是普通（Normal）CP類型，每個時隙包含14個OFDM符號，如果是擴(kuò)展（Exended）CP類型，則每個時隙包含12個OFDM符號。由表13-2可知，僅Δf=60KHz才使用擴(kuò)展CP類型，其他Δf只支持普通CP類型。根據(jù)子載波間隔可以很容易算出OFDM符號周期T_s=1\/Δf。13.3.2幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集表13-2NR支持的子載波間隔圖13-16NR中幀、子幀與時隙幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集與LTE類似，NR中也有資源格和資源塊（ResourceBlock，RB）的概念，不過在LTE中，一個RB是指一個時隙12個連續(xù)子載波構(gòu)成的二維資源，是資源分配的最小單位；而在NR中，1個RB則是指單個OFDM符號中的12個連續(xù)子載波。NR支持在兩個頻率范圍上工作，其中0.41~7.125GHz稱為頻率范圍1（FrequencyRange1，F(xiàn)R1），24.25~52.6GHz稱為FR2。如果工作于FR1，則支持的子載波間隔為l5/30/60KHz，單載波最大帶寬為100MHz，F(xiàn)R2支持的子載波間隔為60/l20KHz，最大工作帶寬為400MHz。表13-3和表13-4分別列出了FR1和FR2兩個頻率范圍、不同子載波間隔條件下支持的帶寬配置及相應(yīng)的RB數(shù)目。例如FR1，60KHz子載波間隔，如果工作帶寬為100MHz，根據(jù)表13-3，RB數(shù)目為135個，即1620個子載波，占用實(shí)際寬度為97.26MHz，左右各留出1.37MHz的保護(hù)間隔用于容納頻譜旁瓣。此外，還可以使用載波聚合來支持更大的帶寬。特別需要說明的是，NR支持在工作帶寬內(nèi)，依據(jù)傳輸?shù)男盘栴愋褪褂貌煌淖虞d波間隔，因此在完全相同的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以配置兩個子載波間隔為Δf的RB，也可以配置為單個子載波間隔為2Δf的RB。例如NR中的同步信號可以使用240KHz子載波間隔，但是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最大只能支持120KHz的子載波間隔。幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集表13-3FR1條件下支持的帶寬配置表13-4FR2條件下支持的帶寬配置幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集在LTE中，只有一種參數(shù)集，所有終端都支持整個載波帶寬，所以容易定義RB位置。但是在NR中，可能同時存在若干參數(shù)集，標(biāo)識RB位置就需要一個公共參考點(diǎn)，這個公共參考點(diǎn)稱為A點(diǎn)，在同一個工作帶寬條件下，無論使用哪個子載波間隔配置μ，A點(diǎn)都是固定不變的。為了進(jìn)一步說明A點(diǎn)的位置，NR中引入了公共資源塊（CommonResourceBlock，CRB）的概念。CRB是針對整個工作帶寬來編號的，0號CRB對應(yīng)整個工作帶寬中頻率最低的那個RB，CRB的最大編號與工作帶寬和子載波間隔有關(guān)，例如50MHz帶寬下子載波間隔為15KHz的最大CRB編號是269，子載波間隔為30KHz的最大CRB編號是132（可由表13-3查得），A點(diǎn)位于0號CRB的0號子載波位置，如圖13-17所示。初始接入過程中，終端完成下行同步之后，通過接收系統(tǒng)廣播就可獲得A點(diǎn)的具體位置。圖13-17A點(diǎn)與CRB幀結(jié)構(gòu)與多參數(shù)集之所以定義多套參數(shù)集，是因?yàn)?G在很寬的頻率范圍和很高的帶寬上工作，隨著工作頻率的升高，多普勒頻移越來越大，為了降低多普勒頻移對OFDM造成的影響，提高子載波間隔是一種可行的手段；此外，工作帶寬增加，而子載波間隔不變，將導(dǎo)致DFT/IDFT點(diǎn)數(shù)增加，進(jìn)而計(jì)算/存儲復(fù)雜度都會增加，例如Δf=15KHz條件下，400MHz帶寬將要求高達(dá)26400點(diǎn)的DFT，如果采用120KHz的子載波間隔，則FDT點(diǎn)數(shù)可以降為3300點(diǎn)；最后增加Δf可以降低OFDM符號的時長，這就意味著更短的時隙長度和更短的調(diào)度間隔，從而為5G的低時延要求提供可能。因此，在NR中可以隨著工作頻率的升高使用更大的子載波間隔和更短的OFDM符號，實(shí)際上，工作頻率升高，路徑損耗也會相應(yīng)增加，小區(qū)覆蓋范圍縮小，也相應(yīng)降低了無線信道的均方根時延擴(kuò)展，客觀上允許使用更短的循環(huán)前綴長度，從而為更短的OFDM符號提供了可行性。雙工方式LTE中使用不同的幀結(jié)構(gòu)分別支持FDD和TDD模式，并且在TDD工作模式下以幀為單位規(guī)定了其中每個子幀的傳輸方向，一共定義了7種不同的上下行配比，并且LTE上下行配比不隨時間動態(tài)變化。而NR中的配比則要靈活的多，且使用同一個幀結(jié)構(gòu)支持FDD/TDD模式，F(xiàn)DD只是其中的一個特例。具體來說，引入了靈活時隙的概念，可以在OFDM符號級別調(diào)整上下行方向，并且使用了動態(tài)TDD技術(shù)允許隨時動態(tài)改變上下行配比，從而可以支持更多的場景和業(yè)務(wù)類型。13.3.3雙工方式雙工方式NR允許以時隙為單位規(guī)定其中每個OFDM符號的傳輸方向，可能的傳輸方向有下行D、上行U或者靈活F三種。其中F符號可用于上行、下行或者GP傳輸，究竟用于何種用途，需要結(jié)合多種配置機(jī)制才能實(shí)時確定。當(dāng)NR用于FDD時，只需在下行頻率上將所有時隙的所有符號都定義為D符號，上行頻率上都定義為U符號即可。理論上每個時隙中每個符號都可以指定為D、U或者F三者之一，可能的組合數(shù)量非常大，NR的R15版本中規(guī)定了61種預(yù)定義的組合關(guān)系，具體可以查閱TS38.213的表11.1.1-1，表13-5僅僅給出了NR中支持的部分上下行配比。不同的上下行配比適用于不同的業(yè)務(wù)模式，例如當(dāng)前存在大量下行業(yè)務(wù)時，可以將每個OFDM符號都配置為D符號，以最大可能地提高下行傳輸速率。表13-5NR支持的部分上下行配置雙工方式NR系統(tǒng)支持四級時隙配比的配置方案，其中第一級和第二級使用RRC層信令實(shí)現(xiàn)半靜態(tài)配置，第三級和第四級則是通過調(diào)度實(shí)現(xiàn)動態(tài)配置。以下分別說明。第一級是小區(qū)級配置，通過系統(tǒng)消息廣播下發(fā)給所有終端；第二級是終端級的上下行指示配置，該配置通過RRC信令單獨(dú)通知給某個終端。如圖13-18所示，終端如果收到這兩種配置，會將兩種配置規(guī)定的上下行配比合并，終端級配置將覆蓋小區(qū)級配置，第一級規(guī)定為F符號的，如果第二級配置明確指定了上下行方向U或者D，則按照第二級配置合并；如果小區(qū)級和終端級都指示為F符號，那么合并后這個符號依然為F符號，合并后的F符號，終端必須進(jìn)一步結(jié)合第三、四級動態(tài)調(diào)度，明確其究竟用于上行或者下行方向。因此完全依賴調(diào)度信令實(shí)現(xiàn)動態(tài)TDD，和通過RRC信令將所有OFDM符號都標(biāo)記為F符號是等效的。圖13-18上下行配置合并雙工方式第三級配置是通過動態(tài)信令將上下行配比發(fā)送給一組終端。這組終端會同時監(jiān)聽一個特殊的下行控制信息時隙格式指示（SlotFormatIndicator，SFI）。如果收到了SFI，即收到了SF表格的索引，則通過查SF表即可獲得各OFDM符號的傳輸方向。這里SF表指的是一張通過RRC信令在終端配置的表格，表格里面每一行都對應(yīng)了一組預(yù)設(shè)的D、F和U的組合模式。第四級配置也是通過動態(tài)信令通知被調(diào)度的終端，終端根據(jù)下行信令中的調(diào)度授權(quán)，除非明確規(guī)定為上行發(fā)送，否則所有符號都當(dāng)作下行符號來接收。第三級和第四級配置的區(qū)別在于前者發(fā)送給那些當(dāng)前未被調(diào)度的終端，而后者則是發(fā)送給那些當(dāng)前需要上行或下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端。例如網(wǎng)絡(luò)先前通過RRC信令配置了終端周期性發(fā)送上行探測信號（UplinkSoundingSignal，SRS），通過第三級配置可以將相應(yīng)符號標(biāo)記為下行符號，從而臨時禁止這些終端發(fā)送SRS。雙工方式上述四級配置結(jié)合使用可以提供巨大的靈活性，對于廣覆蓋場景中的宏小區(qū)，動態(tài)TDD可能會導(dǎo)致較大的干擾，此時應(yīng)該采用類似LTE的半靜態(tài)上下行配比，即第1級配置，以高層信令的方式半靜態(tài)地配置某些或所有時隙的傳輸方向，這種情況下，由于終端能夠提前確知哪些時隙用于下行，因此僅在下行時隙上開啟接收解調(diào)，能夠降低終端能耗。在更高頻段例如FR2，由于其傳播條件，這些頻段通常適用于局域覆蓋的微小區(qū)。對于密集部署或者一些和周邊小區(qū)相對隔離的微小區(qū)，小區(qū)間干擾能夠得到較好的控制，基站不需要過多考慮周邊基站的上下行情況，可以獨(dú)立地調(diào)整上下行配置。而且在小區(qū)較小、每小區(qū)用戶數(shù)量相對較少的場合中，小區(qū)業(yè)務(wù)的變化很快，例如某用戶單獨(dú)在小區(qū)中并且需要下載一個很大的文件，那么大部分資源集中在下行，上行只占很小一部分。但是很快情況可能就會有所不同，大部分容量需求可能轉(zhuǎn)移到上行方向。通過第三級和第四級配置方法使用動態(tài)TDD隨時動態(tài)分配上下行傳輸方向能夠有效應(yīng)對業(yè)務(wù)的快速變化，調(diào)度器將根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)時變化完全決定每個OFDM符號到底用作下行還是上行。雙工方式最后，從下行傳輸?shù)缴闲袀鬏斨g需要留出足夠的保護(hù)間隔，其具體原理已經(jīng)在12.4.1節(jié)詳細(xì)討論過了。類似于LTE中S子幀的GP，NR中通過在下行OFDM符號與上行符號之間指定若干靈活符號用于傳輸GP，即可實(shí)現(xiàn)保護(hù)間隔的功能，保護(hù)間隔的長度取決于小區(qū)半徑和相鄰小區(qū)的干擾情況，保護(hù)間隔越長，則下行符號與上行符號之間的靈活符號越多。對于相對隔離的微小區(qū)來說，小區(qū)半徑很小且?guī)缀醪淮嬖谙噜徯^(qū)的干擾，因此保護(hù)間隔可以很短，例如NR中支持的保護(hù)間隔最短為1個OFDM符號。部分帶寬在LTE中所有終端都可以在20MHz的最大載波帶寬上工作。但是NR中的工作帶寬可能高達(dá)400MHz，對于終端來說，在這么大的帶寬上發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)將導(dǎo)致較高的能耗，既不必要也不合理。NR允許終端側(cè)采用接收機(jī)帶寬自適應(yīng)機(jī)制以降低終端能秏，帶寬自適應(yīng)是指在數(shù)據(jù)速率不高的情況下終端僅在相對較窄的部分帶寬上接收控制信令和用戶數(shù)據(jù)，在需要支持高速通信時能夠動態(tài)打開寬帶接收機(jī)。為此NR定義了部分帶寬（BandwidthPart，BWP）的概念，用來指示某個子載波間隔下終端與基站之間的通信帶寬。如圖1319所示，每個BWP可由參數(shù)集（子載波間隔和循環(huán)前綴長度）以及該參數(shù)集下從某個CRB開始的一段連續(xù)RB構(gòu)成的集合來描述。針對單個BWP，NR使用物理資源塊（PhysicalResourceBlock，PRB）來標(biāo)識其中的每個RB，BWP中頻率最低的RB即為0號PRB，PRB的最大編號取決于BWP的帶寬和子載波間隔。如圖13-19中0號BWP的0號PRB對應(yīng)N0start號CRB。13.3.4部分帶寬部分帶寬圖13-19BWP與PRB、CRB的關(guān)系部分帶寬每個終端完成初始下行同步后，將從PBCH中解出控制資源集（CORESET），CORESET中定義了初始的下行BWP，通過CORESET還可以找到系統(tǒng)廣播信息對應(yīng)的控制信道，進(jìn)而接收系統(tǒng)廣播獲得初始的上行BWP。當(dāng)終端在小區(qū)中入網(wǎng)注冊進(jìn)入連接態(tài)后，當(dāng)前小區(qū)可以為其配置最多4個下行BWP和4個上行BWP，但是任意時刻都只有一個當(dāng)前激活的下行BWP和上行BWP，終端將只在當(dāng)前激活的下行BWP上接收PDCCH/PDSCH，基站發(fā)給該終端的消息必須在該終端當(dāng)前激活的下行BWP范圍內(nèi)，當(dāng)然，終端將只在當(dāng)前激活的上行BWP上發(fā)送PUCCH/PUSCH。如果是TDD工作模式，則上行BWP和下行BWP的中心頻率相同。gNB可以通過控制信令為終端激活或者關(guān)閉不同的BWP，如13-20所示。部分帶寬圖13-20BWP激活與切換大規(guī)模MIMO技術(shù)13.4大規(guī)模MIMO技術(shù)01數(shù)字域多天線預(yù)編碼02波束管理大規(guī)模MIMO技術(shù)13.4大規(guī)模MIMO技術(shù)在LTE中，多天線技術(shù)被用于獲得分集增益、指向性增益以及空分復(fù)用增益，是獲得高速率傳輸以及高頻譜效率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。具體來說，在收發(fā)端采用多天線技術(shù)會給移動通信系統(tǒng)帶來以下好處：

因?yàn)樘炀€間存在一定距離或者處在不同的極化方向上，因此不同天線經(jīng)過的信道不完全相關(guān)。在發(fā)送端或者接收端使用多天線可以提供分集增益，對抗信道衰落。

通過調(diào)整發(fā)送端每個天線單元的相位和幅度，可以使發(fā)送信號存在特定的指向性，也就是將所有的發(fā)送能量集中在特定方向（波束賦形）上。由于能量集中，所以這種指向性可以提高傳輸速率以及傳輸距離。指向性還能夠降低干擾，從而整體提高頻譜效率。和發(fā)射天線類似，接收天線也可以利用波束賦形技術(shù)，把對特定信號的接收聚焦在信號的波達(dá)方向，從而降低來自其他方向的干擾信號的影響。

最后，利用接收機(jī)和發(fā)射機(jī)上的多天線，采用空分復(fù)用技術(shù)，可以在相同的時頻資源上，并行傳輸多層的數(shù)據(jù)流。大規(guī)模MIMO技術(shù)NR和LTE不同的一點(diǎn)是NR需要支持高頻部署，因此多天線技術(shù)變得尤為關(guān)鍵。一般來說，更高的頻率意味著更大的路損，也就是更小的通信范圍。這是因?yàn)樘炀€尺寸通常隨著頻率升高而減小。如果將載波頻率提高10倍，那么波長會降為原來的1\/10，進(jìn)而天線的物理尺寸也就降為原來的1\/10，整個天線的面積則降為原先的1%。這就意味著能夠被天線捕捉的能量下降20dB。當(dāng)5G工作于FR2毫米波頻段時，意味著接收功率大幅下降。如果隨著載波頻率升高，收發(fā)天線尺寸均保持不變，則天線所捕捉的能量就可以保持不變，然而相對于波長來說較大的天線尺寸將極大地增加天線的指向性（天線指向性大致和物理天線面積除以波長平方成正比）。換言之，發(fā)射天線只能將輻射能量集中在很窄的波束中，接收天線也只能在很窄的波束中接收能量，收發(fā)天線必須相互對準(zhǔn)才能達(dá)到上述目的。盡管高度方向性的天線在理論上可以維持類似于低頻段的覆蓋程度，但是毫米波傳輸依然面臨繞射能力差、要求直視路徑等許多困難，實(shí)際的覆蓋情況還是比低頻段差很多。因此在5G時代需要聯(lián)合使用高低頻段，通過低頻段實(shí)現(xiàn)廣覆蓋，高頻段實(shí)現(xiàn)小范圍高容量覆蓋。大規(guī)模MIMO技術(shù)對無線通信系統(tǒng)而言，在載波頻率增加的前提下要保持天線物理面積不變，可以通過在天線面板上集成更多的天線單元來實(shí)現(xiàn)。每個天線單元的尺寸以及天線單元的間距一般和波長成正比，因此隨著頻率增加，天線單元的間距也會隨之減少，相應(yīng)地天線單元的個數(shù)就會隨之增加，相當(dāng)于大量的天線同時工作。在毫米波條件下，單個天線的尺寸很小，可以使用大量的微小天線構(gòu)成大規(guī)模陣列，盡管LTE中也支持使用多天線，但是NR中支持的天線數(shù)目更多，因此得名大規(guī)模MIMO。大規(guī)模MIMO技術(shù)在天線面板里集成大量的天線單元，通過獨(dú)立調(diào)整各個天線單元發(fā)射的相位，可以方便地控制發(fā)射波束的方向。同樣，接收端也可以通過調(diào)整每個天線單元的接收相位來控制接收波束的方向?？傮w上說，任何多天線傳輸技術(shù)都可以按照圖13-21來建模。發(fā)送的信號可以表示為向量，即同時發(fā)送NL層獨(dú)立信號，隨后通過一個變換矩陣W（矩陣維度為NT×NL），映射到NT個物理天線上，所有物理天線上發(fā)送的信號記為向量圖13-21多天線預(yù)處理

大規(guī)模MIMO技術(shù)圖13-21所示模型適用于大多數(shù)多天線傳輸場景，但在實(shí)際產(chǎn)品中由于各種限制可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式，最現(xiàn)實(shí)的一個考慮是實(shí)現(xiàn)多天線處理（也就是實(shí)現(xiàn)矩陣W）的位置，通常有兩種做法，如圖13-22所示。圖13-22多天線預(yù)處理多天線處理在發(fā)射機(jī)模擬域?qū)崿F(xiàn)，也就是在數(shù)模轉(zhuǎn)換之后實(shí)現(xiàn)。多天線處理在發(fā)射機(jī)數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，也就是在數(shù)模轉(zhuǎn)換之前實(shí)現(xiàn)。大規(guī)模MIMO技術(shù)通常NT>NL，數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，特別是需要每個天線單元都配置一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。隨著工作頻段升高，天線單元數(shù)量NT越大，所需的DAC也就越多，成本也就越高。因此毫米波產(chǎn)品中往往采用模擬域多天線處理。而模擬域多天線處理，一般是對每天線信號進(jìn)行相移來調(diào)整波束方向，即波束賦形，如圖13-23所示。因此在毫米波段，多天線應(yīng)用主要以波束賦形為主，正好毫米波段也不缺帶寬，對MIMO空分復(fù)用的要求并不強(qiáng)烈。圖13-23波束賦形大規(guī)模MIMO技術(shù)模擬域多天線處理的一個限制是，每個時刻波束只能指向一個方向，或者說，基站必須在不同的時刻為分布在不同方向上的終端服務(wù)，如圖13-25所示。而在低頻卻恰恰相反，由于波長較大，天線數(shù)目NT有限，因此即使在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)多天線處理，也不會耗費(fèi)太多的DAC，加上低頻段主要的困難在于帶寬資源受限，往往空分復(fù)用更為關(guān)鍵，而空分復(fù)用恰好需要數(shù)字域的多天線處理。在數(shù)字域里，發(fā)送端可以任意地調(diào)整變換矩陣W（也稱為預(yù)編碼矩陣）中每個元素的相位和幅度，從而提供高階的空分復(fù)用能力。同時數(shù)字域還允許為同一載波內(nèi)多個數(shù)據(jù)層產(chǎn)生獨(dú)立的變換矩陣W，這樣發(fā)給不同方向上終端的數(shù)據(jù)可以放置在不同的頻率上同時發(fā)送，如圖13-25所示。大規(guī)模MIMO技術(shù)圖13-24波束賦形（每個時刻只能指向一個方向）圖13-25同時多方向波束賦形大規(guī)模MIMO技術(shù)模擬域和數(shù)字域多天線處理的區(qū)別在接收端也同樣存在。對模擬域多天線處理，一個時刻只能接收來自一個特定方向的信號，對兩個方向信號的接收只能在不同時刻發(fā)生。而數(shù)字域多天線處理則能夠提供足夠的靈活性，可以支持來自多個方向多個數(shù)據(jù)流的同時接收。和發(fā)送端類似，數(shù)字域多天線處理主要的問題是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性，需要為每個天線單元提供一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。總之，在高頻段工作時，可以通過波束賦形，實(shí)現(xiàn)在極窄的波束中傳輸信號以擴(kuò)展覆蓋范圍。而在較低頻段，可以使用多天線實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，有效提高傳輸速率。數(shù)字域多天線預(yù)編碼這部分內(nèi)容從原理上看與LTE基本相同，可以參考12.8節(jié)獲得更為詳細(xì)的信息。多天線預(yù)編碼設(shè)計(jì)的一個重要的問題是，在傳輸數(shù)據(jù)使用預(yù)編碼的條件下，是否需要對解調(diào)參考信號（DemodulationReferenceSignal，DM-RS）也進(jìn)行相同的預(yù)編碼。如果DMRS沒有預(yù)編碼，這意味著接收機(jī)需要知道發(fā)射機(jī)使用的預(yù)編碼才能夠進(jìn)行相干解調(diào)。如果參考信號和數(shù)據(jù)一起進(jìn)行預(yù)編碼，則接收機(jī)無需知道預(yù)編碼矩陣就可以正確解調(diào)。為了支持多用戶MIMO傳輸，NR中UE下行最多可以接收8個MIMO層，上行最多4層。此外，NR支持分布式MIMO，也就是說終端每時隙可以接收來自多個基站的獨(dú)立的PDSCH，以實(shí)現(xiàn)從多個傳輸點(diǎn)到同一用戶的同時數(shù)據(jù)傳輸。13.4.1數(shù)字域多天線預(yù)編碼

波束管理如前所述，在高頻段工作時，多使用模擬域波束賦形技術(shù)，這一技術(shù)的限制是，在給定時刻接收或發(fā)射波束只能指向某個特定方向，相同的信號在多個OFDM符號中不斷重復(fù)，以高增益、窄波束加波束掃描的形式保證全向覆蓋，如圖13-26所示。NR為3GHz以下頻段規(guī)定了4個波束方向，3GHz以上的頻段有8個波束，每個波束覆蓋不同的方向。FR2更是規(guī)定了64個波束方向。圖13-26波束掃描由于每個時刻基站和終端只能在特定方向上發(fā)射和接收信號，因此對于終端的同步機(jī)制有著較大的影響，NR中的信道和信號（包括用于控制和同步的信道和信號），其設(shè)計(jì)都必須支持波束掃描的工作方式。13.4.2波束管理

波束管理波束管理的目標(biāo)是建立和維護(hù)一個合適的波束對，即接收機(jī)選擇一個合適的接收波束，發(fā)射機(jī)選擇一個合適的發(fā)射波束，兩者聯(lián)合起來保證良好的無線連接。最優(yōu)的波束對并不一定意味著發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的波束相互對準(zhǔn)，由于移動信道環(huán)境中可能存在障礙物，當(dāng)發(fā)送端和接收端之間不存在直視徑的情況下，有可能收發(fā)信機(jī)的波束都對準(zhǔn)某個反射體才是最優(yōu)的。一般來說，波束管理可以分為初始波束建立、波束調(diào)整及波束恢復(fù)三部分，其中終端上下行同步后將建立初始波束，為了適應(yīng)終端的移動和環(huán)境的緩慢變化，需要不斷進(jìn)行波束調(diào)整，最后，由于環(huán)境變化導(dǎo)致當(dāng)前波束對失效時，就需要通過波束恢復(fù)重新建立波束對。波束管理每個小區(qū)周期性地在所有波束指向上廣播同步信號，在UE搜索小區(qū)階段，UE將測量每個波束指向上的同步信號，并找到強(qiáng)度最高的波束指向，完成下行同步后即可獲得相應(yīng)的波束ID，實(shí)際上就是對該UE來說最優(yōu)的來波方向，如圖13-27所示，通過系統(tǒng)廣播可以知道這一波束ID對應(yīng)的隨機(jī)接入資源，相應(yīng)發(fā)起隨機(jī)接入，完成上行同步后進(jìn)入連接態(tài)。圖13-27波束掃描與測量波束管理當(dāng)初始波束對建立后，因?yàn)榻K端的移動、旋轉(zhuǎn)等原因，需要定期地重新評估接收端波束和發(fā)送端波束的選擇是否依然合適，即便終端完全靜止不動，周邊環(huán)境中一些物體的移動也有可能會阻擋或者不再阻擋某些波束對，這就意味著波束調(diào)整是必需的。波束調(diào)整還包括優(yōu)化波束形狀，比如相對于初始波束，通過波束調(diào)整讓波束更加窄從而獲得更高的傳輸增益。因?yàn)椴ㄊ鴮Φ牟ㄊx形包括發(fā)送端波束賦形和接收端波束賦形，所以波束調(diào)整可以分為下面兩個獨(dú)立的過程：現(xiàn)有接收波束不變，重新評估和調(diào)整發(fā)送端的發(fā)射波束。現(xiàn)有發(fā)射波束不變，重新評估和調(diào)整接收端的接收波束。如上所述，對上行和下行兩個方向都需要波束調(diào)整，以下行波束調(diào)整為例，需要分別調(diào)整下行發(fā)射端和接收端兩端的波束指向，具體如下：波束管理下行發(fā)送端波束調(diào)整下行發(fā)送端波束調(diào)整的主要目的是在終端接收波束不變的情況下，優(yōu)化基站發(fā)射波束。為了達(dá)到這個目的，終端可以測量一組參考信號，這些參考信號會對應(yīng)一組下行波束，參見圖13-28。終端將測量結(jié)果上報(bào)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會依照測量結(jié)果決定是否調(diào)整當(dāng)前波束以及如何調(diào)整。圖13-28下行發(fā)送波束調(diào)整波束管理下行接收端波束調(diào)整下行接收端波束調(diào)整的主要目的是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)射波束不變的清況下，找到終端最優(yōu)的接收波束。為了達(dá)到這個目的，需要再次給終端配置一組下行參考信號，這些參考信號都是從網(wǎng)絡(luò)的同一個波束上發(fā)出的。這個波束就是當(dāng)前的服務(wù)波束。如圖13-29所示，終端執(zhí)行接收端波束掃描，來依次測量配置的一組參考信號。通過測量，終端可以調(diào)整其當(dāng)前接收波束。圖13-29上行接收波束調(diào)整波束管理上行波束調(diào)整和下行波束調(diào)整的目的一致，都是為了維持一個合適的波束對。上行波束調(diào)整需要為終端選擇一個合適的上行發(fā)射波束，以及為網(wǎng)絡(luò)選擇一個合適的上行接收波束。如果假設(shè)波束一致性存在，而且已經(jīng)獲取了合適的下行波束對，那么上行波束管理就沒有必要了，下行的波束對可以直接用于上行。在某些場景下，由于環(huán)境的變化，導(dǎo)致原先建立的波束對突然被阻擋，網(wǎng)絡(luò)和終端沒有足夠的時間來進(jìn)行波束調(diào)整。為了處理這種情況，NR還定義了一套流程專門處理這種波束失敗的流程，即波束恢復(fù)。波束恢復(fù)包括如下步驟：波束失敗檢測，終端檢測到發(fā)生了波束失敗。備選波束認(rèn)定，終端試圖發(fā)現(xiàn)新的波束，或者可以恢復(fù)連接的新波束對?；謴?fù)請求傳輸，終端發(fā)送一個波束恢復(fù)請求給網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)回應(yīng)波束恢復(fù)請求。上下行同步01同步信號塊SSB02SSB的時頻位置03PBCH承載的信息04剩余系統(tǒng)信息05隨機(jī)接入13.5上下行同步

上下行同步13.5上下行同步

NR終端在開機(jī)后必須首先完成小區(qū)搜索和下行同步，找到要駐留的小區(qū)，獲得正確的幀起始，并且保證能夠正確接收系統(tǒng)信息。當(dāng)終端接收到必要的系統(tǒng)信息后就可以發(fā)起隨機(jī)接入過程完成上行同步，接入網(wǎng)絡(luò)。只有當(dāng)終端完成上下行同步后才能夠正確的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本章簡要描述小區(qū)搜索、系統(tǒng)信息傳遞和隨機(jī)接入。同步信號塊SSBNR中，每個小區(qū)周期性地發(fā)送同步信號，包括主同步信號PSS和輔同步信號SSS，用于終端查找、同步和識別網(wǎng)絡(luò)；PSS/SSS和物理廣播信道（PhysicalBroadcastChannel，PBCH）一起，稱為同步信號塊（SynchronizationSignalBlock，SSB），PBCH攜帶最少量的關(guān)鍵系統(tǒng)信息，包括指示剩余的廣播系統(tǒng)信息在哪里傳輸。NR的SSB與LTE的PSS/SSS/PBCH用途類似，但是NR中針對SSB的設(shè)計(jì)更多地考慮了降低基站能耗及波束掃描的可能性。SSB是在基本OFDM網(wǎng)格上傳輸?shù)囊唤M時頻資源，其時頻結(jié)構(gòu)如圖13-30所示。可以看出，SSB在時域持續(xù)4個OFDM符號，在頻域持續(xù)240個子載波共20個RB的帶寬。其中PSS位于SSB的第一個OFDM符號，頻域上占據(jù)127個子載波，其余為全零子載波；SSS位于在SSB的第三個OFDM符號，與PSS占據(jù)相同的子載波，兩端分別空出8個和9個全零子載波；每個SSB中PBCH占用576個資源格，如圖13-30中灰色區(qū)域所示，其中包含了用于PBCH相干解調(diào)的參考信號。13.5.1同步信號塊SSB同步信號塊SSB圖13-30SSB的時頻結(jié)構(gòu)同步信號塊SSBSSB可以使用不同的子載波間隔發(fā)送。表13-6列出了SSB支持的子載波間隔、相應(yīng)的SSB帶寬、持續(xù)時間以及適用的頻率范圍。注意60KHz的子載波間隔不能用于傳輸SSB，240KHz子載波間隔可以用來傳輸SSB，但不能用來傳輸其他用戶數(shù)據(jù)。定義240KHz參數(shù)集，是因?yàn)檫@種情況下SSB的持續(xù)時間極短，方便波束掃描模式中在時間上復(fù)用多個SSB。表13-6SSB支持的子載波間隔同步信號塊SSB接下來分別介紹PSS/SSS兩個信號，終端利用這兩個信號可以獲得小區(qū)ID，與LTE一樣，NR中每個小區(qū)也使用小區(qū)ID來標(biāo)識，不過NR中的小區(qū)種類和數(shù)量更多，因此NR支持的小區(qū)ID范圍是0~1007，是LTE的2倍。終端必須正確識別所在小區(qū)的小區(qū)ID，才能正確接收小區(qū)發(fā)來的所有信息。小區(qū)ID由NID(1)和NID(2)兩部分構(gòu)成，且有如下關(guān)系：其中NID(2)∈{0,1,2}可由PSS計(jì)算得到，NID(1)={0,1,?,335}由SSS計(jì)算得到。NR中使用的PSS/SSS采用了m序列，而不是LTE采用的ZC序列，主要是考慮到ZC序列的抗頻偏性能有所欠缺。以下說明PSS/SSS序列的具體形式。同步信號塊SSBPSS序列長度為127，對應(yīng)不同的N_ID^((2))共有三種可能的PSS序列x0、x1和x2，分別是基序列x={x(k),k=0,1,?,126}執(zhí)行不同的循環(huán)移位得到的，基序列x為m序列，可根據(jù)如下遞歸公式生成：其中[x(6)x(5)x(4)x(3)x(2)x(1)x(0)]=[1110110]，通過對基序列應(yīng)用不同的循環(huán)移位，根據(jù)如下公式可以生成三個不同的PSS序列：當(dāng)檢測PSS信號時，終端應(yīng)該檢測全部三個PSS，并依據(jù)相關(guān)峰值確定小區(qū)到底發(fā)送了哪個PSS序列，進(jìn)而確定NID(2)。同步信號塊SSBSSS的基本結(jié)構(gòu)與PSS相同，長度也是127，對應(yīng)不同的NID(1)和NID(2)共有1008種可能的SSS序列。每個SSS序列都是由兩個基序列按照不同的循環(huán)移位相異或得到的。具體來說，SSS序列的生成公式如下：其中兩個基序列x0(n)和x1(n)的生成公式如下：綜上所述，通過檢測PSS可以獲得NID(2)，進(jìn)一步通過檢測SSS獲得NID(1)，就可以最終得到小區(qū)ID。SSB的時頻位置具體傳輸時，NR將上述SSB映射到下行OFDM資源格的不同位置上，連同其他物理信道等一起發(fā)送。在LTE中，PSS/SSS每5ms出現(xiàn)一次，且在每一幀中的位置是固定的，終端通過檢測PSS/SSS信號除了可以獲得小區(qū)ID外還可以獲得幀定時。與LTE不同，NR中SSB的周期可能是5/10/20/40/80/160ms，具體值由系統(tǒng)信息SIB1規(guī)定，然而在初始接入的時候，UE還沒有收到SIB1，將按照默認(rèn)的20ms周期來搜索SSB。13.5.2SSB的時頻位置SSB的時頻位置作為改善覆蓋范圍的一種手段，NR小區(qū)可能會使用波束掃描工作方式。當(dāng)NR工作于高頻段或者FR2時，為了解決工作頻率高導(dǎo)致的高路徑損耗問題，通過波束賦形，在某一個時刻將能量集中超某個特定方向輻射，從而該方向上可以把信號發(fā)送的更遠(yuǎn)，但是其他方向接收不到信號，下一個時刻朝另一個方向發(fā)送，最終通過波束不斷的改變方向，實(shí)現(xiàn)整個小區(qū)的覆蓋。為了保證每個波束方向上的用戶都能搜索到SSB，如圖13-31所示，NR的做法是每當(dāng)SSB周期出現(xiàn)時，小區(qū)將發(fā)送一系列SSB，針對每個波束指向都發(fā)送1個SSB，也就是說SSB定期在某個半幀內(nèi)出現(xiàn)若干次，這些SSB合稱為SS突發(fā)集，每個SS突發(fā)集中所有SSB必須位于同一個半幀內(nèi)，但是在半幀中的具體位置則取決于子載波間隔，NR根據(jù)子載波間隔的不同，將SSB的時域位置分為了5種不同的情況，具體可以查閱TS38.213的第4.1節(jié)。SSB的時頻位置圖13-31波束掃描模式中的SSB發(fā)送SSB的時頻位置以15KHz子載波間隔為例，如果載波頻率小于3GHz，SSB在半幀中最多可能出現(xiàn)4次，具體位置為某個半幀中前兩個時隙的第2~5和第8~11OFDM符號，如圖13-32所示。注意這四個符號只是SSB可能的位置，實(shí)際上SSB不一定在所有位置上發(fā)送。因?yàn)椴ㄊ鴴呙璨⒎潜剡x項(xiàng)，特別是小區(qū)在較低頻率上工作時可能根本不需要波束掃描。例如工作在15KHz子載波間隔、3GHz以下頻點(diǎn)，并且沒有使用波束賦形，則SS突發(fā)集只需一個SSB就夠了，從而SSB可能出現(xiàn)在上述四個位置中的任意一個。對于FR1中3GHz到6GHz的載波頻率，SSB最大可能出現(xiàn)8次，具體位置為某個半幀中前四個時隙的第2個和第8個OFDM符號。如果工作于FR2上，則SSB可能出現(xiàn)高達(dá)64次。SSB的時頻位置如前所述，小區(qū)內(nèi)所有SSB的PSS/SSS都是相同的，具體形式取決于小區(qū)ID。終端通過PSS/SSS可以獲得小區(qū)ID，但是由于每個SS突發(fā)中SSB可能多次出現(xiàn)，因此為了獲取幀定時，終端還需要知道SSB出現(xiàn)的位置與幀起始之間的偏移。為此，每個SSB的PBCH中還包含了“時間索引”屬性，明確指出了對應(yīng)SSB在半幀中出現(xiàn)的位置ID。UE結(jié)合該值就可以確定幀起始。圖13-32SSB的可能位置SSB的時頻位置接下來討論SSB的頻域位置。在LTE中，PSS/SSS/PBCH總是位于整個工作帶寬的中心，并且每5ms發(fā)送一次。如果終端不知道小區(qū)的工作頻率，則其必須以100KHz為間隔不斷在所有可能的載波頻率上搜索PSS/SSS。然而NR中情況有所不同，為了降低NR基站的功耗，NR中允許加大同步信號的周期，默認(rèn)情況下SSB每20ms發(fā)送一次。因?yàn)橄噜廠SB的時間間隔較長，終端在搜索每個NR載波時就必須停留更長的時間。為了避免花費(fèi)太長的時間才能找到NR小區(qū)的問題，NR采用了更大的搜索步長，也就是說SSB可能出現(xiàn)的頻點(diǎn)（也稱為同步柵格）比NR載波可能出現(xiàn)的頻點(diǎn)（載波柵格）更稀疏，如圖13-33所示。默認(rèn)的搜索周期是20ms，如果20ms內(nèi)沒有檢測到SSB就繼續(xù)檢測同步柵格里的下一個頻點(diǎn)。因此SSB可能不會位于NR載波的中心，稀疏的同步柵格可以顯著縮短小區(qū)初始搜索的時間，同時由于SSB周期較長，也就可顯著降低基站功耗。SSB的時頻位置具體來說，NR中規(guī)定了一系列全局同步信道號GSCN，每個GSCN都對應(yīng)一個確定的絕對頻率，NR中小區(qū)的SSB只能放在這些GSCN上，對齊方式為SSB的10號RB的0號子載波與GSCN對齊，具體的GCSN可以查閱TS38.101-1和TS38.101-2。每個運(yùn)營商允許使用的工作頻段是提前分配好的，根據(jù)工作頻段就可以查得一個GCSN范圍，UE將依次檢查該范圍內(nèi)的每個GSCN以搜索SSB，由于SSB可能使用不同的子載波間隔，因此UE在搜索SSB的時候應(yīng)嘗試各種可能的子載波間隔。圖13-33同步柵格與載波柵格SSB的時頻位置如前所述，由于同步柵格和載波柵格大小不同，因此SSB未必處于NR載波的中心，假定UE在某個GCSN上搜索到了SSB，還必須進(jìn)一步確定小區(qū)的載波中心頻率。實(shí)際上由于SSB可以選用不同的子載波間隔，如圖1334所示，SSB的下沿，即SSB第0號RB的0號子載波，與pointA之間也不一定正好相差整數(shù)個RB，因此SSB在NR載波上的位置由兩個參數(shù)

和kssb確定，兩個參數(shù)的單位分別是RB和子載波（如果工作在FR1，則規(guī)定子載波間隔為15KHz，相應(yīng)地RB寬度為180KHz；否則規(guī)定子載波間隔為60KHz，相應(yīng)地RB寬度為720KHz）。其中參數(shù)

表示SSB第0號RB的0號子載波所在的那個CRB（以下記為CRBSSB）與pointA之間相距的RB數(shù)目，由系統(tǒng)信息SIB1中的OffsetToPointA參數(shù)給出，SIB1的有關(guān)內(nèi)容參見13.5.4節(jié)，參數(shù)kssb則表示SSB第0號RB的第0號子載波與CRBSSB的第0號子載波之間的子載波數(shù)目，由SSB中的PBCH給出，參見13.5.3節(jié)。

SSB的時頻位置圖13-34SSB與pointA之間的關(guān)系SSB的時頻位置綜上所述，假定UE在某個GCSN上搜索到了SSB，則根據(jù)GCSN可以找到SSB的下沿對應(yīng)的子載波頻率，根據(jù)kssb可以求得CRBSSB的0號子載波的絕對頻率，進(jìn)而根據(jù)OffsetToPointA值即可確定pointA的絕對頻率。pointA是不同子載波間隔參數(shù)下的頻域參考點(diǎn)，真正用于傳輸數(shù)據(jù)的時頻資源格（或者說載波帶寬）的下沿與pointA之間的偏移記為OffsetToCarrier，由高層參數(shù)規(guī)定。結(jié)合pointA和該值即可找到整個載波帶寬的起始頻率，最后再結(jié)合BWP的相關(guān)參數(shù)即可找到相應(yīng)的BWP。PBCH承載的信息系統(tǒng)信息（SystemInformation，SI）是對終端在網(wǎng)絡(luò)中正常工作所需要的全部公共信息的統(tǒng)稱，依據(jù)這些信息的用途和重要性，將SI分為主信息塊（MasterInformationBlock，MIB）和若干系統(tǒng)信息塊（SystemInformationBlock，SIB）。其中MIB包含了少量最基礎(chǔ)最重要的信息，由PBCH承載，終端要根據(jù)MIB中攜帶的信息來獲取小區(qū)廣播的其余SIB。表13-7列出了PBCH所承載的信息。13.5.3PBCH承載的信息PBCH承載的信息表13-7PBCH承載的信息PBCH承載的信息表中半幀指示說明了該SSB處于前半幀還是后半幀，SSB時間索引標(biāo)識了該SSB在SS突發(fā)集里的位置，兩者結(jié)合就可以確定幀邊界。SSB時間索引由PBCH加擾編碼的隱式部分和PBCH凈荷里的顯式部分兩