3.1-5G NR無線幀結(jié)構(gòu)課件講解

第五代移動(dòng)通信技術(shù)講師亢建華CONTENTS

5GNR空中接口

NR無線幀結(jié)構(gòu)

NR物理信道和信號(hào)

NR信道編碼5G移動(dòng)通信技術(shù)第三章核桃AI【本章內(nèi)容】5G空中接口和LTE相比，既有延續(xù)又有發(fā)展。本章主要介紹了5GNR的空中接口，包括無線幀結(jié)構(gòu)、Numerology概念、NR的物理信道和信號(hào)、5GNR新的調(diào)制方式256QAM等，特別是Numerology概念最能體現(xiàn)5G空口的新特性，是5G實(shí)現(xiàn)新功能和強(qiáng)大性能的基礎(chǔ)。本章最后介紹了5GNR的數(shù)據(jù)信道的編碼LDPC碼和信令信道的編碼Polar碼。5GNR空中接口3.1NR無線幀結(jié)構(gòu)3核桃AI3.1.1幀結(jié)構(gòu)和Numerology的概念5G的新空中接口稱為5GNR，從物理層來說，5GNR相對(duì)于4G最大的特點(diǎn)是支持靈活的幀結(jié)構(gòu)。5GNR引入了Numerology的概念，Numerology可翻譯為參數(shù)集或配置集，意思指一套參數(shù)、包括子載波間隔、符號(hào)長(zhǎng)度、CP(循環(huán)前綴)長(zhǎng)度等，這些參數(shù)共同定義了5GNR的幀結(jié)構(gòu)。5GNR幀結(jié)構(gòu)由固定架構(gòu)和靈活架構(gòu)兩部分組成，如圖3-1所示。圖3-1NR無線幀結(jié)構(gòu)核桃AI

在固定架構(gòu)部分，5GNR的一個(gè)物理幀長(zhǎng)度是10ms，由10個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀長(zhǎng)度為1ms。每個(gè)幀被分成兩個(gè)半幀，每個(gè)半幀包括五個(gè)子幀，子幀1～5組成半幀0，子幀6～10組成半幀1。這個(gè)結(jié)構(gòu)和LTE基本一致。在靈活架構(gòu)部分，5GNR的幀結(jié)構(gòu)與LTE有明顯的不同，用于三種場(chǎng)景eMBB、uRLLC和mMTC的子載波的間隔是不同的。5GNR定義的最基本的子載波間隔也是15kHz，但可靈活擴(kuò)展。所謂靈活擴(kuò)展，即NR的子載波間隔設(shè)為2μ×15kHz，μ∈{-2，0，1，…，5}，也就是說子載波間隔可以設(shè)為3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz等，這一點(diǎn)與LTE有著根本性的不同，LTE只有單一的15kHz子載波間隔。表3-1列出了NR支持的五種子載波間隔，表中的符號(hào)μ稱為子載波帶寬指數(shù)。表3-1NR支持的五種子載波間隔μΔf?=?2μ?×?15(kHz)循環(huán)前綴(CP)015正常130正常260正常、擴(kuò)展3120正常4240正常核桃AI由于NR的基本幀結(jié)構(gòu)以時(shí)隙為基本顆粒度，當(dāng)子載波間隔變化時(shí)，時(shí)隙的絕對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度也隨之改變，每個(gè)幀內(nèi)包含的時(shí)隙個(gè)數(shù)也有所差別。比如在子載波帶寬為15kHz的配置下，每個(gè)子幀時(shí)隙數(shù)目為1，在子載波帶寬為30kHz的配置下，每個(gè)子幀時(shí)隙數(shù)目為2。正常CP情況下，每個(gè)子幀包含14個(gè)符號(hào)，擴(kuò)展CP情況下包含12個(gè)符號(hào)。表3-2和3-3給出了不同子載波間隔時(shí)，時(shí)隙長(zhǎng)度以及每幀和每子幀包含的時(shí)隙個(gè)數(shù)的關(guān)系。可以看出，每幀包含的時(shí)隙數(shù)是10的整數(shù)倍，隨著子載波間隔的增大，每幀或是子幀內(nèi)的時(shí)隙數(shù)也隨之增加。表3-2正常循環(huán)前綴下OFDM符號(hào)數(shù)、每幀時(shí)隙數(shù)和每子幀時(shí)隙數(shù)分配核桃AI在表3-2和表3-3中，μ是子載波配置參數(shù)，是每時(shí)隙符號(hào)數(shù)目，是每幀時(shí)隙數(shù)目，是每子幀時(shí)隙數(shù)目，子載波間隔=2μ×15kHz，子幀由一個(gè)或多個(gè)相鄰的時(shí)隙形成，每時(shí)隙具有14個(gè)相鄰的符號(hào)。3GPP技術(shù)規(guī)范38.211規(guī)定了5G時(shí)隙的各種符號(hào)組成結(jié)構(gòu)。圖3-2例舉了格式0～15的時(shí)隙結(jié)構(gòu)，時(shí)隙中的符號(hào)被分為三類：下行符號(hào)(標(biāo)記為D)、上行符號(hào)(標(biāo)記為U)和靈活符號(hào)(標(biāo)記為X)。表3-3擴(kuò)展循環(huán)前綴的每時(shí)隙OFDM符號(hào)數(shù)、每幀時(shí)隙數(shù)和每子幀時(shí)隙數(shù)核桃AI下行數(shù)據(jù)可以在D和X上發(fā)送，上行數(shù)據(jù)可以在U和X上發(fā)送。同時(shí)，X還包含上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)，NR支持每個(gè)時(shí)隙包含最多兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。由此可以看出，不同于LTE上下行轉(zhuǎn)換發(fā)生在子幀交替時(shí)，NR上下行轉(zhuǎn)換可以在符號(hào)之間進(jìn)行。圖3-25GNR時(shí)隙的符號(hào)配置核桃AI由于每個(gè)時(shí)隙的OFDM數(shù)目固定為14(正常CP)和12(擴(kuò)展CP)，因此OFDM符號(hào)長(zhǎng)度也是可變的。無論子載波間隔是多少，符號(hào)長(zhǎng)度×子幀時(shí)隙數(shù)目=子幀長(zhǎng)度，子幀長(zhǎng)度一定是1ms。子載波間隔越大，其包含的時(shí)隙數(shù)目越多，因此，對(duì)應(yīng)的時(shí)隙長(zhǎng)度和單個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度會(huì)越短。各參數(shù)如表3-4所示。表3-4OFDM符號(hào)長(zhǎng)度可變數(shù)表Parameter/Numerlogy(μ)/(參數(shù)/參數(shù)集)01234子載波(subcarrier)間隔/kHz153060120240每個(gè)時(shí)隙(slot)長(zhǎng)度/μs100050025012562.5每個(gè)時(shí)隙符號(hào)數(shù)(NormalCP)/個(gè)1414141414OFDM符號(hào)有效長(zhǎng)度/μs66.6733.3316.678.334.17循環(huán)前綴(CyclicPrefix)長(zhǎng)度/μs4.692.341.170.570.29OFDM符號(hào)有效長(zhǎng)度(包含CP)/μs71.3535.6817.848.924.46OFDM符號(hào)長(zhǎng)度(包含CP)?=?每個(gè)時(shí)隙(slot)長(zhǎng)度/每個(gè)時(shí)隙符號(hào)數(shù)(NormalCP)3.1.2各種子載波的幀結(jié)構(gòu)劃分雖然5GNR支持多種子載波間隔，但是在不同子載波間隔配置下，無線幀和子幀的長(zhǎng)度是相同的。無線幀長(zhǎng)度固定為10ms，子幀長(zhǎng)度為1ms。那么不同子載波間隔配置下，無線幀的結(jié)構(gòu)有哪些不同呢？答案是每個(gè)子幀中包含的時(shí)隙數(shù)不同。在正常CP情況下，每個(gè)時(shí)隙包含的符號(hào)數(shù)相同，且都為14個(gè)。下面根據(jù)每種子載波的間隔配置，來看一下5GNR的幀結(jié)構(gòu)。1．正常CP(子載波間隔=15kHz)如圖3-3所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀僅有1個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含10個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為14。圖3-3正常CP(子載波間隔15kHz)2．正常CP(子載波間隔=30kHz)如圖3-4所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀有2個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含20個(gè)時(shí)隙。1個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為14。圖3-4正常CP(子載波間隔30kHz)3．正常CP(子載波間隔=60kHz)如圖3-5所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀有4個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含40個(gè)時(shí)隙。1個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為14。圖3-5正常CP(子載波間隔60kHz)4．正常CP(子載波間隔=120kHz)如圖3-6所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀有8個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含80個(gè)時(shí)隙。1個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為14。圖3-6正常CP(子載波間隔120kHz)5．正常CP(子載波間隔=240kHz)如圖3-7所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀有16個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含160個(gè)時(shí)隙。1個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為14。圖3-7正常CP(子載波間隔240kHz)6．?dāng)U展CP(子載波間隔=60kHz)如圖3-8所示，在這個(gè)配置中，一個(gè)子幀有4個(gè)時(shí)隙，所以無線幀包含40個(gè)時(shí)隙。1個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)為12。圖3-8擴(kuò)展CP(子載波間隔=60kHz)通過以上配置的例子可以得出如下結(jié)論：(1)雖然5GNR支持多種子載波間隔，但是不同子載波間隔配置下，無線幀和子幀的長(zhǎng)度是相同的。無線幀長(zhǎng)度為10ms，子幀長(zhǎng)度為1ms。(2)不同子載波間隔配置下，無線幀的結(jié)構(gòu)有所不同，即每個(gè)子幀中包含的時(shí)隙數(shù)不同。另外，在正常CP情況下，每個(gè)時(shí)隙包含的符號(hào)數(shù)相同，且都為14個(gè)。(3)時(shí)隙長(zhǎng)度因?yàn)樽虞d波間隔不同會(huì)有所不同，一般是隨著子載波間隔變大，時(shí)隙長(zhǎng)度變小。3.1.3物理資源

NR的物理資源包括三部分：頻率資源、時(shí)間資源和空間資源。在這里，頻率資源指的是子載波，時(shí)間資源指的是時(shí)隙/符號(hào)，空間資源指的是天線端口。子幀時(shí)隙資源結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。1．天線端口天線端口是由參考信號(hào)定義的邏輯發(fā)射通道，也就是天線邏輯端口。它是物理信道或物理信號(hào)的一種基于空口環(huán)境的標(biāo)識(shí)，相同的天線邏輯端口信道環(huán)境變化一樣，接收機(jī)可以據(jù)此進(jìn)行信道估計(jì)從而對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。在同一天線端口上，某一符號(hào)上的信道可以由另一符號(hào)上的信道推知。如果一個(gè)天線端口上某一符號(hào)傳輸?shù)男诺赖拇蟪叨刃阅芸梢员涣硪惶炀€端口上某一符號(hào)傳輸?shù)男诺浪浦?，則這兩個(gè)天線端口被稱為準(zhǔn)共址(Quasico-Located)。大尺度性能包括一個(gè)或多個(gè)延時(shí)擴(kuò)展、多普勒擴(kuò)展、多普勒頻移、平均增益，平均時(shí)延和空間接收參數(shù)。2．資源網(wǎng)格資源網(wǎng)格由個(gè)子載波和個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成，由更高層的信令指示。每個(gè)傳輸方向(上行鏈路或下行鏈路)有一組帶有下標(biāo)的資源網(wǎng)格x，分別將下行鏈路和上行鏈路設(shè)置為DL和UL。給定天線端口有一個(gè)資源網(wǎng)格p、子載波間隔配置μ和傳輸方向(下行鏈路或上行鏈路)。核桃AI圖3-9子幀時(shí)隙資源結(jié)構(gòu)載波帶寬用于子載波間隔配置，由SCS-SpecificCarrierIE(子載波間隔-指定載波)中的高層參數(shù)CarrierBandwidth(載波帶寬)給出。起始位置用于子載波間隔配置，由SCS-SpecificCarrierIE中的高層參數(shù)offsetToCarrier(載波偏移)給出。3．RE天線端口p和子載波間隔配置μ的資源格中的每個(gè)元素被稱為RE(ResourceElement，資源粒子)，并且由索引對(duì)(k，l)唯一地標(biāo)識(shí)，其中k是頻域索引，l是時(shí)域索引。RE可分為4類：Uplink(上行)，Downlink(下行)，F(xiàn)lexible(靈活)，Reserved(保留)。4．RBRB(ResourceBlock，資源塊)的定義和LTE是不一樣的：5GRB是頻域上連續(xù)的12個(gè)子載波，時(shí)域上沒有定義，稱為1個(gè)RB。而且由于5G引入了Numerology的概念，在不同的配置集下，不同的子載波間隔對(duì)應(yīng)的最小和最大RB