1.    參數集的定義

在3GPP 38.211規范中對參數集（Numerologies）的定義是由于“子載波間隔（SCS，sub-carrier spacing）”變化引起的各項時域和頻域相關參數的變化。因為只有一個子載波間隔（即15kHz子載波間隔），所以LTE不需要任何專門術語來表示子載波間隔。而在5G NR中目前定義了五種不同類型的子載波間隔，如下表所示。為了實現不同參數集之間的高復用率，3GPP確定了?f * 2^μ的原則（其中μ為參數集的序號），指5G NR最基本的子載波間隔與LTE一樣15kHz，但可根據15* 2^μ kHz，u ∈{0, 1, ..., 4}靈活變化。但并不是所有的參數集都適用于每種物理信道和物理信號。特定的參數集只用于特定類型的物理信道。下表顯示了參數集可以和哪些物理信道配合。

讀者可能會問為什么會采用這么復雜的參數集呢？我們都知道3GPP協議從來都不會告訴我們為什么，只告訴是這樣。以下是一些筆者根據經驗的理解：

· 5G NR應用場景覆蓋頻率范圍很大，熱門的頻段有從小于7.125GHz的傳統無線通信頻段到28GHz、39GHz的毫米波頻段。由于不同頻段電磁波的特性的不同，很難在不犧牲效率性能的情況下使用單一子載波間隔能夠覆蓋整個范圍。由于子載波間距與OFDM符號長度呈現反比關系，窄的子載波間距對應著長OFDM符號長度。使用更長的OFDM符號，可以為循環間隔（CP，Cyclic Prefix）分配更多的抗衰落空間，使信號更容易抵抗長時延的衰落信道。

· 在6GHz以下頻段，已經沒有很寬的空白頻帶了。為了在有限的頻譜中放進盡可能多的子載波，需要使子載波間隔盡可能小。這就是為什么在這個頻段參數集使用較小的子載波間隔，比如15kHz，30kHz，60kHz。那么，為什么不使用更小的子載波，比如10kHz、7.5kHz、5kHz等？因為在OFDM中，保持子載波之間的正交性是很重要的，傳輸的信號會經過各種衰落信道，導致每個子載波的頻率漂移。當發射機或接收機移動得很快時，頻率漂移的程度就變得更加嚴重。使用的子載波間隔越窄，對衰落的容忍度就越弱。

· 寬的子載波間隔比如120 kHz、240kHz，主要用于毫米波頻段。發射機或接收器的頻率漂移程度也會越來越高。隨著載波頻率的增加，多普勒頻移范圍也隨之增大。為了容忍這種寬范圍的頻移，需要使用更寬的子載波間隔。毫米波中子載波間隔更寬是另一個原因是使用了基于Massive MIMO的波束賦型，從而很難去控制子載波間隔較窄的信號的相位。此外，隨著頻率的增加，相位噪聲的惡化程度也會增加。采用更寬的子載波間距更容易實現相位噪聲估計和校正。

一言以蔽之，就是不同的應用場景需要不同的子載波間隔的OFDM調制信號，如下表所示：

2.    頻率范圍

在R16版本中，定義了兩大FR（frequency range，頻率范圍）。與LTE不同，5G NR頻段號標識以“n”開頭，比如LTE的B20（Band 20），5G NR稱為n20。

FR1：410MHz 到7125MHz，頻段號從1到85，通常叫做Sub-6GHz（盡管頻率上限擴展到了7125MHz）。在FR1中引入了SUL和SDL，即輔助頻段（Supplementary Bands）。原因是，手機的發射功率低于基站發射功率，3.5GHz的覆蓋瓶頸受限于上行，工作于更低頻段的SUL（上行輔助頻段）就可以通過雙連接的方式與下行3.5GHz配和，從而補償3.5GHz上行覆蓋不足的瓶頸。

FR2：從24.250GHz到52.6GHz， 頻段號從257到261，通常指的是毫米波mmWave（盡管嚴格的講毫米波頻段大于30GHz）。

3.    波形和調制

3GPP在5G NR R15之前提出了很多物理層的波形選項（例如UFMC，GFDM，f-OFDM），考慮到與LTE和MIMO的兼容性、頻譜效率、低峰均功率比（PAPR）、以及URLLC場景、實現復雜度等多種因素，在3GPP Release 15已確定5G NR的上行和下行使用CP-OFDM，還引入LTE上行的DFT-s-OFDM波形與CP-OFDM波形互補用于低峰均比的上行信號。CP-OFDM波形可用于單流和多流（即MIMO）傳輸，而DFT-S-OFDM波形只限于針對上行鏈路峰均比較低的情況的單流傳輸。

5G NR波形比LTE波形生成方程簡單得多。在LTE中，波形生成方程（IFFT方程）為了去除位于DC位置被分成兩部分，在基帶的頻率為0。在NR中，不再需要這種直流去除，將完整的IFFT方程合并為一個，如下面的方程所示。

5G NR的下行OFDM調制方式為QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，上行DFT-s-OFDM調制方式為π/ 2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。上行增加了π/ 2-BPSK，主要考慮在mMTC場景，低數據速率下實現功放的更高效率。除了π/ 2-BPSK以外，5G NR與LTE-A使用的調制階數是相同的。3GPP也正在考慮將1024QAM引入（802.11ax已經有了）。

4.    時域符號、循環前綴和幀結構

無論采用哪種參數集，5G無線幀（frame）和子幀（subframe）的長度都是固定的——一個無線幀的長度固定為10ms、1個子幀的長度固定為1ms，每個時隙（slot）里有12或14個符號。以上時域結構都和LTE是相同的，從而更好的保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR共同部署模式下時隙與幀結構同步，簡化小區搜索和頻率測量。時域幀結構如下圖所示。

與LTE不同，5G NR定義了靈活的時隙，長度根據子載波間隔大小變化。一個子幀里時隙的個數會呈2^μ倍數變化（Slot時域長度T_slot = 1/2^μ）。與LTE 按子幀進行調度不同的是，時隙是NR的基本調度單位，更高的子載波間隔導致了更小的時隙長度，因而數據調度粒度就更小，更適合于時延要求高的傳輸。這里將時隙和時隙數匯總如下表。

和LTE類似，NR的OFDM符號由符號加上其循環前綴組成，那么不同的參數集也會引起不同的符號時間長度，計算方法如下所示：

· 數據部分OFDM符號長度T_data = 1/SCS

· CP長度T_cp = 144/2048* T_data

· 符號長度（數據+CP）T_symbol = T_data +T_cp

NR中的時隙能被靈活調度，可以用作以下的功能：

· Downlink，D，用于下行傳輸

· Flexible，X，可用于下行傳輸，上行傳輸以及GP（相當于LTE的特殊子幀，由于下行需要一定時間來轉換成上行，因此留一個特殊時隙）

· Uplink，U，用于上行傳輸

在3GPP協議中，靈活的時隙調度組合定義了很多種。在中國，根據工信部和運營商的技術規范，6GHz以下eMBB場景主流30kHz子載波間隔(μ=1)，NR時隙配置和LTE類似主要采用10ms（20個時隙，每個時隙為0.5ms）靜態配置。目前主流有以下四種時隙結構。

○ 2.5ms單周期：DDDSU結構，每2.5ms里面包含3個全下行時隙，1個全上行時隙和1個特殊時隙。RTT（Round-Trip Time）為4.1ms，下行容量最大。

○ 2.5ms雙周期：DDDSUDDSUU結構，每5ms里面包含5個全下行時隙，3個全上行時隙和2個特殊時隙。2.5ms雙周期相對2.5ms單周期，上行時隙占比變高，也就是上行資源占比高，因此有利于上行業務。RTT為4ms，上行容量大。這是目前中國電信和聯通采用的主流時隙配置。因為目前5G的主要場景是eMBB，對時延要求不高，而且5G的下行速率相比4G提升很多，因為上行資源占比多一點能更加提升用戶感知。

○ 2ms單周期：DDSU結構，每2ms里面包含2個全下行時隙，1個下行為主時隙和1個特殊時隙。RTT為3.875ms，時延在四種結構中最短，適用于低時延場景。

○ 5ms單周期：DDDDDDDSUU結構，每5ms里包含7個全下行時隙，2個全上行時隙和1個特殊時隙。中國移動使用此結構，目的是保持和TD-LTE同步。下行容量大，但RTT為4.95ms，時延相對較大。

5.    資源塊、BWP和SSB

5G NR物理層資源的最小粒度和LTE一致，為一個RE（Resource Element）.這是一個二維概念的資源定義，包括頻域1個子載波，時域1個OFDM符號。NR信道資源頻域基本調度單位RB（Resource Block）和LTE類似，定義為頻域上12個連續子載波，但頻域寬度與子載波間隔有關，為2^μ×180kHz。NR中數據信道的基本調度單位PRB（Physical RB）定義為頻域上N個RB，控制信道的基本調度單位CCE（Control Channel Element）為6PRB或6REG（RE Group，1REG = 1PRB）。

NR R16中上下行的最大RB資源塊數定義如下，也與LTE有所不同。相比4G最高僅90%的信道帶寬利用率，5G NR進一步提高信道帶寬利用率，30kHz 子載波間隔最高可達98.3%。和LTE一樣，各設備商對占用帶寬設計和帶外抑制并沒有統一標準，可采用自主的濾波和加窗技術改善信號的帶外發射。下表分別為FR1和FR2頻段的最大RB數量和頻域利用率。

在LTE中，UE的帶寬跟系統的帶寬保持一致，解碼MIB信息配置帶寬后就保持不變。在NR中，UE的帶寬可以動態的變化。比如第一個時刻，UE的業務量較大，系統給UE配置一個大帶寬（BWP1）；第二時刻，UE的業務量較小，系統給UE配置了一個小帶寬（BWP2），滿足基本的通信需求即可；第三時刻，系統發現BWP1所在帶寬內有大范圍頻率選擇性衰落，或者BWP1所在頻率范圍內資源較為緊缺，于是給UE配置了一個新的帶寬（BWP3）。因此，總結起來，BWP的技術優勢主要有四個方面：

· UE無需支持全部帶寬，只需要滿足最低帶寬要求即可，有利于研發低成本UE；

· 當UE業務量不大時，UE可以切換到低帶寬運行，可以非常明顯的降低功耗；

· 保持5G技術兼容性。當5G增加新技術時，可以直接將新技術在新的BWP上運行，保證了系統的前向兼容；

· 不同BWP，配置不同參數集，承載不同業務。

和LTE不一樣，NR的同步信號和PBCH信道在物理層采用打包一起處理的方式。SS Block（SSB）為同步信號塊，包含PSS/SSS/PBCH信號。SSB由兩部分組成如下：

· Synchronization Signal：包括主同步信號（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號（Secondary Synchronization Signal, SSS），DMRS間隔插入。

· PBCH： 包含PBCH DMRS和PBCH

· 頻域上：PSS和SSS信號各自占用127個子載波。時域上：PSS和SSS信號各自占用一個OFDM符號（每個子載波間隔，每個OFDM符號的時間長度，都由參數集來定）

· PBCH信號橫跨3個OFDM符號和240個子載波(20個RB)，其中第三個PBCH 的OFDM符號中間127個子載波被SSS信號占用。

PSS/SSS/PBCH在時頻資源格上的位置關系如下圖所示：

6.    上行和下行物理信道與物理信號

5G NR物理信道和LTE物理信道有一些不同。以下是NR物理層和LTE 物理層的差異。

· NR沒有CRS(小區特定的參考信號，Cell Specific Reference Signal)，減少了物理資源的開銷，避免了小區間CRS干擾，提升了頻譜效率

· NR相對于LTE，刪減了PCFICH，PHICH信道

· 新增上行和下行PT-RS參考信號，用于高頻場景下相位對齊

· NR PDCCH和PDSCH增加了DMRS，用于終端解調

筆者采用了思維導圖的方式匯總物理信道和信號，如下圖所示，便于記憶。

7.    總結

本文根據5G NR R16的3GPP TS38.211協議，摘要了射頻工程師在研發和測試中會遇到的空中接口物理層主要參數，同時也根據筆者自己的工作經驗和理解加以解讀，不當之處請指正。下期會介紹5G NR射頻測試方法。