實體層系統設計架構及關鍵技術 | 帶你讀《5G 無線系統設計與國際标準》之六

第2章 5G 系統設計架構與标準體系

2.2 無線接口

2.3 實體層系統設計架構及關鍵技術

2.3.1 實體層系統設計架構

如前所述，實體層以傳輸信道形式為 MAC 層提供服務。負責實體層 HARQ 處理、調制編碼、多天線處理、信号到實體時頻資源映射及控制傳輸信道到實體信道映射等一系列功能。

實體層的設計是整個 5G 系統設計中最核心的部分。相對于 4G，ITU 及 3GPP 對 5G提出了更高而且更全面的關鍵性能名額要求。其中最具有挑戰的峰值速率、頻譜效率、使用者體驗速率、時延等關鍵名額均需要通過實體層的設計來達成。為迎接這些挑戰，5G的新空口設計在充分借鑒 LTE 設計的基礎上，也引入了一些全新的設計。5G 的實體層系統設計呈現如下特點。

1. OFDM 加 MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術作為實體層設計的基礎

   OFDM 與 MIMO 技術的結合無論從理論分析上還是在實際系統部署中，已經被充分證明可以有效地利用系統帶寬和無線鍊路空間特性，是提升系統頻譜效率及峰值速率最有效的技術。在實際系統中，受終端大小限制，天線數量相對受限，單使用者容量也會受到限制。但是從整個系統角度看，通過排程多個使用者進行空間複用，依然可以提升整個系統頻譜使用效率。在 OFDM 技術上，5G 下行與 LTE 相同，采用正交頻分多址（OFDMA）技術；在上行既支援單載頻頻分多址（SC-FDMA）技術（與 LTE 相同），又支援 OFDMA技術（與下行相同）。在 MIMO 設計上，5G 設計充分吸收了 LTE 系統設計的經驗，采用了接入、控制與資料一體化的設計（詳見第 5 章）。

2. 采用更加靈活的基礎系統架構設計

   時延是 5G 系統設計非常關鍵的名額。實體層時延的構成分為處理時延和傳輸時延兩部分。在降低處理時延方面，主要需要通過提升接收算法效率和硬體處理能力等方式來實作。對于實體層系統設計，主要考慮是在一定的處理時延基礎上，通過靈活的系統架構設計，既保障系統頻譜使用效率又盡量降低傳輸時延。靈活的系統架構設計主要展現在靈活的幀結構設計和靈活的雙工設計兩個方面。

（1）靈活的幀結構設計

靈活的幀結構設計是靈活的基礎系統架構設計的核心。根據各國頻譜配置設定及使用情況，頻譜分為對稱頻譜與非對稱頻譜兩種，相應的 4G 幀結構設計分為 FDD（頻分雙工）與 TDD（時分雙工）兩種模式。5G 系統将支援更大的系統帶寬，尤其是随着高頻的使

用，帶寬的使用在百兆量級。在這樣的帶寬量級下，對稱頻譜配置設定将越來越困難，非對稱頻譜的配置設定将成為 5G 的主流。是以，5G 系統設計的一個核心也在 TDD 的幀結構設計。對于 TDD 幀結構設計主要考慮配置周期和配置靈活性。

首先看配置周期。幀結構配置都是以周期形式出現，不同周期内符号配置呈現重複性。對于 TDD 系統，一個配置周期内包含上行和下行符号，配合 HARQ 技術，實作資料的發送及回報。長的配置周期往往意味着更長的回報時間。LTE 系統中，支援 7 種 TDD

幀結構配置，配置周期為 5ms 或 10ms。這樣整個 LTE 系統的整體時延也在 10ms 量級。對于新空口設計，空口時延量級在 1ms，那麼在幀結構配置周期上，也需要支援更多、更短的周期配置。在 NR 中，支援了 1ms 以内的周期配置。NR 中具體幀結構配置方式可參考 3.1 節。

配置靈活性對于比對不同業務類型非常關鍵。5G 面向物聯網與網際網路等多個場景，服務業務類型相比 4G 也更加多樣化。不同的業務從上下行比例及業務變化的周期上呈現不同特點。是以新空口對幀結構配置周期的改變速度及每個周期内上下行符号的比例變化有更高要求，以比對不同的業務類型，給使用者提供更好的體驗。同時，為了支援更短的回報周期，幀結構配置中也需要考慮能夠在一個配置周期内完成資料發送及回報的配置，即自包含的幀結構配置。NR 中不僅可以支援半靜态幀結構配置，還支援了完全動态的幀結構配置。

在靈活的幀結構架構下，為了進一步支援更低延遲時間的發送，還需要考慮采用更短傳輸時延的資料發送。在 LTE 中，資料的排程及發送以 1ms 為基礎，這顯然不能滿足 5G在毫秒量級的資料傳輸時延要求。是以，新空口設計需要支援更短的資料發送長度，對應的設計就是要支援基于超短幀或迷你時隙（Mini-slot）的排程與回報。

（2）靈活的雙工設計

在 4G 中，兩種雙工（FDD 和 TDD）方式的使用各遵循一定的規則。TDD 系統配置通過保護間隔設定等方式避免不同小區上下行間的幹擾。FDD 系統在對稱頻譜上進行上下行的綁定使用。NR 的設計中，為提高頻譜使用效率，逐漸支援一些更靈活的設計。

首先，支援對稱的上下行波形設計，即上下行都支援相同的 OFDM 波形設計。在LTE 中，在下行采用 OFDMA 技術，在上行采用 SC-FDMA 技術。NR 中上行既支援SC-FDMA 技術，也支援 OFDMA 技術，基站可以根據網絡實際情況進行靈活配置。當

上下行都采用 OFDMA 技術時，上下行波形對稱，接收機可以把上行和下行信号進行聯合處理，采用更好的幹擾删除技術，提升系統性能。同時，OFDMA 技術與 MIMO 也可以更好地結合，相對 LTE 系統有效提升了上行頻譜效率。

NR 還引入了上下行解耦技術。上下行解耦的核心是打破了 4G 系統中一個下行載波隻配置一個上行載波的設計（FDD 系統上下行載波位于對稱頻譜上，TDD 上下行載波相同），一個下行載波除了配置一個對應的上行載波外，還可配置多個上行載波。額外配置

的上行載波也被稱為增補上行載波（SULSupplementary Uplink）。對于部署在較高頻率的 NR 載波，可以配置一些低頻的頻譜，如現有較低頻段 FDD 載波的上行頻譜，作為 SUL載波。這樣既可以提高 NR 覆寫範圍，又可以提升整個系統使用效率（詳見第 7 章）。

1. 一體化的大規模天線設計

大規模天線設計是 5G NR 設計的重要基石。NR 的設計需要支援高達 100GHz 的頻譜範圍，随着頻率的升高，天線系統使用的天線個數也相應增加，但是單天線的覆寫距離受路損的影響快速降低。波束賦形技術，尤其是混合波束賦形技術可以有效提升大規

模天線的覆寫距離和傳輸速率，成為 NR 大規模天線設計的核心。在實際的系統設計中，波束賦形技術不僅應用于資料傳輸，還需要應用于使用者初始接入和控制資料發送，即廣播信道、控制信道和資料信道的一體化設計（詳見第 5 章）。

4.采用多項新技術

5G 新空口相對 LTE 系統引入了多項基礎性的新技術。新技術中最具有代表性的在信道編碼領域，新空口采用了資料信道 LDPC 碼、控制信道 Polar 碼的組合，替代了 LTE資料信道 Turbo 碼、控制信道 TBCC 碼的組合。LDPC 碼相對 Turbo 碼具有更低的編碼複雜度和更低的譯碼時延，可以更好地支援大資料的傳輸。而 Polar 碼在小資料包的性能優勢将有效提升新空口的覆寫性能。

綜合來看，新空口與 LTE 雖然都基于 OFDM 系統進行設計，但是新空口具有更靈活的基礎系統架構設計，支援一體化的大規模天線設計，并引入多項新技術，在系統部署靈活性、多業務支援、頻譜效率、峰值速率和時延等方面相對 4G 系統具有明顯的優勢。

2.3.2 實體層關鍵技術

NR 支援的主要實體層關鍵技術列于表 2.2 中。後面各小結對其中一些技術進行展開介紹。

1.參數集和幀結構

NR 的參數集由子載波間隔和循環字首（CP，Cyclic Prefix）開銷定義。NR 支援多種參數集，多個子載波間隔由一個基本的子載波間隔乘以一個整數 N 來得出，支援從15kHz 到 240kHz 的子載波間隔（具體标準化過程及配置見 3.1.1 節）。相對于 LTE 隻支援 15kHz 的載波間隔，NR 有了更多的選擇。NR 子載波間隔和符号長度也有對應關系。以 15kHz 載波間隔為例，此時 NR 和 LTE 采用完全相同的符号長度。當 NR 子載波間隔配置為 30kHz 時，符号長度相比 15kHz 減小一半。采用更大的子載波間隔配置，機關帶寬内包含的載波數減少，但是在時間上看，将得到傳輸時間縮短的補償。是以更高子載

波間隔配置對于對時延要求很高的資料傳輸具有比較明顯的優勢。

相對于 LTE，NR 一個重要的任務是要支援更高頻率的使用。NR 将支援高達 100GHz頻段的資料傳輸。在 6GHz 以下頻段，NR 稱為 FR1 頻段，要支援單載波帶寬 100MHz的資料發送。而在 6GHz 以上頻段，NR 稱為 FR2 頻段，要支援單載波帶寬 400MHz 的資料發送。考慮到不同的子載波間隔，對應的一個載波上可以排程的最大子載波個數為3300 或者 6600。NR 沿用了 LTE 資源塊（RB，Resource Block）的用法，每個實體資源塊（PRB）包含 12 個子載波。

NR 的幀結構設計以時隙（slot）為基礎進行，每個 slot 包含 14 個符号。由于 NR 支援多種載波間隔，相比 LTE 中以 1ms 子幀為基礎的幀結構，靈活度有所增加。同時，為了支援低延遲時間高可靠業務，NR 支援了基于 Mini-slot 的資料發送。Mini-slot 的長度可以從 1 個符号到 13 個符号。NR 還支援了半靜态和動态兩種幀結構配置方式，在半靜态幀結構配置中也采用了單周期和雙周期配置等更加靈活的訓示方式（詳見 3.1.2 節）。總體上看，NR 的幀結構設計在靈活度上相對 LTE 有了非常大的擴充，可以非常好地比對各種類型的業務傳輸及組網需求。

1. 基本波形

作為多載波技術的典型代表，OFDM 技術在 4G 中得到了廣泛應用，在 5G NR 設計中，OFDM 仍然是基本波形。NR 的設計中上下行都将支援 CP-OFDM，意味着上下行采用相同的波形，當發生上下行間的互相幹擾時，為采用更先進的接收機進行幹擾删除提

供了可能。同時，對于上行發送，仍然保留了對 DFT-S-OFDM 的支援。主要原因還是在于 DFT-S-OFDM 可以利用單載波特性相對 CP-OFDM 有更低的峰均比（PAPR）。

OFDM 技術除峰均比外，也存在另外一些缺點，如較高的帶外洩漏、對時頻同步偏差比較敏感等。在 3GPP 基本波形讨論過程中，很多公司也提供了基于 OFDM 的改進技術，如 F-OFDM（Filter-OFDM）、FBMC（Filter Bank Multi-Carrier）、UFMC（UniversalFiltered Multi-Carrier）、GFDM（Generalized Frequency Division Multiplexing）等。這些技術的共同特征是通過使用濾波或者加窗機制來減小子帶或子載波的頻譜洩漏，進而放松對時頻同步的要求。經過 3GPP 讨論，由于從 RAN1 角度看加濾波器和加窗等操作，其對協定是透明的，是否采用相關技術取決于裝置實作，因而不進行标準化。

1. 多址接入

NR 的多使用者接入，尤其是針對傳統的移動寬帶增強業務（eMBB）主要基于正交多

址技術。在 5G NR 設計初始階段，也有多個公司提出了基于非正交多址的接入方式。比

較有代表性的有 SCMA[2]，MUSA[3]，PDMA[4]等。

在 R14 階段，3GPP 對非正交多址技術進行了不同場景下的仿真研究。研究結果顯

示非正交多址技術在系統上行吞吐量、接入使用者數方面有比較明顯的增益。R14 研究項

目中也給出明确結論，在 mMTC 場景下非正交多址技術應該被采用。3GPP R15 的第一

版 5G 标準中主要聚焦在對 eMBB 和 URLLC 場景的支援，并未對 mMTC 場景做特别的

設計，非正交多址技術沒有被納入 5G 第一版國際标準。但是 3GPP 在 R15 仍然延續了對非正交多址技術的研究工作，繼續就非正交多址技術進行不同場景下的進一步評估[5]。根據研究的結果，在後續的 5G 國際标準中，非正交多址技術仍然有可能被納入。

1. 調制編碼

信道編碼是 5G 設計最基礎的部分，3GPP 對各個候選編碼技術經過了非常全面而且細緻的比對和分析，比較的次元包括性能、靈活性、對 HARQ 的支援、編譯碼複雜度、譯碼時延等方面。其中資料信道的候選方案包括 LDPC、Turbo 碼和 Polar 碼，控制信道的候選方案包括 Polar 碼和 TBCC 碼。

資料信道最終采用的方案是 LDPC 碼（詳細設計見 4.2 節）。LDPC 碼是麻省理工學院 Robert Gallager 于 1963 年在博士論文中提出的。經過 50 餘年的發展，LDPC 碼有着非常完備的理論體系，并在多個領域有着廣泛的應用。LDPC 碼相對 Turbo 碼和 Polar碼在大資料包的處理上具有比較明顯的優勢。尤其在高碼率區域，由于 LDPC 譯碼算法的特點，其性能和譯碼時延優勢更加突出。這些特性使得 LDPC 碼非常适合 5G 大資料量低延遲時間的資料傳輸。

控制信道（包括廣播信道）最終采用的方案 Polar 碼（詳細設計見 4.1 節）。Polar碼相對于 LDPC、Turbo 及 TBCC 碼是編碼界的“新星”，于 2008 年由土耳其畢爾肯大學 Erdal Arikan 教授首次提出。經過多輪比較和分析，Polar 碼憑借在小包傳輸上的卓越性能被采用為控制信道編碼方案。Polar 碼被 5G 标準采用，充分展現了 NR 設計對新技術的開放性。

NR 基本沿用了 LTE 支援的調制方案，支援 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM 等方案。各種調制方案的實作公式可直接參考 R15 38.211 中的 5.1 節。

1. BWP

BWP 定義為一個載波内連續的多個資源塊（RB，Resource Block）的組合。引入 BWP的概念主要是為了 UE 可以更好地使用大的載波帶寬。對于一個大的載波帶寬，比如100MHz，一個 UE 需要使用的帶寬往往非常有限。如果讓 UE 實時進行全帶寬的檢測和維護，終端的能耗将帶來極大挑戰。BWP 概念的引入就是在整個大的載波内劃出部分帶寬給 UE 進行接入和資料傳輸。UE 隻需在系統配置的這部分帶寬内進行相應的操作，進而達到節能的效果。BWP 的詳細功能實作在 8.2.1 節第 6 部分進行了介紹。

1. 前向相容性

前向相容性是 NR 提出的一個新的概念，主要是為了 NR 設計既能夠保證對未來新業務和新特性的引入，也能保證對相同頻譜上的已開展業務的有效支援。3GPP 提出這一新概念的主要考慮在于在 NR 網絡部署初期，開展業務以 eMBB 為主，而且 R15 的設計首先考慮的也是對 eMBB 場景的支援。随着 NR 網絡的規模部署，網絡中将出現更多的新業務類型，後續的标準版本也将對新的業務進行優化。那麼在 NR 設計初期，就要考慮給後續網絡演進留出空間。在 NR 的設計中，為了保證前向相容性，主要的做法是在給 UE 的 RRC 信令中預留一部分資源。這些預留的資源在 R15 版本中沒有被賦予具體涵義，但是在未來的版本中可能被使用。

2.4 NR 标準體系架構介紹