第 3 章 5G 無線關鍵技術
3.1 5G 頻率
3.2 5G 實體層
相比于 4G，5G 的實體層資源在時域和頻域上具有多種不同大小的粒度，使得資源配置設定更為靈活、資源使用率更高。
3.2.1 波形和發射機結構
5G NR 采用如圖 3-1 所示的發射機結構。NR 下行采用帶循環字首（CP，Cycle Prefix）的正交頻分複用（OFDM）波形，即 CP-OFDM 波形。NR 下行支援最大 8 層傳輸，其中，1～4 層傳輸對應 1 個碼字、5～8 層傳輸對應 2 個碼字。NR 上行有兩種波形：CP-OFDM 和 DFT-s-OFDM。其中，上行 CP-OFDM 與下行相同，可傳輸多層資料，适用于寬帶業務的上行傳輸；DFT-s-OFDM 僅用于單層傳輸。NR 上行可選擇性地進行傳輸預編碼，但下行傳輸無預編碼過程。
3.2.2 靈活的參數配置
LTE 采用固定的子載波間隔為 15 kHz 的 OFDM 波形，配合兩種不同長度的 CP 以适應不同的部署場景。與 LTE 系統不同，5G NR 采用了變化的子載波間隔，以支援 5G 極寬的頻譜範圍和滿足不同的業務需求。
為了描述波形的變化，3GPP 在 R14 的 TR 38.802 中定義了參數集（Numerology）的概念。參數集包含子載波間隔和 CP 長度兩個參數。子載波間隔以 15 kHz 為基準，按
）比例擴充。CP 長度随子載波間隔不同而不同，并分為正常 CP 和擴充 CP。目前，R15 定義的參數集如表 3-3 所示。
NR 的子載波間隔最小為 15 kHz，與 LTE 系統一緻。15 kHz 子載波間隔的CP 開銷較小，在 LTE 系統的頻段（<6 GHz）上對相位噪聲和多普勒效應有較好的頑健性。以 15 kHz 作為擴充的基準，可使 NR 與 LTE 有較好的相容性。在 NR 的毫米波頻段上，相位噪聲随頻率的增加而增加。此時，擴充子載波間隔有利于對抗相位噪聲。按
）比例擴充的設計，一方面使NR 可支援多種信道帶寬、滿足多樣的應用和部署需求，另一方面有利于不同參數集波形的共存、實作靈活排程。
從覆寫能力的角度看，較小的子載波間隔可實作較大的覆寫範圍；從頻率的角度看，高頻信号相位噪聲大，因而必須适當提高子載波間隔。綜合覆寫和頻率兩方面，愛立信舉例說明了不同子載波的适用範圍，如圖 3-2 所示。
3.2.3 幀結構和資源塊
在 5G NR 中，1 個時間幀（Frame）的長度為 10 ms，包含了 10 個長度為 1 ms的子幀，這與 LTE 的時間幀設計相同。NR 的每個子幀包含的時隙數量與子載波間隔有關。在正常 CP 下，每個時隙固定由 14 個 OFDM 符号組成（在非正常 CP 下為 12 個 OFDM 符号）。當子載波間隔為 15 kHz 時，每個 OFDM 符号長度為 66.67 µs（1/15 kHz），正常 CP 長度為 4.7 µs，則相應的一個時隙的長度為 14×（66.67 µs + 4.7 µs）≈1 ms，是以，15 kHz 子載波間隔的每個子幀包含 1 個時隙。圖 3-3 說明了 15 kHz 子載波間隔下的時間幀結構。
對于子載波間隔為 15 kHz×2µ（µ=1,2,3,4）的波形，OFDM 符号長度（以及 CP 長度）按比例縮小，時隙長度相應地按 1/2µ ms 的規律縮短。表 3-4 列舉了不同子載波間隔下的時隙長度及每子幀包含的時隙數。
LTE 中定義了資源塊（RB，Resource Block）作為資源排程的基本單元，1 個資源塊在頻域上包含 12 個連續的子載波，在時域上持續 1 個時隙長度（0.5 ms）。5G NR 沿用了 LTE 的資源塊概念，每個 NR 資源塊在頻域上包含 12 個連續子載波、時域上持續 1 個時隙長度。由于 NR 定義了多種不同的參數集，因而有幾種不同的資源塊結構。如 15 kHz 子載波間隔下，1 個資源塊頻域上為 180 kHz、時域上持續 1 ms；30 kHz 子載波間隔下，1 個資源塊頻域上為 360 kHz、時域上持續 0.5 ms。不同子載波間隔下的資源塊結構如圖 3-4 所示。
3.2.4 最小時隙和時隙聚合
在頻域上，5G NR 定義了多種子載波間隔以适應多樣的部署和應用場景；在時域上，5G NR 定義了多種時間排程粒度，增強排程的靈活性，以滿足不同業務應用的需求。LTE 的時間排程粒度為 1 個時隙。在此基礎上，5G NR 增加了最小時隙（Mini-Slot）和時隙聚合（Slot Aggregation）兩種時間排程的概念。
最小時隙是指資源配置設定的時間粒度可小于 1 個時隙。R15 中定義的最小時隙在正常 CP 下可為 2、4 或 7 個符号，在擴充 CP 下可為 2、4 或 6 個符号。基于最小時隙的排程有兩個主要的适用場景：非授權頻譜傳輸和低延遲業務（uRLLC）。
- 非授權頻譜傳輸。
使用非授權頻譜是移動通信系統擴充頻譜資源的重要手段之一。非授權頻譜上的業務非常繁忙，搶占信道最好的方法是一旦發現信道空閑馬上開始傳輸。在 LTE 中，資源排程以時隙為機關，即使監聽到信道空閑，也必須等到下一個時隙開始進行傳輸，如圖 3-5（a）所示。在等待下一個時隙開始的間隙，非授權頻譜信道很可能被其他業務占用。5G NR 基于最小時隙的排程，可在任意符号位置發起傳輸，是以，可以在監聽到信道空閑後馬上進行傳輸，迅速占據非授權頻譜上的信道，極大地提高了使用非授權頻譜的成功率，如圖 3-5（b）所示。
- 超可靠低延遲業務（uRLLC）。
uRLLC 業務的主要特點是資料量小、延遲要求高。圖 3-5（c）表示一個 eMBB 和 uRLLC 混合排程的例子。通常 eMBB業務對延遲不敏感，是以，可将 uRLLC 業務嵌入到 eMBB 業務的資源中。由于 uRLLC 業務僅占少量符号資源［如圖 3-5（c）中僅為 4 個 OFDM 符号］，是以，對 eMBB 的影響可忽略。而 uRLLC 無須等到 eMBB 結束後再開始，這極大地降低了傳輸延遲。
與最小時隙相反，5G NR 的時隙聚合是将一次傳輸排程擴充到兩個或更多時隙上，其概念類似于載波聚合。時隙聚合可為資料量較大的業務（如 eMBB場景）配置設定多個連續時隙，如圖 3-6 所示。
時隙聚合可減少控制信令的開銷，提高資源使用率。另外，結合重複傳輸機制，時隙聚合還有利于增強覆寫。
3.2.5 時隙結構
5G NR 采用了一種“自包含”的時隙結構，即每個時隙中包含了解調解碼所需的解調參考信号和必要的控制資訊，使終端可以快速地對接收到的資料進行處理，降低端到端的傳輸延遲。
在 5G NR 中，一個時隙可以是全上行或全下行配置，也可以是上下行混合配置，如圖 3-7 所示。在混合配置的時隙中，上行符号與下行符号存在一段保護間隔。為了進一步增加排程的靈活性，一個時隙内最多允許有兩次上下行切換。時隙内符号的配置可以是靜态、半靜态甚至是動态的。
實際上，5G NR 定義了 3 種符号類型：上行符号、下行符号和靈活符号。其中，上、下行符号通常由網絡側決定，而靈活符号可由終端決定為上行或是下行。文獻[26]中列舉了 3GPP 定義的時隙結構，如表 3-5 所示（表中 D 代表下行符号，U 代表上行符号，F 代表靈活符号）。
3.2.6 帶寬自适應
在 LTE 系統中，使用者終端傳輸帶寬與系統信道帶寬相同，并且固定不變。即使在終端隻有少量傳輸資料時，系統仍然将全部信道帶寬配置設定給終端，造成頻譜資源的浪費。5G NR 引入了帶寬自适應政策，允許終端使用小于信道帶寬的頻譜資源進行傳輸。NR 的信道帶寬最大可達 100 MHz（FR1）和 400 MHz（FR2），對使用者終端的射頻功能要求較高。采用帶寬自适應政策後，終端的射頻端無須支援全部信道帶寬，有利于 NR 接收能力較弱的終端，這對 5G 商用初期、終端發展不成熟的階段有重要意義。
為實作帶寬自适應，NR 定義了（BWP，Band Width Part）的概念。BWP由若幹連續的實體資源塊組成，其帶寬小于系統信道帶寬。針對同一使用者終端的 BWP 可配置不同的參數集（子載波間隔和 CP）。圖 3-8 舉例說明了基于 BWP的帶寬自适應政策。初始時系統以 BWP 1 為使用者終端進行傳輸。BWP 1 帶寬為 40 MHz，小于信道帶寬，子載波間隔為 15 kHz。當使用者的資料量較小時，可将傳輸資源調整為 BWP 2。BWP 2 與 BWP 1 有相同的中心頻率，但帶寬縮小到 10 MHz，子載波間隔仍為 15 kHz。此時空閑的信道帶寬可用于其他終端的傳輸服務。BWP 可位于不同的中心頻率上，選用的參數集也可以是不同的。如圖 3-8 中 BWP 3 的中心頻率高于 BWP 1 和 BWP 2，并采用了 60 kHz 的子載
波間隔。
系統可為使用者配置 4 個不同的下行 BWP 和 4 個上行 BWP，但某一時刻上隻有一種 BWP 被激活。在 FDD 模式下，上、下行的 BWP 分别獨立配置、互不相關；在 TDD 模式下，上、下行 BWP 是成對配置的。從功能上看，BWP主要分為兩類：初始化 BWP（Initial BWP），主要用于 UE 接收必要的系統資訊、發起随機接入等；專用BWP（Dedicated BWP），主要用于資料業務的傳輸。
3.2.7 實體信道與調制編碼
相比于 LTE，5G NR 簡化了實體信道的定義，取消了小區專用參考信号，增加了相位追蹤參考信号。5G NR 實體信道和信号結構有利于提高頻譜使用率和降低端到端延遲。
具體地，5G NR 定義了以下 3 種實體下行信道：
• 實體下行共享信道（PDSCH，Physical Downlink Shared Channel）；
• 實體下行控制信道（PDCCH，Physical Downlink Control Channel）；
• 實體廣播信道（PBCH，Physical Broadcast Channel）。5G NR 的上行實體信道同樣有 3 種，包括：
• 實體上行共享信道（PUSCH，Physical Uplink Shared Channel）
• 實體上行控制信道（PUCCH，Physical Uplink Control Channel）
• 實體随機接入信道（PRACH，Physical Random Access Channel）
5G NR 定義的參考信号均為使用者專用參考信号，降低了參考信号的開銷，同時也降低了終端解調信道的時延。NR 定義的參考信号包括以下幾種。
• 主同步信号（PSS，Primary Synchronization Signal）和輔同步信（SSS，
Secondary Synchronization Signal）：由基站周期性發送，周期長度由網絡配置決定。終端可根據這些信号檢測和保留小區計時器。網絡可在頻域上配置多個PSS 和 SSS。
• 解調參考信号（DMRS，Demodulation RS）：附着于實體信道内，用于對相應實體信道進行相幹解調。
• 相位追蹤參考信号（PTRS，Phase Tracking Reference Signal）：附着于實體信道内，可用于對一般的相位誤差進行糾錯，也可用于對多普勒頻移和時變信道進行追蹤。
• 信道狀态資訊參考信号（CSI-RS，Channel State Information-ReferenceSignal）：用于終端估計信道狀态資訊。終端将對信道狀态資訊的估計回報給gNB，gNB 根據得到的回報進行調制編碼政策選擇、波束賦形、MIMO 秩選擇和資源配置設定。CSI-RS 的傳輸可以是周期性、非周期性和半持續性的，速率由gNB 配置。CSI-RS 也可用于幹擾檢測和精細的時頻資源追蹤。
• 尋呼參考信号（SRS，Sounding Reference Signal）：SRS 是上行參考信号，gNB 可根據接收到的 SRS 估計上行信道狀态資訊，協助上行排程、上行功率控制和下行傳輸（如在上下行互易的場景中可用于下行波束賦形）。SRS 由UE 周期性傳輸，速率由 gNB 配置。
表 3-6 詳細列舉了 5G NR 的實體信道和信号，以及對應的 LTE 等效信道和信号。
R15 中定義了多種 5G NR 調制政策，可用于應對不同的傳輸場景和應用需求。具體的調制政策如表 3-7 所示。
在差錯控制編碼方面，5G NR 摒棄了 4G 的 Turbo 碼，選用了低密度奇偶校驗（LDPC，Low Density Parity Check）碼和 Polar 碼，分别用于資料信道編碼和控制信道編碼。
• LDPC 碼
LDPC 碼是一類具有稀疏校驗矩陣的分組糾錯碼，具有逼近香農限的優異性能，并且具有譯碼複雜度低、可并行譯碼以及譯碼錯誤的可檢測性等特點，進而成為信道編碼理論新的研究熱點。
• Polar 碼
Polar 碼基于信道極化理論，是一種線性分組碼，相比于 LDPC 碼，Polar碼在理論上能夠達到香農極限。并且有着較低複雜度的編譯碼算法。
表 3-8 詳述了 5G NR 針對不同内容選用的信道編碼政策。