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5G NR原理与关键技术(帧结构、频谱划分、时频资源、物理信道与信号)

更新时间:2021-07-16 15:41 作者:范飓飞点击:

1、理论知识

(1)基站、核心网

5G核心网:5GC,5G基站:gNB

4G核心网:EPC,4G基站:eNB

如果把5G的基站接入到4G的核心网中,则构成核心网:EPC,基站:en-gNB

如果把4G的基站接入到5G的核心网中,则构成核心网:5GC,基站:ng-eNB

上行速率:是指移动终端给基站发送信息时的数据传输速率,比如手机、笔记本等无线终端给基站传输数据速率;

下行速率:是指基站向移动终端发送信息时的传输速率,比如手机或笔记本等无线终端从基站或者网络下载数据的速率。

(2)5G三大场景:eMBB、uRLLC、mMTC

  1. 超可靠低延迟通信(缩写URLLC),是3GPP定义的一种5G特性标准。该特性将被用于对时延和可靠性具有极高指标要求的工业、物联网应用场景。例如自动驾驶、智能电网、VR、工厂自动化等领域。5G技术中的 URLLC 特性还未实现商用。
  2. eMBB,增强移动宽带,是指在现有移动宽带业务场景的基础上,对于用户体验等性能的进一步提升。在3GPP RAN187次会议的5G短码方案讨论中,中国华为公司主推的Polar Code(极化码)方案,成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。
  3. mMTC,海量机器类通信(大规模物联网),主要用于人和物之间的信息交互。

(3)速率

C=Bst log_{2}(1+rac{S}{N})

  • C:信道容量
  • B:带宽
  • rac{S}{N}:信噪比
  • C是数据速率的极限值,单位bit/s;B为信道带宽,单位Hz;S是信号功率(瓦),N是噪声功率(瓦)。
  • 当讨论信噪比时,常以分贝(dB)为单位。公式如下:SNR(信噪比,单位为dB)=10 lg(S/N)。

(4)时延

  1. 网站/应用的所在机房的网络质量;

  2. 本地宽带的网络质量;

  3. 从本地访问至网站所经过的节点数量;

2、5G关键技术

(1)5G信道编码LDPC码和Polar码

  • LDPC码:应用于大数据方面,相比于turbo码更优。一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。几乎适用于所有的信道。
  • Polar码:控制消息与广播信道。
  • 新型编码技术:LDPC编码和polar码,纠错性能高;

(2)5G调制

 

  • 上行调制 :π/2-BPSK, QPSK(正交相移键控),16QAM, 64QAM,256QAM(正交振幅调制)

载波的相位变化,幅度不变化:π/2-BPSK, QPSK。这就是前面说的PSK(Phase-Shift keying相移键控)。

载波的相位和幅度都变化:16QAM, 64QAM,256QAM。这一类专业名词叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制),调制方式通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(l6QAM)、八进制QAM(64QAM)对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图,分别有4、16、64个矢量端点。

  • 下行调制:QPSK(正交相移键控),16QAM, 64QAM,256QAM(正交振幅调制),1024QAM。

高阶调制技术:1024QAM调制,提升频谱效率。

新型调制技术:滤波器组正交频分复用,支持灵活的参数配置,根据需要配置不同的载波间隔,适应不同传输场景;

(3)5G-Massive MIMO:多输入多输出

大规模MIMO技术:基站使用几十上百根天线,波束窄,指向性传输,高增益,抗干扰,提高频谱效率;

多进多出(MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。

(4)5G-天线输出

(5)5G-新波形

(6)5G-多址方式

非正交多址技术:NOMA、MUSA、PDMA、SCMA等非正交多址技术,进一步提升系统容量。支持上行非调度传输,减少空口时延,适应低时延要求;

在无线接入网覆盖范围内,建立多个用户无线信道连接时所使用的方法,就是多址技术。

目前的多址接入技术主要包括:PNMA(功率域非正交多址接入)、华为的SCMA(稀疏码本多址接入技术)、高通的RSMA(资源扩展多址接入)、中兴的MUSA(多用户共享接入技术)等。

  • 基于多位调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址(SCMA)技术;(华为)
  • 基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入(MUSA)技术;(中兴)
  • 基于非正交特征图样的图样分隔多址(PDMA)技术;(大唐)
  • 基于功率叠加的非正交多址(NOMA)技术;(日本NTT)

(7)5G-天线端口

(8)5G-灵活双工技术

通过多重干扰消除实现信息同时同频双向传输的物理层技术,有望成倍提升无线网络容量;

(9)网络技术

  • 网络切片技术:基于NFV和SDN技术,网络资源虚拟化,对不同用户不同业务打包提供资源,优化端到端服务体验,具备更好的安全隔离特性。
  • 边缘计算技术:在网络边缘提供电信级的运算和存储资源,业务处理本地化,降低回传链路符合,减小业务传输时延。
  • 面向服务的网络体系架构:5G的核心网采用面向服务的架构构建,资源粒度更小,更适合虚拟化。同时,基于服务的接口定义,更加开放,易于融合更多的业务。

3、5G帧结构

  • 层结构:无线帧(1024)10ms — 子帧(1ms)— 时隙(n u,n值不确定)— OFDM符号(14个)

4、5G频谱划分

(1)5G支持的频段

5G NR中,3GPP主要指定了两个频率范围,一个6GHz以下,另一个是毫米波,分别称为FR1和FR2。

FR1 450MHz—600MHz
FR2 24250MHz—52600MHz

(2)5G支持带宽

Sub6G 毫米波
5M 50M
10M 100M
15M 150M
20M 200M
40M 400M
50M  
60M  
80M  
100M  

(3)运营商5G频率分配情况

3.5G频段:

4.9G频段:

2.6G频段:

覆盖能力优于3.5G。

5、5G NR时频资源

(1)5G 基本时频资源

物理资源:无线帧、子帧、时隙-slot、基本时间单位T_{c}、RE,RB,REG,CCE、OFDM符号。

CP:循环前缀,用于多径干扰。

RE:资源单元,对于每个天线端口p,一个OFDM符号上的一个子载波对应资源单元。

RB:资源块,一个时隙中,频域上连续的12个RE为一个资源块。

RG:物理资源组。

6、5G系统物理信道与信号

简称 下行物理信道与信号名称 功能简介
SS 同步信号 用于时频同步和小区搜索
PBCH 广播信道 用于承载系统广播消息
PDCCH 下行控制信道 用于上下行调度,功控等控制信令的传输
PDSCH 下行共享数据信道 用于承载下行用户数据
DMRS 解调参考信号 用于下行数据解调、时频同步等
PT-RS 相噪跟踪参考信号 用于下行相位噪声跟踪和补偿
CSI-RS 信道状态信息参考信号 用于下行信道测量,波束管理,RRM/RLM测量和精细化时频跟踪等

PBCH:物理广播信道,调制方式:QPSK

PDCCH:物理下行控制信道,调制方式:QPSK

PDSCH:物理下行共享数据信道,调制方式:QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM

名称 上行物理信道与信号名称 功能简介
PRACH 随机接入信道 用于用户随机接入请求消息
PUCCH 上行公共控制信道 用于HARQ反馈,CQI反馈,调度请求指示等L1/L2控制信令
PUSCH 上行共享数据信道 用于承载上行用户数据
DMRS 解调参考信号 用于上行数据解调,时频同步等
PT-RS 相噪跟踪参考信号 用于上行相位噪声跟踪和补偿
SRS 测量参考信号 用于上行信道测量,时频同步,波束管理

PRACH:随机接入信道,调制方式:QPSK

PUCCH:上行公共控制信道,调制方式:QPSK

PUSCH:上行共享数据信道,调制方式:QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM

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