物理层系统设计架构及关键技术 | 带你读《5G 无线系统设计与国际标准》之六-阿里云开发者社区

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物理层系统设计架构及关键技术 | 带你读《5G 无线系统设计与国际标准》之六

简介: 物理层的设计是整个 5G 系统设计中最核心的部分。相对于 4G,ITU 及 3GPP 对 5G提出了更高而且更全面的关键性能指标要求。其中最具有挑战的峰值速率、频谱效率、用户体验速率、时延等关键指标均需要通过物理层的设计来达成。为迎接这些挑战,5G的新空口设计在充分借鉴 LTE 设计的基础上,也引入了一些全新的设计。

第2章 5G 系统设计架构与标准体系

2.2 无线接口

2.3 物理层系统设计架构及关键技术

2.3.1 物理层系统设计架构

如前所述,物理层以传输信道形式为 MAC 层提供服务。负责物理层 HARQ 处理、调制编码、多天线处理、信号到物理时频资源映射及控制传输信道到物理信道映射等一系列功能。
物理层的设计是整个 5G 系统设计中最核心的部分。相对于 4G,ITU 及 3GPP 对 5G提出了更高而且更全面的关键性能指标要求。其中最具有挑战的峰值速率、频谱效率、用户体验速率、时延等关键指标均需要通过物理层的设计来达成。为迎接这些挑战,5G的新空口设计在充分借鉴 LTE 设计的基础上,也引入了一些全新的设计。5G 的物理层系统设计呈现如下特点。

  1. OFDM 加 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术作为物理层设计的基础
    OFDM 与 MIMO 技术的结合无论从理论分析上还是在实际系统部署中,已经被充分证明可以有效地利用系统带宽和无线链路空间特性,是提升系统频谱效率及峰值速率最有效的技术。在实际系统中,受终端大小限制,天线数量相对受限,单用户容量也会受到限制。但是从整个系统角度看,通过调度多个用户进行空间复用,依然可以提升整个系统频谱使用效率。在 OFDM 技术上,5G 下行与 LTE 相同,采用正交频分多址(OFDMA)技术;在上行既支持单载频频分多址(SC-FDMA)技术(与 LTE 相同),又支持 OFDMA技术(与下行相同)。在 MIMO 设计上,5G 设计充分吸收了 LTE 系统设计的经验,采用了接入、控制与数据一体化的设计(详见第 5 章)。
  2. 采用更加灵活的基础系统架构设计
    时延是 5G 系统设计非常关键的指标。物理层时延的构成分为处理时延和传输时延两部分。在降低处理时延方面,主要需要通过提升接收算法效率和硬件处理能力等方式来实现。对于物理层系统设计,主要考虑是在一定的处理时延基础上,通过灵活的系统架构设计,既保障系统频谱使用效率又尽量降低传输时延。灵活的系统架构设计主要体现在灵活的帧结构设计和灵活的双工设计两个方面。

(1)灵活的帧结构设计
灵活的帧结构设计是灵活的基础系统架构设计的核心。根据各国频谱分配及使用情况,频谱分为对称频谱与非对称频谱两种,相应的 4G 帧结构设计分为 FDD(频分双工)与 TDD(时分双工)两种模式。5G 系统将支持更大的系统带宽,尤其是随着高频的使
用,带宽的使用在百兆量级。在这样的带宽量级下,对称频谱分配将越来越困难,非对称频谱的分配将成为 5G 的主流。因此,5G 系统设计的一个核心也在 TDD 的帧结构设计。对于 TDD 帧结构设计主要考虑配置周期和配置灵活性。
首先看配置周期。帧结构配置都是以周期形式出现,不同周期内符号配置呈现重复性。对于 TDD 系统,一个配置周期内包含上行和下行符号,配合 HARQ 技术,实现数据的发送及反馈。长的配置周期往往意味着更长的反馈时间。LTE 系统中,支持 7 种 TDD
帧结构配置,配置周期为 5ms 或 10ms。这样整个 LTE 系统的整体时延也在 10ms 量级。对于新空口设计,空口时延量级在 1ms,那么在帧结构配置周期上,也需要支持更多、更短的周期配置。在 NR 中,支持了 1ms 以内的周期配置。NR 中具体帧结构配置方式可参考 3.1 节。
配置灵活性对于匹配不同业务类型非常关键。5G 面向物联网与互联网等多个场景,服务业务类型相比 4G 也更加多样化。不同的业务从上下行比例及业务变化的周期上呈现不同特点。因此新空口对帧结构配置周期的改变速度及每个周期内上下行符号的比例变化有更高要求,以匹配不同的业务类型,给用户提供更好的体验。同时,为了支持更短的反馈周期,帧结构配置中也需要考虑能够在一个配置周期内完成数据发送及反馈的配置,即自包含的帧结构配置。NR 中不仅可以支持半静态帧结构配置,还支持了完全动态的帧结构配置。
在灵活的帧结构框架下,为了进一步支持更低时延的发送,还需要考虑采用更短传输时延的数据发送。在 LTE 中,数据的调度及发送以 1ms 为基础,这显然不能满足 5G在毫秒量级的数据传输时延要求。因此,新空口设计需要支持更短的数据发送长度,对应的设计就是要支持基于超短帧或迷你时隙(Mini-slot)的调度与反馈。
(2)灵活的双工设计
在 4G 中,两种双工(FDD 和 TDD)方式的使用各遵循一定的规则。TDD 系统配置通过保护间隔设置等方式避免不同小区上下行间的干扰。FDD 系统在对称频谱上进行上下行的绑定使用。NR 的设计中,为提高频谱使用效率,逐步支持一些更灵活的设计。
首先,支持对称的上下行波形设计,即上下行都支持相同的 OFDM 波形设计。在LTE 中,在下行采用 OFDMA 技术,在上行采用 SC-FDMA 技术。NR 中上行既支持SC-FDMA 技术,也支持 OFDMA 技术,基站可以根据网络实际情况进行灵活配置。当
上下行都采用 OFDMA 技术时,上下行波形对称,接收机可以把上行和下行信号进行联合处理,采用更好的干扰删除技术,提升系统性能。同时,OFDMA 技术与 MIMO 也可以更好地结合,相对 LTE 系统有效提升了上行频谱效率。
NR 还引入了上下行解耦技术。上下行解耦的核心是打破了 4G 系统中一个下行载波只配置一个上行载波的设计(FDD 系统上下行载波位于对称频谱上,TDD 上下行载波相同),一个下行载波除了配置一个对应的上行载波外,还可配置多个上行载波。额外配置
的上行载波也被称为增补上行载波(SULSupplementary Uplink)。对于部署在较高频率的 NR 载波,可以配置一些低频的频谱,如现有较低频段 FDD 载波的上行频谱,作为 SUL载波。这样既可以提高 NR 覆盖范围,又可以提升整个系统使用效率(详见第 7 章)。

  1. 一体化的大规模天线设计

大规模天线设计是 5G NR 设计的重要基石。NR 的设计需要支持高达 100GHz 的频谱范围,随着频率的升高,天线系统使用的天线个数也相应增加,但是单天线的覆盖距离受路损的影响快速降低。波束赋形技术,尤其是混合波束赋形技术可以有效提升大规
模天线的覆盖距离和传输速率,成为 NR 大规模天线设计的核心。在实际的系统设计中,波束赋形技术不仅应用于数据传输,还需要应用于用户初始接入和控制数据发送,即广播信道、控制信道和数据信道的一体化设计(详见第 5 章)。
4.采用多项新技术
5G 新空口相对 LTE 系统引入了多项基础性的新技术。新技术中最具有代表性的在信道编码领域,新空口采用了数据信道 LDPC 码、控制信道 Polar 码的组合,替代了 LTE数据信道 Turbo 码、控制信道 TBCC 码的组合。LDPC 码相对 Turbo 码具有更低的编码复杂度和更低的译码时延,可以更好地支持大数据的传输。而 Polar 码在小数据包的性能优势将有效提升新空口的覆盖性能。
综合来看,新空口与 LTE 虽然都基于 OFDM 系统进行设计,但是新空口具有更灵活的基础系统架构设计,支持一体化的大规模天线设计,并引入多项新技术,在系统部署灵活性、多业务支持、频谱效率、峰值速率和时延等方面相对 4G 系统具有明显的优势。

2.3.2 物理层关键技术

NR 支持的主要物理层关键技术列于表 2.2 中。后面各小结对其中一些技术进行展开介绍。
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1.参数集和帧结构
NR 的参数集由子载波间隔和循环前缀(CP,Cyclic Prefix)开销定义。NR 支持多种参数集,多个子载波间隔由一个基本的子载波间隔乘以一个整数 N 来得出,支持从15kHz 到 240kHz 的子载波间隔(具体标准化过程及配置见 3.1.1 节)。相对于 LTE 只支持 15kHz 的载波间隔,NR 有了更多的选择。NR 子载波间隔和符号长度也有对应关系。以 15kHz 载波间隔为例,此时 NR 和 LTE 采用完全相同的符号长度。当 NR 子载波间隔配置为 30kHz 时,符号长度相比 15kHz 减小一半。采用更大的子载波间隔配置,单位带宽内包含的载波数减少,但是在时间上看,将得到传输时间缩短的补偿。因此更高子载
波间隔配置对于对时延要求很高的数据传输具有比较明显的优势。
相对于 LTE,NR 一个重要的任务是要支持更高频率的使用。NR 将支持高达 100GHz频段的数据传输。在 6GHz 以下频段,NR 称为 FR1 频段,要支持单载波带宽 100MHz的数据发送。而在 6GHz 以上频段,NR 称为 FR2 频段,要支持单载波带宽 400MHz 的数据发送。考虑到不同的子载波间隔,对应的一个载波上可以调度的最大子载波个数为3300 或者 6600。NR 沿用了 LTE 资源块(RB,Resource Block)的用法,每个物理资源块(PRB)包含 12 个子载波。
NR 的帧结构设计以时隙(slot)为基础进行,每个 slot 包含 14 个符号。由于 NR 支持多种载波间隔,相比 LTE 中以 1ms 子帧为基础的帧结构,灵活度有所增加。同时,为了支持低时延高可靠业务,NR 支持了基于 Mini-slot 的数据发送。Mini-slot 的长度可以从 1 个符号到 13 个符号。NR 还支持了半静态和动态两种帧结构配置方式,在半静态帧结构配置中也采用了单周期和双周期配置等更加灵活的指示方式(详见 3.1.2 节)。总体上看,NR 的帧结构设计在灵活度上相对 LTE 有了非常大的扩展,可以非常好地匹配各种类型的业务传输及组网需求。

  1. 基本波形

作为多载波技术的典型代表,OFDM 技术在 4G 中得到了广泛应用,在 5G NR 设计中,OFDM 仍然是基本波形。NR 的设计中上下行都将支持 CP-OFDM,意味着上下行采用相同的波形,当发生上下行间的相互干扰时,为采用更先进的接收机进行干扰删除提
供了可能。同时,对于上行发送,仍然保留了对 DFT-S-OFDM 的支持。主要原因还是在于 DFT-S-OFDM 可以利用单载波特性相对 CP-OFDM 有更低的峰均比(PAPR)。
OFDM 技术除峰均比外,也存在另外一些缺点,如较高的带外泄漏、对时频同步偏差比较敏感等。在 3GPP 基本波形讨论过程中,很多公司也提供了基于 OFDM 的改进技术,如 F-OFDM(Filter-OFDM)、FBMC(Filter Bank Multi-Carrier)、UFMC(UniversalFiltered Multi-Carrier)、GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)等。这些技术的共同特征是通过使用滤波或者加窗机制来减小子带或子载波的频谱泄漏,从而放松对时频同步的要求。经过 3GPP 讨论,由于从 RAN1 角度看加滤波器和加窗等操作,其对协议是透明的,是否采用相关技术取决于设备实现,因而不进行标准化。

  1. 多址接入

NR 的多用户接入,尤其是针对传统的移动宽带增强业务(eMBB)主要基于正交多
址技术。在 5G NR 设计初始阶段,也有多个公司提出了基于非正交多址的接入方式。比
较有代表性的有 SCMA[2],MUSA[3],PDMA[4]等。
在 R14 阶段,3GPP 对非正交多址技术进行了不同场景下的仿真研究。研究结果显
示非正交多址技术在系统上行吞吐量、接入用户数方面有比较明显的增益。R14 研究项
目中也给出明确结论,在 mMTC 场景下非正交多址技术应该被采用。3GPP R15 的第一
版 5G 标准中主要聚焦在对 eMBB 和 URLLC 场景的支持,并未对 mMTC 场景做特别的
设计,非正交多址技术没有被纳入 5G 第一版国际标准。但是 3GPP 在 R15 仍然延续了对非正交多址技术的研究工作,继续就非正交多址技术进行不同场景下的进一步评估[5]。根据研究的结果,在后续的 5G 国际标准中,非正交多址技术仍然有可能被纳入。

  1. 调制编码

信道编码是 5G 设计最基础的部分,3GPP 对各个候选编码技术经过了非常全面而且细致的比对和分析,比较的维度包括性能、灵活性、对 HARQ 的支持、编译码复杂度、译码时延等方面。其中数据信道的候选方案包括 LDPC、Turbo 码和 Polar 码,控制信道的候选方案包括 Polar 码和 TBCC 码。
数据信道最终采用的方案是 LDPC 码(详细设计见 4.2 节)。LDPC 码是麻省理工学院 Robert Gallager 于 1963 年在博士论文中提出的。经过 50 余年的发展,LDPC 码有着非常完备的理论体系,并在多个领域有着广泛的应用。LDPC 码相对 Turbo 码和 Polar码在大数据包的处理上具有比较明显的优势。尤其在高码率区域,由于 LDPC 译码算法的特点,其性能和译码时延优势更加突出。这些特性使得 LDPC 码非常适合 5G 大数据量低时延的数据传输。
控制信道(包括广播信道)最终采用的方案 Polar 码(详细设计见 4.1 节)。Polar码相对于 LDPC、Turbo 及 TBCC 码是编码界的“新星”,于 2008 年由土耳其毕尔肯大学 Erdal Arikan 教授首次提出。经过多轮比较和分析,Polar 码凭借在小包传输上的卓越性能被采用为控制信道编码方案。Polar 码被 5G 标准采用,充分展现了 NR 设计对新技术的开放性。
NR 基本沿用了 LTE 支持的调制方案,支持 BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM 等方案。各种调制方案的实现公式可直接参考 R15 38.211 中的 5.1 节。

  1. BWP

BWP 定义为一个载波内连续的多个资源块(RB,Resource Block)的组合。引入 BWP的概念主要是为了 UE 可以更好地使用大的载波带宽。对于一个大的载波带宽,比如100MHz,一个 UE 需要使用的带宽往往非常有限。如果让 UE 实时进行全带宽的检测和维护,终端的能耗将带来极大挑战。BWP 概念的引入就是在整个大的载波内划出部分带宽给 UE 进行接入和数据传输。UE 只需在系统配置的这部分带宽内进行相应的操作,从而达到节能的效果。BWP 的详细功能实现在 8.2.1 节第 6 部分进行了介绍。

  1. 前向兼容性

前向兼容性是 NR 提出的一个新的概念,主要是为了 NR 设计既能够保证对未来新业务和新特性的引入,也能保证对相同频谱上的已开展业务的有效支持。3GPP 提出这一新概念的主要考虑在于在 NR 网络部署初期,开展业务以 eMBB 为主,而且 R15 的设计首先考虑的也是对 eMBB 场景的支持。随着 NR 网络的规模部署,网络中将出现更多的新业务类型,后续的标准版本也将对新的业务进行优化。那么在 NR 设计初期,就要考虑给后续网络演进留出空间。在 NR 的设计中,为了保证前向兼容性,主要的做法是在给 UE 的 RRC 信令中预留一部分资源。这些预留的资源在 R15 版本中没有被赋予具体涵义,但是在未来的版本中可能被使用。

2.4 NR 标准体系架构介绍

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