3GPP 5G NR物理层关键技术综述

【摘 要】第五代(5G)移动通信技术被称为新型无线空口,主要满足三大应用场景的通信需求,即增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(uRLLC)以及海量机器通信(mMTC)。其使用的关键技术包括超精简传输、低时延设计、大规模MIMO以及高低频范围内灵活的频谱使用方式等。根据3GPP TS 38系列的最新技术规范,重点介绍了5G NR层1的关键技术,侧重于与4G LTE的比较,并通过描述5G NR的基本概念,详细解释物理信道和参考信号的设计原理,分享当前5G标准化的最新成果。
新型无线空口;增强型移动宽带;超可靠低时延通信;海量机器通信;物理层
【关键词】
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.10.001 中图分类号:TN929.5 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2018)10-0001-08
引用格式:黄陈横. 3GPP 5G NR物理层关键技术综述[J]. 移动通信, 2018,42(10): 1-8.
1 引言
第五代(5G)移动通信技术被称为新型无线空口(New Radio,NR),可以满足国际电信联盟(ITU)对IMT-2020设定的性能要求[1]。在完成了5G需求的初步调研后[2-4],3GPP于2017年3月批准成立了NR规范制定的工作组,其研究的内容将加入到3GPP Release 15[5](以下简称R15)中发布。R15计划于2018年12月冻结,增加的内容将包括更多架构选项,例如将5G基站节点(gNB)连接到演进分组核心(EPC)并且在多连接模式下实现NR和LTE互操作的可能性,其中NR是主节点,LTE是次节点。
NR可实现的功能包括超精简传输[6]、低时延支持、大规模MIMO以及高低频范围内灵活的频谱使用方式(包括高频和低频之间的交互使用以及动态时分复用(TDD)等)。文献[7]给出了NR关键技术及其设计原理相对全面的概述,相比之下,本文的目的是深入研究NR技术规范(TS),介绍层1的关键技术,侧重于与4G LTE的比较,并通过5G NR基本概念的阐述,详细解释物理信道和参考信号的设计原理,为无线通信相关从业者提供一个5G物理层较全面的描述。
NR的无线空口由物理层(层1)和更高层组成,如介质访问控制(MAC层)和无线资源控制(RRC层)。TS 38.200系列[8-14]中描述了物理层规范,TS 38.300系列则描述了更高层规范(如文献[15]中的RRC规范)。
2 5G NR物理层概述
2.1 波形、参数集及帧结构
波形的选择是任何无线接入技术首要解决的物理层核心问题。在对所有波形提议进行评估之后,3GPP同意继续采用正交频分复用(OFDM)和循环前缀(CP),用于下行和上行传输。CP-OFDM和多输入多输出(MIMO)技术的结合可使大带宽系统实现低复杂度和低成本。NR还支持在上行链路中使用离散傅立叶变换(DFT)扩展OFDM(DFT-S-OFDM)来改善覆盖范围。
NR支持从1 GHz到毫米波段范围内的频谱,R15中定义了两个频率范围(FR):
(1)FR1:450 MHz—6 GHz,通常指Sub-6 GHz,最大带宽为100 MHz;
(2)FR2:24.25 GHz—52.6 GHz,通常指毫米波(Millimeter Wave),最大带宽为400 MHz。
可扩展的参数集(Numerologies)是在如此广泛的频谱范围内支持NR部署的关键。NR采用了从LTE的15 kHz基本子载波间隔扩展到2?×15 kHz (?=0, 1, ..., 4)的多种灵活的子载波间隔。相应地,CP从LTE的4.7 μs缩小2-?,这种可扩展的设计允许支持广泛的部署场景和载波频率。参数“?”的选择取决于不同的因素[16],包括5G新空口网络部署选项类型、载波频率、业务需求(时延/可靠性/吞吐量)、硬件减损(振荡器相位噪声)、移动性及实施复雜度。比如对于较低的FR1载波频率、网络覆盖范围大、窄带终端以及增强型多媒体广播/多播服务(eMBMSs),选择15 kHz、30 kHz的子载波间隔是合适的。当面向对时延极为敏感的uRLLC、小覆盖区域以及更高的FR2载波频率时,可把子载波间隔调大至60 kHz、120 kHz。此外,还可能通过复用两种不同的数值(比如用于uRLLC的更宽子载波间隔以及用于eMBB/mMTC/eMBMS的更窄子载波间隔),以相同的载波来同时承载具有不同需求的不同类业务。
NR帧具有10 ms的长度并且由10个子帧组成,这与LTE相同,能保证NR和LTE的共存。每个子帧由包含14个OFDM符号的2?个时隙组成。尽管时隙是调度的最小颗粒度,但是NR支持在任意一个OFDM符号开始传输,并且仅持续当前业务所需的符号,这种所谓的“微时隙”(mini slot)可以确保部分场景业务数据有较低的调度等待时间,同时使其对其他业务传输链路的干扰最小化。可见时延的优化一直是NR的重要考虑因素,正如本文上下文所述,除“微时隙”外,NR还引入了其他关键技术以减少延迟。
2.2 资源块、载波及带宽配置
基于终端能力的考虑,3GPP限制了单个小区有效子载波数不超过3 300(FFT点数不超过4 096),因此不同子载波间隔情况下支持的小区最大带宽不一样,每种带宽配置下的最大RB个数如表1和表2所示(资源块RB仍由频域中的12个连续子载波组成)。尽管带宽很大,但NR的超精简设计能确保传输时延最小化,提高网络能效,降低干扰。
毫米波频段的NR由于终端发射功率的限制,使得高频段的上行覆盖范围受较大程度限制,因此3GPP引入了所谓的SDL(补充下行)与SUL(补充上行)频段。通过低频载波补充高频NR的覆盖,确保较好的组网性能,特别是在上行链路中,一般通过载波聚合或双连接的方式实现。此外R15支持NR载波和LTE载波在频率上相互重叠,实现NR和LTE之间的频谱动态共享,这有助于运营商从LTE平滑过渡到NR。
为降低UE功耗,NR采用了RF Bandwidth Adaptation技术,以灵活适配多种业务,网络可为每个UE最多配置4個BWP(Band Width Part),BWP是指在给定参数集和给定载波上的一组连续的物理资源块,根据需要动态改变指示给UE,该特性是NR区分于4G LTE的典型特性之一,有如下应用场景:
(1)UE支持的带宽可以小于小区支持的带宽;
(2)UE在大小BWP间进行切换,达到省电效果;
(3)不同BWP,配置不同的系统参数集,承载不同业务。
BWP应用场景如图2所示。
2.3 调制、信道编码及时隙配置
NR中的调制方案类似于LTE,包括具有二进制和正交相移键控(BPSK/QPSK)、16阶,64阶和256阶的正交幅度调制(QAM)。NR控制信道使用Reed-Muller分组码和循环冗余校验(CRC)辅助的极化polar码(LTE使用咬尾卷积码),NR数据信道使用速率可变的准循环低密度奇偶校验LDPC码(LTE使用turbo码)。
NR支持的双工选项包括频分双工(FDD),半静态配置的UL/DL配置的TDD和动态TDD。在TDD频谱中,对于微小区,可以使用动态TDD来适应流量变化,而对于宏小区,半静态TDD比完全动态TDD更适合处理干扰问题。特别地,C-band频段n77/n78以及更高毫米波频段均采用TDD方式。
NR TDD支持灵活时隙的配置。具体来说,时隙中的OFDM符号可以配置为'DL'、'UL'或'flexible'。DL传输可以发生在'DL'或'flexible'符号中,同样UL传输可以发生在'UL'或'flexible'符号中。通过小区特定及UE特定的RRC配置可实现UL/DL时隙分配,这与LTE TDD的时隙配置一样。
如果未专门配置时隙,则默认情况下所有资源均被视为灵活时隙。动态的TDD则可通过DL控制信息(DCI)的1/2层信令来动态地配置符号是用于DL传输还是UL传输。
3 小区接入信道
就物理信道的使用而言NR和LTE无明显差异,本文按照用户随机接入到开始数据传输的顺序介绍NR的物理信道。首先是用户小区搜索及随机接入过程:
(1)小区搜索涉及的物理信道过程:PSS/SSS->PBCH->PDCCH->PDSCH;
(2)随机接入涉及的物理信道过程:PRACH->PDCCH->PDSCH->PUSCH。
图3为小区搜索及接入过程。
3.1 同步信号及广播信道(PBCH)
同步信号SS和广播信道PBCH的组合在NR中被称为SSB,其子载波间隔在FR1中可以是15 kHz或30 kHz,在FR2中则可选120 kHz或240 kHz。通过检测SS,UE可以获得物理小区ID,实现时域和频域的下行同步,并获取PBCH的定时,后者携带着小区基本的系统信息。
NR SS由主要SS(PSS)和次要SS(SSS)组成。由于缺乏频繁的静态参考信号以帮助跟踪,与LTE相比,gNB和UE之间可能存在较大的初始频率误差,尤其是对于工作在较高频率的低成本UE而言。为了解决传统基于Zadoff-Chu序列的LTE PSS时间和频率偏移模糊度问题,NR PSS使用长度为127的BPSK调制的m序列,NR SSS则通过使用长度为127的BPSK调制的Gold序列生成的PSS和SSS总共可标识1 008个不同的物理小区ID(LTE最多504个小区ID)。
如图4所示,SSB被映射到时域中的4个OFDM符号和频域中的240个连续子载波(20个RB)。为了支持用于初始接入的波束成形,NR引入了新的概念SS突发组,用以支持SSB传输的波束扫描。为了尽可能减少永远在线传输[6],多个SSB在一个本地突发集内与稀疏突发集一起周期发送(默认为20 ms)。在SS突发设置周期内,以时分+空分的方式最多可以在不同波束中传输64个SSB,SS块的传输被限制在5 ms窗口内。SS突发集合内,SSB时间位置的集合由当前小区配置的参数集确认决定,而频率位置则不一定在系统带宽的中心(LTE中则固定配置在中心频点),并且由较高层参数配置以支持用于SSB检测的稀疏栅格搜索,即协议中定义了一类稀疏的同步栅格(Synchronization Raster)来减少搜索时间。
3.2 随机接入信道(PRACH)
PRACH主要用于发送UE随机接入的前导码,以尝试向gNB发起随机接入并配合gNB调整UE的上行链路定时及其他参数。与LTE一样,Zadoff-Chu序列由于其具有DFT变换前后不变的幅度以及零低相关的特性而被用于生成NR随机接入前导码。与LTE不同,NR随机接入前导码使用具有不同格式配置和长度的两个序列以适应NR的广泛业务支持。
对于长度为839的长序列,支持源自LTE前导码的四种前导码格式,主要针对大型小区的宏站部署场景。这些格式只能在FR1中使用,且子载波间隔为1.25 kHz或5 kHz。
对于长度为139的短序列,NR引入了9种不同的前导码格式,主要针对微小区和室内部署场景。短前导码格式可用于FR1,子载波间隔为15 kHz或30 kHz,FR2的子载波间隔采用60 kHz或120 kHz。与LTE不同的是,短前导码每个OFDM符号的最后部分用做下一个OFDM符号的CP,并且前导码OFDM符号的长度等于数据OFDM符号的长度。这种新设计有几个好处:首先,它允许gNB接收机对数据和随机接入前导码检测使用相同的快速傅里叶变换(FFT);其次,由于每个PRACH前导码由多个较短的OFDM符号组成,所以新的短前导码格式对时变信道和频率误差更具鲁棒性;第三,它支持在PRACH接收期间模拟波束扫描,使得在gNB处可以用不同的波束接收相同的前导码。
4 数据传输信道
上下行数据传输的过程如图5所示。
4.1 下行共享信道(PDSCH)
PDSCH用于传输下行用户数据、UE特定的高层信息、系统信息和寻呼。为了传输DL传输块(用于物理层的有效载荷),首先附加传输块通过CRC提供错误检测,随后是LDPC基本图选择。NR支持两个LDPC基本图,一个针对较小的传输块进行优化,另一个针对较大的传输块,将传输块分割成若干码块含CRC校验位后,针对每个LDPC编码块单独进行速率匹配。最后,将码块级联合并,创建用于在PDSCH上传输的码字,每层PDSCH可承载最多2个码字。
随后将码字加扰,调制以生成OFDM符号块,符号最多映射4个MIMO层,因此多天线传输模式下PDSCH可以支持最多8层传输。这些层以规范透明的方式(基于非码本)映射到天线端口,后续的波束成形或MIMO预编码操作对于UE是透明的。
当接收单播PDSCH时,UE被通知某些资源不可用于PDSCH。这些不可用的资源可以包括具有RB、符号级或RE粒度级。在NR和LTE共享相同载波的情况下,后者用于映射LTE CRS。这有利于前向和后向兼容能力,使得网络可以预留传输资源用于服务未来加入的其他业务场景(如mMTC)。
NR PDSCH的物理层处理过程如图6的左侧所示。
4.2 上行共享信道(PUSCH)
PUSCH用于UL共享信道(UL-SCH)和1/2层控制信息的传输。UL-SCH是用于发送UL传输块的传输信道。UL传输块的物理层处理类似于DL传输块的处理,如图6的右侧所示。
码字被加扰和调制以生成符号块,之后被映射到一个或多个层上。PUSCH最多支持到4层(每层1个码字)传输。对于层到天线端口映射,UL支持基于非码本的传输和基于码本的传输。对于用于传输物理信道的每个天线端口,这些符号将被映射到RB。与LTE相反,映射优先在频域完成,以便接收器能够提前解码。
4.3 下行控制信道(PDCCH)
PDCCH用于承载DCI,例如下行链路调度分配和上行链路调度许可。在图5的上部给出NR PDCCH的图示。传统的LTE控制信道始终分布在整个系统带宽内,因/难以7108控制小区间干扰[6]。NR PD7410CCH可在配置的控制资源集(CORESET)中传输。控制区域配置的灵活性(包括时间、频率、参数集等)使NR能够解决各种用例。
CORESET中的频率分配可以是连续或不连续的。CORESET在时间上跨越1~3个连续的OFDM符号。CORESET中的RE被组织在RE组(REG)中。每个REG由一个RB中的一个OFDM符号的12个RE组成。PDCCH由1、2、4、8或16个控制信道元素(CCE)承载,以适应不同有效载荷大小的DCI或不同的编码速率。每个CCE由6个REG组成。CORESET的CCE-REG映射可以交错(用于频率分集)或非交织(用于局部波束形成)。UE针对不同DCI格式进行盲解,而盲解的复杂度关乎到UE的成本,其目的是达到以较低的开销提供灵活的调度。
4.4 上行控制信道(PUCCH)
PUCCH用于承载混合自动重传请求(HARQ)反馈,信道状态信息(CSI)和调度请求(SR)等上行链路控制信息(UCI)。在图7的底部给出NR PUCCH的图示。
与位于载波带宽的边缘并且被设计为具有固定持续时间和定时的LTE PUCCH不同,NR PUCCH在其时间和频率分配上是灵活的,使得NR支持具有较小带宽能力的UE接入。NR PUCCH设计基于5种PUCCH格式。PUCCH格式0和2(又称短PUCCH)使用1个或2个OFDM符号,而PUCCH格式1、3和4(又称长PUCCH)可以使用4至14个OFDM符号。PUCCH格式0和1承载1或2比特的UCI有效载荷,而其他格式用于承载超过2比特的UCI有效载荷。在PUCCH格式1、3和4中,为达到较低的峰均功率比(PAPR),DMRS符号与UCI符号时分复用,而在格式2中,DMRS与数据采用频率复用。仅当PUCCH格式0、1和4通过不同的循环移位或OCC适用时,才支持相同时间和频率资源上的多用户复用。
5 参考信号相关
为了提高网络的能效(能量利用效率),并保证后向兼容,5G新空口通过超精益的设计[6](Ultra-Lean Design)来最小化“永远在线的传输”。与LTE中的相关设置相比,5G新空口的参考信号仅在需要时才传输。主要有解调参考信号(DMRS)、相位追踪参考信号(PTRS)、测量参考信号(SRS)、信道状态信息参考信号(CSI-RS)这四种5G新空口参考信号。物理信道和信号相互关系如图8所示:
5.1 上下行解调参考信号(DMRS)
DMRS参考信号用于无线信道评估,以有利于信号解调。DMRS是用户终端特定的参考信号(即每个终端的DMRS信号不同),可被波束赋型、可被纳入到受调度的资源,仅在需要时才发射(既可在上行方向也可在下行方向)。为了支持多层MIMO传输,可调度多个正交的DMRS端口,其中每个DMRS端口与MIMO的每一层相对应。“正交”可通过梳状结构的频分复用(FDM)、时分复用(TDM)以及码分复用(CDM)来达到。DMRS信号的设计要考虑早期的解码需求以支持各种低时延应用,所以基本的DMRS模式是前载(front loaded)。面向低速移动的应用场景,DMRS在时域采取低密度设计。然而,在高速移动的应用场景,DMRS的时间密度要增大以及时跟踪无线信道的快速变化。
5.2 上下行相位跟踪参考信号(PTRS)
PTRS參考信号的引入,是为了解决相位噪声的补偿。一般地,随着振荡器载波频率的上升,相位噪声也会增大。对工作在高频段(比如毫米波频段)的5G无线网络,可利用PTRS信号来消除相位噪声。对于OFDM信号,由相位噪声可引起的负面效应之一是“所有子载波均产生相位旋转”,这种现象被业界称为共相位误差(CPE)。因CPE产生的相位旋转对于一个OFDM符号内所有的子载波都是完全相同的,而OFDM符号之间的相位噪声却是低相关的,因此,PTRS信号就被设计为在频域具有低密度而在时域具有高密度。PTRS是UE特定的参考信号(即每个终端的PTRS信号不同),可被波束赋型,可被纳入到受调度的资源。PTRS端口的数量可以小于总的端口数,而且PTRS端口之间的正交可通过FDM来实现。此外,PTRS信号的配置与振荡器质量、载波频率、OFDM子载波间隔、用于信号传输的调制及编码格式有关。
5.3 信道状态信息参考信号(CSI-RS)
与LTE相似,NR CSI-RS用于下行CSI的捕获。除此之外,NR中的CSI-RS还支持针对移动性和波束管理(包括模拟波束成形)的参考信号接收功率(RSRP)测量,时频跟踪以及基于具有上下行互易性的预编码。CSI-RS同样是UE专用的,但多个用户仍然可以共享相同的资源。零功率的CSI-RS可以用作资源屏蔽工具,通过它们来保护某些RE以防用于PDSCH的映射。该屏蔽支持UE专用CSI-RS的传输,但该特性可认为是允许向NR引入新功能(业务),并保留向后兼容性的工具。
NR支持CSI-RS配置的高度灵活性。一个资源可配置多达32个端口,配置密度可选。在时域中,CSI-RS资源可以在时隙的任何OFDM符号处开始,其是否跨越1个、2个或4个OFDM符号取决于配置的端口数量。CSI-RS可以是周期性的、半永久性的或非周期性的(即DCI触发的)。
5.4 探测参考信号(SRS)
SRS参考信号于上行方向传输,主要面向调度以及链路适配,进行信道状态信息(CSI)测量。对于5G新空口,SRS将被用于面向大规模天线阵列(Massive MIMO)的基于互易性的預编码器设计,也有望被用于上行波束管理。此外,SRS将会有模块化的、灵活的设计,以支持不同的流程以及用户终端(UE)能力。
6 结束语
下一代无线空口技术5G NR可应用于更多的业务场景,将给社会带来显著的经济效益。当3GPP于2018年6月批准了备受期待的5G NR stand-alone规范时,这标志着迈出了实现这一目标的重要一步。本文概述了代表最新5G无线技术的3GPP NR规范要点,重点关注物理层。NR是一个灵活的空口,能够适应未来广泛的网络特性需求和业务场景部署要求,为将来无线通信服务进一步的发展提供了坚实的基础。
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