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5G基本原理/5G NR的关键技术

2024-01-30 23:03:57阅读 2

主要参考:深入浅出5G移动通信/刘毅等编著. —北京:机械工业出版社,2019.1

目录

1、调制方式

2、信道编码

3、全新波形

4、灵活帧结构

5、物理层参考信号重设


5G新空口(5G NR)的关键技术包括调制方式、波形、帧结构、参考信号设计、多天线传输、信道编码等。

1、调制方式

调制主要针对的是数据信道,控制信道、广播信道等略有差别。其基本原理:一个符号可以根据振幅和相位表示多个bit,倍数级提升频谱效率,如16QAM中,一个符号可承载4个bit。

表1 3G到5G数据信道的调制方式
3G 4G 5G

QPSK(Quad-Phase Shift Keyed,正交相移键控)

16QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)

QPSK

16QAM

64QAM

π/2-BPSK(Binary Phase Shift Keying,二进制相移键控):降低峰均功率比,提高小区边缘的覆盖和低数据率信号的功放效率

QPSK

16QAM

64QAM

256QAM:提高系统容量

5G协议中已经给出调制映射公式,为使所有映射有一样的平均功率,需对映射进行归一化。映射后的复数值乘上一个归一化的量,即可得到输出数据。

图1 5G调制映射公式

2、信道编码

信道编码选择的基本原则:

  • 编码性能:纠错能力以及编码冗余率;
  • 编码效率:复杂程度及能效;
  • 灵活性:编码的数据块大小,能否支持增量冗余的混合自动重传。

5G NR的数据信道采用低密度奇偶校验编码(LDPC),控制信道采用极化编码(Polar)

  • LDPC编码:由奇偶校验矩阵定义,每一行代表一个编码位(bit),每一列代表一个奇偶校验方程。5G NR中的LDPC编码采用准循环结构(奇偶检验矩阵由更小的基矩阵定义)和速率兼容结构(基矩阵可进行高速率编码);
  • polar码:主要用于5G网络层1和层2的控制信令。

3、全新波形

5G的新波形要求支持其三大类用户场景,即eMBB、mMTC和URLLC。需要针对不同场景采用灵活的子载波等空口参数集(Numerology)以及信令和控制负荷最小化,以提升效率。

LTE系统中的OFDM波形具有频谱效率高、易于实现、能有效抵抗多径衰落等特性,因此5G系统仍考虑基于OFDM来进行波形设计。但LTE系统存在子载波间隔和符号长度固定(无法支持多种移动性场景)、频谱旁瓣大(产生载波间干扰ICI和符号间干扰ISI)两大缺点。

4、灵活帧结构

5G取消了5M以下的LTE小区带宽,大带宽是5G的典型特征。

  • sub 6GHz小区最大小区带宽为100M;
  • 毫米波最大小区带宽为400M。

5G NR采用多个不同的子载波间隔(Subcarrier Spacing)类型,4G只用单一的15 kHz的子载波间隔。5G NR采用参数μ来表述子载波间隔。

定义频域上一个资源块(RB)包含12个子载波,对于不同的子载波间隔,RB频域资源大小不同,gNB支持的单载波带宽也各不相同。

表2 gNB支持的单载波带宽
μ MinRB MaxRB

Subcarrier Spacing

(kHz)

FreqBW Min

(MHz)

FreqBW Max

(MHz)

0 24 275 15 4.32 49.5
1 24 275 30 8.64 99
2 24 275 60 17.28 198
3 24 275 120 34.56 396
4 24 138 240 69.12 397.44
5 24 69 480 138.24 397.44

时域物理资源划分方面,采样时间计算公式

时域方面,5G采用和4G相同的无线帧(10 ms)和子帧(1 ms),但在子帧中的时隙数量不同,每个时隙上定义的符号数也不同,符号根据时隙配置类型的不同而变化。5G各种时域配置如图。

图3 5G时域配置

5、物理层参考信号重设

通信过程中,根据预先定义的标准参考信号X和实际接收到的参考信号Y求取方程中矩阵H的特征值,再配置H应用于其他未知数据信号的相干检测、解调、估计等,在5G的波束成形技术中也会协助求解类似的波束成形矩阵权值。

为提高网络能效(能量利用效率),并保证向后兼容, 5G NR参考信号主要包括4种:解调参考信号(DM-RS)、相位追踪参考信号(PT-RS)、测量参考信号(SRS)以及信道状态信息参考信号(CSI-RS)。

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