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5G NR的空口技術為什么子載波間隔越大,符號長度越?
2019-06-23 11:56:01   來源:東方頭條   評論:0 點擊:

5G的空口是我認為通信技術中最意思的一部分內容,因為它相對簡單些。導讀

什么是"空口"?

空口就是空中接口,Air Interface。下圖1中基站到手機之間的空中"路徑"就是我們所謂的接口,它定義了無線信號傳輸規范,包括頻率、帶寬、編碼等等一系列內容。

圖1 GSM基站與手機,空中接口

5G為什么又叫作NR,New Radio?

這是由3GPP組織用來描述5G的,就像我們也用LTE來說4G。NR源自于R15版本。

通信中,我們常常說到幀Frame,那么什么是幀呢?

如果我們的手機和基站進行通信,需要發送一系列數據,那么這一系列數據排好隊,然后一個一個向基站發送,在時間上,這些數據是分開的,有規律的。這樣"有組織有紀律"的"部隊",就是幀。

在時間域中,無線傳輸被組織成無線幀radio frames、子幀subframes、時隙slots和符號symbols。

圖2 無線幀,時隙,符號

5G中無線幀是10ms,有10個子幀;

每個子幀就是1ms;

每個子幀又由多個時隙slot組成,每個slot又由14個OFDM符號構成。具體多少個呢?不確定,這就是5G的靈活性!一些預備知識

在此之前,班長寫了3篇關于OFDM的文章,當時就告訴各位同學,這是為了學習5G的空口打下基礎。

有興趣的同學可以鏈接過去仔細閱讀,如果沒有興趣,可以直接跳過,我會補充一些預備知識,不會影響本文的理解。

OFDM調制:相比于傳統的頻分復用,利用正交子載波實現多載波通信

OFDM技術:相比FDM提高頻帶利用率,子載波間隔可以隨意選取嗎?

OFDM技術:信號的產生為何與FFT算法有關?為什么要串并轉換?

先看下矩形脈沖的傅里葉變換

圖3 矩形脈沖(碼元)的頻域波形

這是第2次放這副圖了。這幅圖告訴我們3個知識點:

矩形脈沖的傅里葉變換,頻域波形是Sa函數;

時間域內,脈沖寬帶為τ,那么頻域內帶寬定義為B=1/τ,這是一個反比例關系。所以說一定時間內,如果想傳遞更多的脈沖(碼元),提高傳輸速率,必然要縮短τ;對應到頻域,就是帶寬變大;

頻域的1波形我們叫它為1個子載波;

為什么叫作子載波?

因為我們用到了多個不同頻率的載波,為了區分他們,所以使用子載波的概念。

圖4 不同的子載波調制

同樣的,這幅圖4之前在我的文章中出現過,當我們用不同頻率的載波f1和f2,去調制發送的矩形脈沖(1個碼元)時,頻域發生了什么?

Sa函數會在頻域內移動,形成兩個子載波,它們中心的對稱點分別為f1和f2。

且我們證明過,子載波間隔為Δf=f2-f1=1/Ts,其中Ts為碼元的持續時間。圖4中是1。

有了上面的基本認識,我們現在再來看時頻資源圖,會更加的清晰。

圖5 OFDM時間頻域圖

圖5中左側的坐標軸是時間,上面就是我們傳送的碼元數據,我們叫作符號Symbol。右側的坐標軸是頻率軸,是碼元對應的頻域波形,稱之為子載波。

4GLTE中的子載波間隔固定為15kHz。

所以根據Δf=1/Ts的公式,我們可以計算出4GLTE的符號長度為66.7us(自己動手算算)

再換一個俯視的視角,見圖6。橫向為子載波,頻率軸;縱向為符號,時間軸;時間與頻率形成了一個二維資源格Resouce Grid。每一個小方塊(資源格)可以給一個用戶使用。

圖6 時間頻域資源5G的子載波間隔scs=subcarrier spacing

與4GLTE數字(子載波間距和符號長度)相比,5G NR支持多種不同類型的子載波間隔(在LTE中只有一種子載波間隔-15 kHz)。

圖7 不同的子載波間隔

38.211中總結了NR參數集(Numerology)。正如在圖7和圖8看到的,每一個數字都被標記為一個參數u。

數字(u=0)表示子載波間隔15 kHz,與LTE相同;

數字(u=1)表示子載波間隔30 kHz;

數字(u=2)表示子載波間隔60 kHz;

Δf=2^u*15kHz,其他子載波間距是從(u=0)的乘冪上放大而來。

圖8 不同的參數u對應的子載波間隔無線幀結構

5G NR1個時隙slot含有14個或者12OFDM符號。

隨著u的變化,時隙的長度會發生變化。

圖9 不同的參數對應不同的子載波間隔,不同的時隙長度

隨著子載波間距的增大,時隙會變短。

子載波間隔為15KHz是,符號長度為66.7us,1個時隙共有14個符號,那么時隙的長度為66.7us*14,約等于1ms(先這樣理解,實際中要加上CP);

子載波間隔為30kHz時,符號長度為1/30kHz,1個時隙共有14個符號,那么時隙的長度為1/30kHz*14,約等于0.5ms(先這樣理解);

依次類推......

圖10 OFDM的符號長度變化

如上所述,在5GNR中,支持多個參數集Numerology,并且無線幀結構因u的不同而略有不同。然而,不管什么情況,無線幀和子幀的長度固定的。

無線幀的長度總是10 ms,子幀的長度總是1 ms。

那么,不同參數u的情況下,在考慮不同數字的物理性質時,應該有什么不同的區別呢?

最重要的是在一個子幀中放置不同數量的時隙。

還有另一個具有數理的變化參數。它是子幀中的符號數。但是,子幀內的符號數量不會隨參數u變化,僅隨時隙配置數量而變化。

現在,我們來看一下每個參數u和時隙配置的無線幀結構。

| 常規的CP,參數Numerology=0 |

在該配置中,1個子幀僅有1個時隙,這意味著1無線幀包含10個時隙。時隙內的OFDM符號的數目是14。

圖11 常規的CP,參數Numerology=0

| 常規的CP,參數Numerology=1 |

在這種配置中,1個子幀僅有2個時隙,這意味著1個無線幀中包含20個時隙。時隙內OFDM符號的數目為14。

圖12 常規的CP,參數Numerology=1

| 常規的CP,參數Numerology=2 |

在這種配置中,1個子幀僅有4個時隙,這意味著1個無線幀中包含40個時隙。時隙內OFDM符號的數目為14。

圖13 常規的CP,參數Numerology=2

| 常規的CP,參數Numerology=3 |

在這種配置中,1個子幀僅有8個時隙,這意味著1個無線幀中包含80個時隙。時隙內OFDM符號的數目為14。

圖14 常規的CP,參數Numerology=3

圖22是根據圖21制成,將下行部分轉換為帶寬。最大的RB數是138個,最大的帶寬397.44MHz。

總結

5GNR的空口結構因為參數u的取值不同而不同,從而實現靈活多變。

原文 | sharetechnote-5G/NR-Frame Structure ,班長翻譯、編輯、整理。預備知識為班長原創添加。

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