[4G&5G专题-26]：架构-什么是部分带宽BWP, 不对称载波带宽、UE带宽自适应?

目录

第1章. BWP技术的背景与来源

1.1 LTE系统的对称载波带宽

1.2 5G小区面临的问题

第2章. BWP的理论基础

2.1 LTE的时频资源分配与载波带宽

2.2 BWP的理论基础：线性系统的叠加性

2.3 BWP基本思想

第3章 5G BWP基本概念

3.1 BWP的定义

3.2 BWP大小的决定因素

第4章 BWP的工作原理

4.1 BWP的几种使用场景

4.2 BWP大小与位置的协商流程

4.3 BWP数据的调制解调过程

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第1章. BWP技术的背景与来源

BWP：Bandwidth Part，不对称载波带宽、UE带宽自适应、部分带宽。

1.1 LTE系统的对称载波带宽

在4G LTE系统中，每个载波的带宽5/10/15/20M，终端UE与基站，其小区载波带宽是一样的，这称为对称载波带宽。

1.2 5G小区面临的问题

然而到了5G, 情况发生了变化，小区带宽最大支持400M带宽，如果沿用LTE的UE和基站对称带宽的做法，对终端就提出了极高的挑战，另一方面，终端也是逐渐演进的，前期支持较小带宽，如100M带宽，等基站提供400M带宽小区的时候，前期的终端就遇到一个尴尬的问题，如果接入到400M带宽的小区中呢？于是不对称载波带宽，又称为UE带宽自适应，也称为一部分带宽的BWP技术应运而生。

5G的频点分为两部分：FR1（f < 6GHz，低频）和FR2（f > 6GHz，高频、毫米波）。

FR1的带宽可以是5MHz，10MHz，15MHz，20MHz，25MHz，30MHz，40MHz，50MHz，60MHz，80MHz和100MHz。

FR2的带宽可以是50MHz，100MHz，200MHz和400MHz等。

5G的带宽最小可以是5MHz，最大能到400MHz。如果要求所有终端UE都支持最大的400MHz，无疑会对UE的性能提出较高的要求，不利于降低UE的成本。

同时，一个UE不可能同时占满整个400M带宽，如果UE采用400M带宽对应的采样率，无疑是对性能的浪费。此外，大带宽意味着高采样率，高采样率意味着高功耗。

在上面这样的大背景下，提出了不对称载波带宽、UE带宽自适应、部分带宽BWP技术。BWP技术完美的解决了手机带宽与小区带宽不一致的问题。

 

第2章. BWP的理论基础

2.1 LTE的时频资源分配与载波带宽

（1）在4G LTE系统中，每个载波的带宽5/10/15/20M，终端UE与基站，其小区载波带宽是一样的，这称为对称载波带宽。

（2）所有的子载波的宽度为15KHz。

（3）时频资源：频域上的一个15K子载波，时域上符号，构成了一个RE。

（5）时频资源块：LTE是按照时频资源块给手机分配RE资源的，频域12个子载波，时域一个符号周期，构成一个RB。

从上图可以看出，同一个时刻，可能包含多个不同用户的数据，不同的用户使用不同的子载波承载数据。

（5）OFDM调制：是针对每个子载波的一个符号的，也就是说，系统信息和用户数据，都是调制在一个个独立的子载波上的。

（6）下行

• 基站发送：基站MAC把系统信息和所有的用户信息，调制到整个小区带宽的各个时频资源上，然后通过PHY的快速傅里叶变换，生成含有所有频率分量的合成的基带时域信号，再经过中频调制、高频调制（混频），把基带信号调制到高频载波上，进行发送。
• 电磁波传播：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。
• UE接收：小区中的每个手机通过频率搜索，获得小区的中心频点，通过MIB获取小区的带宽，通过信令获取自己所在的时频资源。每个手机获得相同带宽的调制信号，然后解调出所有的时频资源的数据，最后终端获取分配给自己的时频资源RE上数据。
• 因此所有子载波信号合并成基带时域信号是基站PHY完成的，每个UE收到的都是包含所有频率分量的时频信号。

（7）上行

• UE发送：每个手机，在分配给自己的时频资源RE/RB上进行数据调制，在没有分配给自己的时频资源RE上不进行调制（没有数据），调制后，每个手机各自生成整个小区带宽的基带信号=》中频信号和=》高频调制信号。
• 电磁波的叠加：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。与下行不同的是：下行只有一个基站发送，多个手机接收，为广播。上行是多个手机发送，一个基站接收，这就意味着多个不同发送发送的调制后的电磁波信号，在空间会进行叠加！为汇集。
• 基站接收：汇聚后的电磁波信号，被基站的天线接收下来，经过混频解调、中频处理、OFDM解调（时域到信号频域的傅里叶变换）与QAM解调哦，得到各个子载波RE的数据。基站在根据分配各个手机的RE信息，分别得到各个手机的数据。

 

2.2 BWP的理论基础：线性系统的叠加性

（1）定义

线性系统是指同时满足叠加性（加减运算）与均匀性（系数乘除运算）的系统。

所谓叠加性（加减运算）：是指当几个输入信号共同作用于系统时，总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和；

均匀性（系数乘除运算）：是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增大同样的倍数。

不满足叠加性和均匀性的系统即为非线性系统

（2）图形描述

• 系统对多路的输入信号，先进行线性运算、累加后在进行变换。

• 系统对多路信号先进行变换，后进行线性运算、累加

如果上述两种情况，得到的输出是一致的，则这个系统是线性系统，符合叠加性特征！

（3）数学描述

（4）应用

可以这样说，《信号与系统》的研究，就是建立在线性系统之上的，现代通信系统，基本上是一个线性系统。

线性系统的线性特征被应用在通信系统的方方面面：信号的复用与解复用，如2G的频分多址、3G的码分多址、4G正交频发复用，功率放大器等等，否是线性系统的线性特征的应用。

 

2.3 BWP基本思想

BWP技术允许手机的载波带宽可以小于基站提供的整个小区的带宽。

每个手机在随机接入时，提供自己载波带宽的能力，基站再根据手机支持载波带宽的能力，告诉手机所在的载波带宽，在整个小区带宽中的位置，并根据此信息分配相应的时频资源。

（1）基站发送：给手机分配RE资源时，不能分布在整个小区带宽内，而是在其所在的BWP子带宽内分配RE资源。

（2）手机接收：手机通过调整其滤波器的中心频点，过滤出所在的BWP子带宽内的频率分量，经过后续处理后，得到手机自己的RE时频资源。

（3）手机发送：发送所在的BWP子带宽内的调制信号。只在分配给自己的BWP子带宽内进行RE时频资源的调制。

（5）线性叠加：不同手机的BWP子带宽的调制信号在空间进行电磁波的线性叠加！

（6）基站接收：基站接收叠加后的大带宽的电磁波信号，进行大带宽的解调，最后得到每个手机对应的RE时频资源以及对应的数据。

 

第3章 5G BWP基本概念

3.1 BWP的定义

 BWP(Bandwidth Part)，是小区总带宽的一个子带宽。

5G把整个小区带宽划分为N个连续的公共的子带宽，每个公共子带宽称为CRB （Common Resource Block）， 每个CRB由M个PRB组成，而每个PRB由12个子载波RE组成。

基站根据手机支持的带宽的大小，为不同的手机，从对应带宽大小的CBR中为手机选择RE资源。基站对整个小区带宽进行调制解调。而手机是根据各自支持的带宽进行调制解调。

（1）不同的BWP，其在整个小区带宽中的位置不同，即其实PRB的位置不同。

（2）不同的BWP，其带宽不同，即占用的PRB的个数不同。

（3）不同的BWP，其子载波间隔可以不相同, 可以是15K, 30K, 60K.....

（4）不同的BWP，其内部的子载波的调制方式，可以不相同。

（5）相同的BWP，借助时间域，可以被多个不同的UE终端进行复用。

 

3.2 BWP大小的决定因素

（1）基站建立的小区的带宽

（2）手机RFIC芯片支持的最大载波带宽

（3）手机业务传输所需要的带宽，也就是说，BWP的带宽，并不一定等于手机支持的物理带宽，因此比手机的物理带宽小。这种设计，有助于降低终端在轻负载时的功耗。

 

第4章 BWP的工作原理

4.1 BWP的几种使用场景

（1）场景1：手机支持的物理带宽小于小区带宽

这种场景，前面讨论了很多，而BWP的使用场景，远不止手机支持的物理带宽小于基站建立的小区带宽。

（2）场景2：负载均衡

当小区内终端的数量较大，整个小区的负载较重时，基站通过调节终端的BWP的带宽，来调节终端的负载，实施负载均衡。

（3）场景3：降低功耗

当负载较轻时，可以通过降低节终端的BWP带宽，降低终端调制解调的带宽，降低终端的采样率，从而降低终端的功耗，而无需要像LTE那样，对整个带宽进行采样和调制解调，无需对无效子载波进行处理。

模数转换的采样率：带宽越大，内含的频率分量的频率越高，所需要采样频率就越高。

快速傅里叶变换的采样率：基带信号的带宽越大，其内含的子载波的个数越多，所需的时域采样率越大。

 

（4）场景4：快速配置

通过RRC重配的信令快速配置手机的BWP CRB带宽。

 

4.2 BWP大小与位置的协商流程

（1）主同步与辅同步：手机通过默认的BWP CRB 大小（如5M），与基站进行频率主同步与辅同步。

（2）获取小区信息：在手机与基站同步之后，获得小区的广播信道，并从广播信道得到MIB和SIB信息，获取小区支持的带宽。

（3）手机上报自己的能力：在随机接入过程中，手机上报自己载波带宽的能力，如20M还是100M或其他带宽。

（4）基站为手机分配BWP CRB ：基站为手机分配BWP CRB的位置和大小。

（5）基站在分配给手机的BWP CRB 上分配控制信道和数据信道，即在分配给手机的BWP上，分配时频资源。

（6）手机根据随机接入获得的BWP CRB 位置和大小，在相应的位置上，与基站建立控制信道与数据信道。

（7）每个手机最大支持4个不同的CBR， 但某一时刻，只有一个CBR处于激活状态。

（8）不同CBR之间切换，可以按照某个算法的规则，自动动态切换，也可以有基站根据当前信道的质量，指示手机进行单次的CBR的切换。

 

4.3 BWP数据的调制解调过程

（1）下行

• 基站发送：基站MAC把系统信息和所有的用户信息，调制到整个小区带宽的各个时频资源上，然后通过PHY的快速傅里叶变换，生成含有所有频率分量的合成的基带时域信号，再经过中频调制、高频调制（混频），把基带信号调制到高频载波上，进行发送。
• 电磁波传播：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。
• UE接收：先通过带通滤波器，只接收其物理带宽受限带宽的信号，滤除其他UE的载波信号。然后通过进行正常的调制解调。

（2）上行

• UE发送：每个手机，在分配给自己的时频资源RE/RB上进行数据调制，在没有分配给自己的时频资源RE上不进行调制（没有数据），调制后，每个手机各自生成BWP带宽的基带信号（而不是整个小区带宽的信号，也不是整个手机物理支持带宽的信号）=》中频信号和=》高频调制信号。
• 电磁波的叠加：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。与下行不同的是：下行只有一个基站发送，多个手机接收，为广播。上行是多个手机发送，一个基站接收，这就意味着多个不同发送发送的调制后的电磁波信号，在空间会进行叠加！为汇集。
• 基站接收：汇聚后的电磁波信号，被基站的天线接收下来，经过混频解调、中频处理、OFDM解调（时域到信号频域的傅里叶变换）与QAM解调哦，得到各个子载波RE的数据。基站在根据分配各个手机的RE信息，分别得到各个手机的数据。