[4G&5G专题-30]：物理层-基带无线资源与物理层帧结构

目录

第1章 基带无线资源概述

1.1 无线资源的作用

1.2 基带无线资源

1.3 无线资源的核心地位

1.4 无线资源的分类

1.5 无线资源的组织：物理层帧

第2章 4G LTE的时频资源

2.1 LTE的带宽

2.2 LTE子载波间隔

2.3 LTE子载波个数

2.3 LTE OFDM时域信号

2.3 LTE的时频资源RE矩阵

第3章 4G LTE的物理层帧结构

3.1 以太网帧结构

3.2 LTE无线帧结构的特点

3.3 LTE的双工模式

3.4 LTE FDD的帧结构

3.5 LTE TDD的帧结构

3.6 时隙Slot的构成

第4章 5G NR的时频资源

4.1 5G NR的时频资源与4G LTE时频资源的比较

4.2 5G NR的基带载波带宽

4.3 5G NR的子载波间隔

4.4 5G NR的时隙slot时长与子载波间隔的关系

4.5 5G子载波间隔的应用

4.6 子载波间隔（SCS，SubCarrier Spacing）对覆盖、时延、移动性、相噪的影响

4.7 关于循环前缀CP

第5章 5G NR的物理层帧结构

5.1 固定结构

5.2 灵活变化结构

5.3 Mini-Slots的引入

第6章 空间资源

第7章 功率资源

7.1 功率的层次

7.2 功能控制的类型

第8章 码资源

第x章 时频资源的功能划分

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第1章 基带无线资源概述

1.1 无线资源的作用

所谓无线资源是指能够承载用户二进制数据的无线信号。

有点类似飞机以及飞机上的座位。

不同的频率类似不同航班的飞机。

不同子载波波类似于同一个飞机上的不同座位。

不同的时隙类似于同一个飞机不同的起飞时间。

关于5G的高频载波的频谱，请参考：《[4G&5G专题-25]：架构-4G&5G频谱资源大全与详解》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113281420

 

1.2 基带无线资源

物理层的无线资源，主要是低频、基带无线信号，而不是高频的载波信号。

“基带”Baseband是相对于RF射频而言的。

“低频”是相对与RF的数字中频与射频高频而言的，低频是从0频率开始的一定带宽的频谱资源。

1.3 无线资源的核心地位

一定带宽的无线信号，一次能够携带的二进制比特是有限的。

为了在一定的带宽下能够传递更多的比特、或通过增加带宽传递更多的比特，于是产生了各种调制技术。

为了能够利用有限的无线资源为更多的动态变化的用户提供二进制比特的传输服务，于是产生了各种多址复用技术。

为了能够在不可靠的的无线信道上，稳定、可靠的传输二进制比特服务，于是产生了各种防错、检错、纠错的编码技术。

可以这样说，物理层的各种技术都是构建各种无线资源之上的，是其他技术的基础；其他的技术都是围绕着无线资源展开的。

1.4 无线资源的分类

在4G和5G中，无线资源在进一步细化为：

• 小区频率带宽资源：比如 4G LTE支持5M/10M/15M/20M，5G LTE可以支持更大的带宽，如50M/100M/200M/400M.
• 不对称、可变带宽BWP资源：这是5G新引入的技术，该技术可是使得终端信号带宽与基站的载波带宽不相同。
• 频率子载波资源：4G LTE是15K的子载波，5G的子载波可以是15K, 30K, 60K, 120K子载波。

子载波：把一群人分割成一个个的人，每个人就是一个子载波，一个子载波可以单独传递信息。20M带宽的无线信号，可以分割成载波间隔15K的1200个子载波，就相当于有1200个人。

• 时间资源：不同的用户，不同时分复用的方式，共享相同的子载波

一个人，不会时时刻刻干相同的活，如果说，一个人写一张PPT的活称为一个“”符号”的话，那么写一张PPT的时间就是符号的时间，那么一个人写7张PPT的时间称为一个slot。

也就是说，一个人，在不同的时间可以写不同的PPT, 除了人力资源，时间也是资源，这就是时间资源，一个人工作8小时和10小时的差别，不是人力资源的差别，而是时间资源的差别。

把12个人分成一组，各自完成7张PPT，共84张PPT，称为“物理资源块” PRB。

• 时频资源：频率和时间资源合称为时频资源

1200个人+ 工作时间，就构成了公司的时频资源。

• 功率资源：任何信号的发送和接收，都需要消耗能量，能量也是一个非常重要的资源，每个基站有最大的功率，每个UE会分得一部分功率。
• 空间资源：空间资源是MIMO的“层”，在LTE中，同一个RE的MIMO的所有“层”只能归属同一个用户，用于增加用户的带宽，在5G中，结合波束赋形，MIMO的层，可以分配给不同的用户，称为多用户MIMO
• 无线信道：把各种无线资源按照功能的方式组织起来，向MAC层提供服务。

 

1.5 无线资源的组织：物理层帧

这些无线资源按照一定的方式有机的结构化的组织起来的，称为物理层的帧结构。

 

第2章 4G LTE的时频资源

2.1 LTE的带宽

在LTE中，每个小区的带宽可以是5M/10M/15M/20M， 最大带宽是20M.

一个基站可以支持多个5M/10M/15M/20M的小区。

20M的小区带宽，有效带宽为18M, 两边各留了1M作为保护带宽。

 

2.2 LTE子载波间隔

（1）FDM

（2）OFDM子载波

OFDM并非可以任意重叠，每个载波的最大带宽只能是30K，重叠为载波间隔15K。

 

2.3 LTE子载波个数

 

2.3 LTE OFDM时域信号

（1）OFDM时域信号的频谱

（2）OFDM已调波的时域波形

（3）OFDM已调波的IQ采样点

采样点的个数与子载波的个数相关，即与基带信号的频域带宽相关，带宽越大，所需要的时域采样点的个数越多。

子载波间隔为15K

基波信号的频率为15K,  基波信号的传输时间=1/15K = 66.67us，传输一个完整的符号的最短时间为66.67us，即至少能传输一个完整的基波信号，可以传输N个谐波信号。

20M带宽时，1200子载波，经过一次快速傅里叶变换，生成一个OFDM符号，一个OFDM符号用2048个时域采样点来表达。

OFDM中包含的子载波越多，OFDM符号所需要的时域采样点的个数就越多。

采样率=2048 * 15K = 30.72M。

 

2.3 LTE的时频资源RE矩阵

（1）LTE基带信号的带宽：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽配置。

（2）无线资源的复用模式：频分复用FDD + 时分复用TDD

（3）“频分复用“”的最小复用单位：子载载波，一个符号周期内的一个子载波资源成为一个资源单元RE.

• 频率：就一个15K带宽的子载波，载波频率为n*15K, n=1,2,3....周期为1/15K = 66.67us/n，频率越高，周期越小，传输一个完整波形的时间越小，相同时间内，传输的完整的波形就越多。因此恢复波形所需要的采样点就越多。
• 时域-有效数据：一个符号符号的传输时间为66.7us，正好包含1....N个完整的载波的波形, 频率越高，包含的完整的波形的个数越多，N个波形称为一个符号symbol。
• 时域-CP：填充数据，是两个有效符号之间的空挡时间，是为了克服符号间的干扰（ISI）添加的。第0个OFDM符号CP长度约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度约为4.7us；
• 时域-RE:   每个RE传输与一个携带无效数据CP和一个携带有效数据的OFDM符号，平均时间为71.43us。
• 时域-时隙：7个带CP的符号的传输时间为0.5ms，为一个时隙。
• 时域-子帧：2个0.5ms的时隙，共14个符号构成一个子帧，一个子帧的传输时间为1ms。
• 时域-10ms系统帧：10个1ms的子帧，构成了10ms的系统帧。

（4）子载波个数： 子载波间隔=15K, OFDM子载波带宽=30K， SC-FDMA子载波宽度=15K，20M带宽时子载波的个数=1200。

（5）时频资源矩阵

由子载波和时间组合而成的二维的矩阵，矩阵中的每个单元是可以调制二进制比特的符号（子载波）。

• 频率维度：

1200个单元格，最小单元是单载波的RE, 也称为符号；每个子载波之间的间隔是15K, 子载波的个数取决与小区带宽。

20M带宽时，有1333子载波，有效子载波为1200，多余的子载波用于小区的保护。

• 时间维度：每个RE预留的传输时间为0.5ms/7=0.07ms（0.67us+CP时间），RE传输时间的时域采样点的个数与带宽成正比比。

（6）"时分复用"的最小复用单位：连续7个RE构成的一个时隙slot，15KHz子载波时，一个时隙的传输时间为0.5ms。

（7）无线资源最小的多用户复用单位：物理资源块PBR

1PRB = 12个子载波 * 7个连续时间的符号RE = 84个RE. 

频域上12个子载波，时域上7个符号的时间，构成一个物理资源块PRB。

无线资源的分配，是以单个PRB为最小单位的。

5M带宽情况下，  单个时隙有300%12   = 25PRB，   10ms内有  25 * 2slot * 10ms = 500个PRB.

10M带宽情况下，单个时隙有 600%12 =  50PRB，   10ms内有  50 * 2slot * 10ms = 1000个PRB.

20M带宽情况下，单个时隙有1200%12 = 100PRB， 10ms内有100 * 2slot * 10ms = 2000个PRB.

很显然，带宽越大，10ms帧包含的PRB就越多。

 

（8）PRB的速率

如果不计算开销，每一个资源块PRB应该能提供速率为：

16QAM:    4bits/符号 =》 4* 84  / 0.5ms =  672K

64QAM:    6bits/符号 =》 6* 84  / 0.5ms =  1.008M

256QAM:  6bits/符号 =》 8 * 84 / 0.5ms =  1.344M

 

（9）PRB的内容

在实际系统中，PRB中，不仅仅存放多个用户的数据，还存放小区公共数据。

移动通信中，对10ms帧内所有的二维的无线资源PRB进行功能的划分和结构化的管理，就构成了10ms的帧结构

10ms帧内所有的二维的无线资源PRB的功能进行分类，就得到了各种物理信道。

 

第3章 4G LTE的物理层帧结构

3.1 以太网帧结构

上图是熟悉的以太网的帧结构。以太网帧结构的特点：

• 帧结构：以太网的帧是没有时间信息，只有反应二进制比特数据关系的的结构化信息，反应了如何结构化的方式组织二进制比特。
• 完整性：通常在一个连续的时间内，处理完（发送和接收）一个完整、独立的以太网帧。
• 复用方式：在以太网中，物理层的传输资源是分时复用的，不同的用户分时复用底层的传输资源，但分时的时间间隔不是严格固定的。而是取决于以太网帧的长度信息。
• 调度方式：不同用户，采用公平竞争的方式获取物理层的传输资源，并通过载波侦听和冲突检测的方式解决不同用户何时使用共享的传输信道、以及解决冲突问题。

 

3.2 LTE无线帧结构的特点

• 帧结构：移动通信中的无线帧结构二维的结构，一维是可用的无线频率（频域）资源，另一维是时间（时域）资源。称之为时频资源。
• 完整性：通常在一段连续的时间内，由多个、离散时间组成的帧结构，比如10ms的基本帧，1ms的子帧。
• 多址复用方式：每个无线帧不归属于任何用户，同一个帧结构为多个用户同时共享。
• 双工复用方式：空口的无线资源为上下行复用。
• 调度方式：完全基站采用独裁的方式、进行统一调度，每个用户没有权利在未获得基站授权的情况下使用无线资源。
• LTE的帧结构与LTE的双工模式密切相关。

 

3.3 LTE的双工模式

双工模式是接收方向（上行）和发送方向（下行）共享无线资源。上行和下行，接收与发送是站在基站的角度来定义的，而不是手机。

LTE支持两种双工模式：TDD和FDD，于是LTE定义了两种帧结构：TDD帧结构和FDD帧结构。

FDD：是指使用不同的频率来区分上行与下行，上行与下行，在时间上是可以重叠的。因此，无线帧的结构不需要包含上行与下行的时间信息。

TDD: 是指使用相同的频率来发送和接收，并使用时间来区分上行和下行。上行与下行，在时间上是不能重叠。因此，无线帧的结构需要包含上行与下行的时间信息。

这就决定了LTE FDD和TDD具有不同的物理层的帧结构。

 

3.4 LTE FDD的帧结构

（1）10ms帧结构

LTE FDD类型的无线基本帧时间长为10ms，每帧含10个1ms的子帧，称为TTI, 每个TTI包含2个0.5ms的时隙，因此，一个10ms的基本帧，包含20个时隙。

很显然，LTE的帧是以时间为主线进行组织的。

LTE的时隙长度为0.5ms，LTE协议支持0.5ms的调度周期。

但在实际系统实现时，对0.5ms这一个调度的话，信令开销太大，对器件要求高。

一般调度周期设为一个子帧的长度（1ms），包括两个slot的时间长度，因此一个调度周期内，slot都是成对出现的。

 

3.5 LTE TDD的帧结构

（1）TDD 10ms帧结构

TDD帧结构中，同时包含上行与下行时隙，用于分时复用接收和发送数据。

（2）LTE的TDD帧结构和FDD相同的地方：

• 每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，
• 每个子帧包含2个0.5ms的时隙。

（3）LTE的TDD帧结构和FDD不相同的地方：

• 存在三种类型的子帧：上行子帧、下行子帧、特殊子帧
• 下行子帧=》上行子帧切换时，中间必须有一个特殊时隙进行过度。
• 上行子帧=》下行子帧切换时，中间无需有一个特殊时隙进行过度。

 

（4）上下行子帧的配比

D代表下行、S代表特殊时隙（也算下行），U代表上行。

 

（5）特殊子帧的构成

• DwPTS：下行导频时隙，长为75us
• GP：保护间隔，长为75us
• UpPTS：上行导频时隙，长为125us

通过特殊子帧，就可以从下行时隙顺利过度上行时隙。

 

（6）特殊子帧内部的配比

不同的特殊时隙DwPTS、GP、DwPTS的长度，在LTE-TDD帧中可配置，如下表所示。

TDD的一个子帧长度包括2个时隙，普通CP配置情况下，TDD的一个子帧长度是14个OFDM符号周期；

而在扩展CP配置情况下，TDD的一个子帧长度 为12个OFDM符号周期。

 

3.6 时隙Slot的构成

（1）普通模式时每个slot的构成

每个时隙slot，映射到1个无线资源块（PRB）上, PRB是分配无线资源的最小单元块，一个PRB=12*7=84个RE.

每个PRB包含7个时间上连续的OFDM/SC-FDM调制信号，每个调制信号也称之为一个OFDM/SC-FDM symbol或RE. 挼下图所示：

 

（2）普通模式时每个符号的构成

采样周期：LTE采用OFDM技术，子载波间隔为△f=15kHz，每个子载波为2048阶IFFT采样，则LTE采样周期Ts=1/（2048×15 000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

• 有效数据：每个时域调制信号由2048个采样点组成，约为66.7us。
• 填充数据：为了克服符号间的干扰（ISI），需要加入CP。CP长度与覆盖半径有关，要求的覆盖半径越大需要配置的CP长度就越长，但过长的CP也会导致系统开销太大。第0个OFDM符号CP长度为160Ts，约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts，约为4.7us；

在这种情况下， 0.5ms时间内，只能容纳7个符号； 或者说7个符号的传输时间为0.5ms。

 

（3）扩展模式时每个slot的构成

 

（4）扩展模式时每个符号的构成

• 有效数据：每个时域调制信号由2048个采样点组成, 约为66.7us。
• 填充数据：每个OFDM周期内有用CP时间长度为512Ts，约为16.7us。

在这种情况下， 0.5ms时间内，只能容纳6个符号； 或者说6个符号的传输时间为0.5ms。

 

第4章 5G NR的时频资源

4.1 5G NR的时频资源与4G LTE时频资源的比较

（1）相同点

• 从总体看，5G NR与LTE采用类似的，甚至说，几乎相同的时频资源的结构。
• NR中的一个frame的时间长度依然是10ms，包含10个subframe，其中每个subframe的时间为1ms。

（2）不同点

• 4G LTE的小区载波带宽最大为20M, 5G NR的载波带宽高达400M。
• 4G LTE的子载波的间隔为15K, 而5G NR的子载波的间隔15K, 30K, 60K, 120K, 且子载波的间隔与小区带宽相关。
• 4G LTE的一个不带CP的符号的时长固定为1/15KHz=0.67us, 而5G由于支持不同子载波间隔，不同的子载波间隔导致每个符号的时长不同，分别为：66.7us, 33us，16us，8us.
• 4G LTE的一个时隙slot，占用7个符号symbol，5G NR的一个时隙slot，占14个符号symbol，相当于LTE的子帧所占的时隙，实际上，5G改变了时隙slot的内涵，14个符号为1个时隙。
• 4G LTE的一个时隙时长共0.5ms，而5G由于支持不同子载波间隔，一个时隙的时长分别为：1ms, 0.5ms，0.25ms，0.125ms，这为5G支持更短的时间调度和更短的空口延时提供了技术上的保障。
• 4G LTE的一个1ms子帧，包含2个slot，5G NR 1ms子帧，包含的slot数，与子载波间隔相关，分布是：1, 2，4,  8个slot。

4.2 5G NR的基带载波带宽

很显然，5G NR支持的基带信号的带宽，不再是最大20M。基带信号的带宽与高频射频载波的频谱位置相关。

如果射频载波在FR1频段，基带信号的带宽为5M-100M；

如果射频载波在FR2频段，基带信号的带宽为50M-400M；

 

4.3 5G NR的子载波间隔

（1）子载波的间隔（SCS：SubCarrier Spacing）可变：

子载波间隔不再是固定的15KHz，可以是15KHz, 30KHz, 60KHz, 120KHz. 240KHz。

不同的子载波间隔，称为不同的numerologies，如下图所示

（2）子载波的间隔（SCS：SubCarrier Spacing）与基带信号带宽有关。

FR1:

• 带宽为5M时，子载波的间隔可以为：15K, 30K
• 带宽为10M-50M时，子载波的间隔可以为：15K, 30K, 60K
• 带宽为60M-100M时，子载波的间隔可以为：30K, 60K

FR2: 

• 带宽为60M-200M时，子载波的间隔可以为：60K, 120K
• 带宽为400MM时，子载波的间隔可以为：120K

 

4.4 5G NR的时隙slot时长与子载波间隔的关系

1/15KHz ： 1ms （14个符号）

1/30KHz： 0.5ms （14个符号）

1/60KHz： 0.25ms （14个符号）

1/120KHz：0.125ms （14个符号）

1/240KHz：0.0625ms （14个符号）

 

4.5 5G子载波间隔的应用

子载波间隔为：

15KHz、30KHz、120KHz可用于数据传输信道，也可以用于同步信道。

60KHz：只能用于同步信道

240KHz：只能用户数据信道。

 

4.6 子载波间隔（SCS，SubCarrier Spacing）对覆盖、时延、移动性、相噪的影响

• 覆盖：SCS越小，符号长度/CP越长，覆盖越好；
• 移动性：SCS越大，多普勒频移影响越小，性能越好；
• 时延：SCS越大，符号长度越短，时延越小；
• 相噪：SCS越大，相噪影响越小，性能越好。
• C-band建议子载波间隔30kHz，28GHz建议120kHz。

 

4.7 关于循环前缀CP

（1）什么是循环前缀CP:  双头蛇

多径时延扩展（最大传输时延和最小传输时延的差值），导致

• 符号间干扰ISI（Inter-Symbol Interference），严重影响数字信号的传输质量；
• 信道间干扰ICI（Inter-Channel Interference），OFDM系统下子载波的正交性被破坏，影响接收侧的解调。

引入CP解决ISI和ICI：

• 保护间隔减少ISI：在每个OFDM符号之间插入保护间隔，该保护间隔的时间长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展；
• 保护间隔内填入循环前缀CP减少ICI：将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内包含的波形的周期个数也是整数。

（2）循环前缀的时长：

 

第5章 5G NR的物理层帧结构

对于5G帧结构，由固定结构和灵活结构两部分组成。

 

5.1 固定结构

如上图，与LTE相同，10ms无线帧和1ms子帧的长度固定，从而允许更好的保持LTE与NR间共存。

这样的固定结构，利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。

 

5.2 灵活变化结构

不同的是，5G NR定义了灵活的子构架： 时隙和符号长度可根据子载波间隔灵活定义。

（1）每个slot包含14个符号， 这与LTE是不一样的。

（2）1ms子帧中，包含的slot的个数，随着子载波的间隔变化而变化。

（3）1ms子帧中包含的符号数，随着子载波的间隔变化而变化

15KHz： 14；

30KHz： 28；

60KHz： 56；

120KHz： 112；

240KHz： 224；

 

5.3 Mini-Slots的引入

5G NR一个slot包含14个Normal CP的符号或12个扩展的CP，其系统是按照slot来调度的，一个slot的时长根据子载波的宽度而定，分别为1ms，0.5ms，0.25ms，0.125ms.....

为了支持URLLC业务，进一步降低空口延时，5G NR中引入了mini slot的定义。

mini slot包含的符号数，是不确定的，可以定制。Mini-slot占用2, 4 or 7个 OFDM符号；

在特定场景下，可以支持非Slot的调度，基于mini slot进行调度，这是5G(NR)网络中的最小调度单位。当然，这需要终端的支持。

 

第6章 空间资源

为了在相同的时频资源上和载波频率上，能够传送更多的数据，采用了多天线技术MIMO。

在空间构成了一个相互不干扰的时频资源的“层”。每一层“时频”资源与前面讨论的是完全一样的。

不同的是，由于不同“层”至今的时频资源，共享的相同的高频载波，为了避免不同“层”的时频资源之间的相互干扰，需要采用预编码技术。

详见《图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/110871535

 

第7章 功率资源

7.1 功率的层次

功率资源是指基站的总功率，如何分配给不同的终端。

（1）单基站的总功率：取决于基站的电源。

（2）单小区的功率：

（3）单信道的功率：

（4）单PRB的功率：

（5）单RE的功率：

（6）单用户的功率：

 

7.2 功能控制的类型

（1）模拟功率

（2）数字功率

关于功率控制，后续章节再继续探讨。

 

第8章 码资源

在4G & 5G中，可以通过扰码区分不同的小区。扰码本身就是一个无线资源。

 

第x章 时频资源的功能划分

对10ms帧内所有的二维的无线资源PRB的功能进行分类，就得到了各种物理信道。后续章节再继续探讨。

简单的说，物理信道，就是对一群人和他们的时间进行分类，每个部门，就相当于一个信道，一个信道完成特定目标的任务。

有些部门，有些部门只负责财务、有些部门只负责生产、有些部门负责技术、有些部门负责战略，有些负责后勤，有些负责人力资源管理。

而有些部门，可以负责多件任务，还能为多个部门共享。