5G基本原理/5G NR的关键技术

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

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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。

图2 5G频域资源基本概念

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，采样时间计算公式为。

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）。