NR接入网概述

系列文章目录

第一章 NR物理层射频概述

---

---

前言

工作需要，我需要对5G物理层的相关标准做比较深入的学习和研究。在一段时间的学习之后，我发现3GPP的文档数量繁多，而且内容也比较枯燥乏味，个别标准晦涩难懂，同时标准文档之间还存在关联应用关系，非常不便与入门。因此，萌生了做个学习笔记的想法，一方面可以总结记录，另一方面也希望降低标准学习的门槛。因为我也是在学习中，因此会采用增量更新的形式做个呈现，如果存在错误的话，还请站内大佬批评指出，我会及时采纳改正。

---

一、NR物理层标准概述

首先，5G标准大致上可以划分为接入网和核心网两个部分，因为我本人的背景是在无线网络方面，因此我也更关注接入网的内容，这主要对应了3GPP TS 38系列的标准。为了方便学习和记录，我们将TS38系列标准先做个归纳和总结。
通过3GPP官方网站的信息，大致上TS38系列标准包含了四个工作组的标准，他们的分工和名称如下表所示。（实际按照3GPP网站公布的信息TSG RAN除去一个已经关闭的工作组，共有五个工作组）

工作组名称	内容概述	文本编号范围
射频层1物理层 RAN1(R1)	射频接口标准	38.200系列
射频层2&射频层3射频资源控制 RAN2(R2)	接入网高层标准	38.300系列
接入网架构和网络接口 RAN3(R3)	接入网架构	38.400系列
射频性能和协议 RAN4(R4)	射频相关定义	38.100系列及38.307

二、射频部分

正如大家所熟知的，NR定义了两个频率范围用于接入网的部署，如下表所示。

频率范围描述	频率范围
FR1	410MHz-7125MHz
FR2	24250MHz-52600MHz

当前实际系统的部署主要以FR1为主，因此博文的内容也会倾向在FR1中进行说明和举例。
具体的NR对FR1内的频谱还做了详细的划分，如下表所示。

频带	上行频率范围	下行频率范围	双工方式
n1	1920MHz-1980MHz	2110MHz-2170MHz	FDD
n2	1850MHz-1910MHz	1930MHz-1990MHz	FDD
n3	1710MHz-1785MHz	1805MHz-1880MHz	FDD
n5	824MHz-849MHz	869MHz-894MHz	FDD
n7	2500MHz-2570MHz	2620MHz-2690MHz	FDD
n8	880MHz-915MHz	925MHz-960MHz	FDD
n12	699MHz-716MHz	729MHz-746MHz	FDD
n20	832MHz-862MHz	791MHz-821MHz	FDD
n25	1850MHz-1915MHz	1930MHz-1995MHz	FDD
n28	703MHz-748MHz	758MHz-803MHz	FDD
n34	2010MHz-2025MHz	2010MHz-2025MHz	TDD
n38	2570MHz-2620MHz	2570MHz-2620MHz	TDD
n39	1880MHz-1920MHz	1880MHz-1920MHz	TDD
n40	2300MHz-2400MHz	2300MHz-2400MHz	TDD
n41	2496MHz-2690MHz	2496MHz-2690MHz	TDD
n50	1432MHz-1517MHz	1432MHz-1517MHz	TDD
n51	1427MHz-1432MHz	1427MHz-1432MHz	TDD
n66	1710MHz-1780MHz	2110MHz-2200MHz	FDD
n70	1695MHz-1710MHz	1995MHz-2020MHz	FDD
n71	663MHz-698MHz	617MHz-652MHz	FDD
n74	1427MHz-1470MHz	1475MHz-1518MHz	FDD
n75	N/A	1432MHz-1517MHz	SDL
n76	N/A	1427MHz-1432MHz	SDL
n77	3300MHz-4200MHz	3300MHz-4200MHz	TDD
n78	3300MHz-3800MHz	3300MHz-3800MHz	TDD
n79	4400MHz-5000MHz	4400MHz-5000MHz	TDD
n80	1710MHz-1785MHz	N/A	SUL
n81	880MHz-915MHz	N/A	SUL
n82	832MHz-862MHz	N/A	SUL
n83	703MHz-748MHz	N/A	SUL
n84	1920MHz-1980MHz	N/A	SUL
n86	1710MHz-1780MHz	N/A	SUL

从表格中，我们不难看出，5G系统并没有完全占用FR1的所有频谱，同时FR1中还包含了各种其他的业务。与此同时，通过查阅公开资料，我也总结了国内四大运营商的频段信息。

运营商	频谱	对应频带
中国移动	2515MHz-2615MHz	n41
中国移动	4800MHz-4900MHz	n79
中国联通	3500MHz-3600MHz	n78
中国电信	3400MHz-3500MHz	n78
中国广电	4900MHz-5000MHz	n79

另外3300MHz-3400MHz的n78频带资源被中国电信、中国联通和中国广电用于5G系统的室内覆盖。综合以上的描述，对于国内四大运营商而言，目前5G系统的部署主要应用于n41、n78、n79三个频带。因此，在后续的博文中也会倾向分析和说明这三个频带。

三、用户信道带宽

信道带宽、保护带宽、传输带宽配置的关系如下图所示。

从图中我们可以清晰地看出，信道带宽包含了频谱左右两侧的保护带宽（左右的保护带宽可能不相等），其中传输带宽配置以资源块的数量表示信道中资源块的最大数量，而传输带宽指的仅仅是传输时激活的资源块的带宽，它同样采用资源块的数量表示。
依据子载波间隔的和信道带宽的差异最大传输带宽的配置如下表所示。

子载波间隔\信道带宽	5MHz	10MHz	15MHz	20MHz	25MHz	30MHz	40MHz	50MHz	60MHz	80MHz	90MHz	100MHz
15kHz	25	52	79	106	133	160	216	270	N/A	N/A	N/A	N/A
30kHz	11	24	38	51	65	78	106	133	162	217	245	273
60kHz	N/A	11	18	24	31	38	51	65	79	107	121	135

从上表中我们不难看出信道带宽与传输带宽配置之间存在一定的关系，但是并不是完全的倍数关系，最小保护带宽的配置如下表所示。

子载波间隔\信道带宽	5MHz	10MHz	15MHz	20MHz	25MHz	30MHz	40MHz	50MHz	60MHz	80MHz	90MHz	100MHz
15kHz	242.5kHz	312.5kHz	382.5kHz	452.5kHz	522.5kHz	592.5kHz	552.5kHz	692.5kHz	N/A	N/A	N/A	N/A
30kHz	505kHz	665kHz	645kHz	805kHz	785kHz	945kHz	905kHz	1045kHz	825kHz	925kHz	885kHz	845kHz
60kHz	N/A	1010kHz	990kHz	1330kHz	1310kHz	1290kHz	1610kHz	1570kHz	1530kHz	1450kHz	1410kHz	1370kHz

上表中的最小保护带宽由以下的公式计算得出。
$$B{W}_{Guard}=(B{W}_{Channel}\times 1000(kHz)-N_{RB}\times SCS\times 12)/2-SCS/2$$

不同频带中用户信道带宽的支持情况如下表所示。（主要关注n41，n78和n79三个频带）

频带	子载波间隔	10MHz	15MHz	20MHz	40MHz	50MHz	60MHz	80MHz	90MHz	100MHz
n41	15kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	-	-	-	-
n41	30kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
n41	60kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
n78	15kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	-	-	-	-
n78	30kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
n78	60kHz	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
n79	15kHz	-	-	-	Yes	Yes	-	-	-	-
n79	30kHz	-	-	-	Yes	Yes	Yes	Yes	-	Yes
n79	60kHz	-	-	-	Yes	Yes	Yes	Yes	-	Yes

四、信道安排

1. 信道间隔

由于NR的信道带宽在FR1内最高能够支持高达100MHz，为了方便射频资源的调度，这些带宽需要严密地组织起来。
信道间隔主要指的是频带信号名义上的信道间隔，计算方法见下面的公式。
对于信道格栅为100k的频带
$$NominalChannelspacing=(B{W}_{Channel(1)}+B{W}_{Channel(2)})/2$$
对于信道格栅为15k的频带
$$NominalChannelspacing=(B{W}_{Channel(1)}+B{W}_{Channel(2)})/2+\{-5kHz,0kHz,5kHz\},\Delta F_{Raster}=15kHz$$
$$NominalChannelspacing=(B{W}_{Channel(1)}+B{W}_{Channel(2)})/2+\{-10kHz,0kHz,10kHz\},\Delta F_{Raster}=30kHz$$

2.信道格栅

全局信道格栅的范围为从0到100GHz，全局信道格栅的分辨率表示为下式。
$$\Delta F_{Global}$$

NR对频谱做了量化，定义了NR-ARFCN表示绝对频率，因此参考频率可由下式计算得出。
$$F_{REF}=F_{REF-Offs}+\Delta F_{Global}(N_{REF}-N_{REF-Offs})$$
参数可由下表给出

频率范围（MHz）	$$\Delta F_{Global}\text{(kHz)}$$	$$F_{REF-Offs}\text{(MHz)}$$	$$N_{REF-Offs}$$	$$\text{Range of}{N}_{REF}$$
0-3000	5	0	0	0-599999
3000-24250	15	3000	600000	600000-2016666

从上表中可以看出，NR将整个频谱分成了两段，采用不同的分辨率做了量化。直觉上来说，低频部分，信道带宽较窄，较高的分辨率可以更加灵活的调度上下行链路的频谱资源，同时不给接收机带来过高的复杂度，而对于高频部分，信道带宽较宽，较低的分辨率能够显著降低接收机的复杂度，同时保证灵活调度。
信道格栅与射频资源的映射关系如下表所示。

	$$N_{RB}mod2=0$$	$$N_{RB}mod2=1$$
RE $k$	0	6
物理层资源块$n_{PRB}$	$n_{PRB}=\lfloor \frac{N_{RB}}{2}\rfloor$	$n_{PRB}=\lfloor \frac{N_{RB}}{2}\rfloor$

从上表中不难看出频带信号的中心频率与基带信号的信道带宽对应的资源块相关，当系带信号带宽为偶数资源块时，中心资源块+1的0号载波与载频对齐，否则中心资源块的6号载波与载频对齐。

在具体的频带中，信道格栅会大于等于全局信道格格栅，在n41、n78、n79三个频带的情况如下表所示。

频带	$\Delta F_{Raster}(kHz)$	$N_{REF}$上行范围	$N_{REF}$上行范围
n41	15	499200–<3>–537999	499200–<3>–537999
n41	30	499200–<6>–537996	499200–<6>–537996
n78	15	620000–<1>–653333	620000–<1>–653333
n78	30	620000–<2>–653332	620000–<2>–653332
n79	15	693334–<1>–733333	693334–<1>–733333
n79	30	693334–<2>–733332	693334–<2>–733332

由上表可以看出，虽然n41、n78、n79分属不同频段，但是在信道安排上是趋同的。

3.同步格栅

同步格栅被用于UE在显示的同步块位置未被指出时的系统信息获取。它将频谱进行了粗粒度的量化，为的是降低接收机解调信号时的复杂度。与此同时，在不同频段内的量化间隔也会有所差异，如下表所示。

频率范围	SSB频率位置$S{S}_{REF}$	GSCN	GSCN范围
0-3000MHz	$N\times 1200kHz+M\times 50kHz,N=1:2499,M\in \{1,3,5\}$ (默认M=3)	$3N+(M-3)/2$	2-7498
3000-24250MHz	$3000MHz+N\times 1.44MHz,N=0:14756$	$7499+N$	7499-22255

从表中不难发现同步格栅的粒度相较于信道格栅会大很多，这是因为不同频率范围信道带宽和同步块在信道中的资源占用和所需求的数量决定的。更大的粒度意味着更小的同步复杂度。同时SSB的120号RE总是与GSCN所表示的中心频率对齐。
不同频带的同步格栅如下表所示，我们同样将重点放在n41、n78、n79三个频带里。

频带	SSB子载波间隔	SSB模式	GSCN范围
n41	15kHz	Case A	6246-<3>-6717
n41	30kHz	Case C	6252-<3>6714
n78	30kHz	Case C	7711-<1>-8051
n79	30kHz	Case C	8480-<16>-8880

由上表不难看出国内四大运营商在各自的频带上的SSB配置存在一定的差异，因此无论是在gNB侧还是UE侧的实现都会存在一定的差异。

---

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了NR系统的射频部分的内容，主要侧重国内四大运营商的相关频段的使用状态。以上内容主要来标准文稿和个人理解，如有偏差，还请讨论指正！