【5G NR】工作频段和信道安排

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前言

本篇以3GPP TS 38.104 Chapter 5 【Operating bands and channel arrangement】为基础介绍5G NR工作频段和信道安排相关内容，其中信道栅格和同步栅格是本篇的重点和难点。
本文参考文章 https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/118736654，因仅作为学习交流，无商用行为，部分描述直接引用该文章，如有侵权，请联系删除，谢谢！

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1. 工作频段

NR工作在两大频率范围（Frequency Range，FR）：FR1和FR2，如下表。FR1又称作Sub-6 GHz（6 GHz以下）频段，主要用于实现5G网络连续广覆盖、高速移动性场景下的用户体验，以及海量设备连接；FR2又称作毫米波频段，主要用于满足城市热点、郊区热点和室内场景等极高的用户体验速率和峰值容量需求 。

NR 频段划分：

注释：
结合上表中NR频段划分做一些补充说明：

• 由于上下行功率差异大、上行时隙配比不均等原因，上行覆盖受限成为NR在FR1的高频段部署的关键瓶颈，因此NR专门增加了低频的补充上行（Supplementary UpLink，SUL）频段，即只有上行频段而没有对应的下行频段，如n80 ~ n84、n86、n89。低频的SUL和高频相结合，可以充分利用低频的上行覆盖优势和高频的大带宽优势 [^2]。
• 和LTE类似，NR也新增了补充下行（Supplementary DownLink，SDL）频段，即只有下行频段而没有对应的上行频段。定义SDL的目的是为了与其他频段进行下行载波聚合 [^2]。
• 中国移动授权的5G室外覆盖的频率范围是2515 MHz ~ 2675 MHz（落在n41频段范围内），通常简称2.6 GHz频段；微基站覆盖（也可用于室分覆盖）的频率范围是4800 MHz ~ 4900 MHz，通常简称4.9 GHz频段。中国电信授权的5G频率范围是3400 MHz ~ 3500 MHz。中国联通授权的5G频率范围是3500 MHz ~ 3600 MHz。3400 MHz ~ 3600 MHz通常简称为3.5 GHz频段。

2. 信道带宽、传输带宽配置、保护带

2.1 信道带宽

信道带宽（Channel Bandwidth，CB）或者严格来说是基站信道带宽，是基站在上下行支持的单个射频载波的宽度，记作BW Channel，单位为MHz。NR支持5 MHz ~ 400 MHz的信道带宽。

与LTE不同的是，NR可以在同一个载波上支持不同的UE信道带宽，即部分带宽（Bandwidth Part，BWP），用于向与基站连接的UE发送或接收信号。可以在基站信道带宽的范围内灵活放置UE信道带宽，基站能够在载波资源块的任何位置发送或接收一个或多个UE的BWP，BWP应小于或者等于载波的资源块数。

3GPP规定了每个工作频段支持的信道带宽及子载波间隔。具体请参考38.104 Table 5.3.5-1和Table 5.3.5-2。

2.2 传输带宽配置

传输带宽配置（Transmission Bandwidth Configuration，TBC）是信道带宽内可用的最大资源块（Resource Block，RB）数。传输带宽配置和信道带宽及子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）有关。

FR1传输带宽配置:

FR2传输带宽配置:

传输带宽配置不仅定义了不同信道带宽和子载波间隔配置下最大可用RB数，还定义了不同配置下的最大频谱利用率（Spectrum Utilization）。频谱利用率为传输带宽所占用信道带宽占整个信道带宽的比例，即:

以FR1中信道带宽100 MHz，子载波间隔30 kHz为例（表第4行最后1列）。该信道带宽和子载波间隔配置下的最大频谱利用率为273 × 12 × 30 k H z / 100 M H z = 98.28 % 。

2.3 保护带

保护带（Guard Band，GB），顾名思义，用于抑制相邻信道泄漏，降低误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）。保护带位于信道带宽的边缘，不能用作传输。

信道带宽、传输带宽配置和保护带的关系如下图所示 ：

FR1和FR2中，不同信道带宽和子载波间隔下的最小保护带大小 :【或UE最小保护带宽】

另外，当SCS 240 kHz SS/PBCH块放置在信道带宽边缘时，最小保护带规定如下表所示 。

注释： 由于SS/PBCH块是UE接入小区所解调的第一个信号，传递的信息非常重要，设置较大的保护带可以避免SS/PBCH块受到邻近信道的干扰。

注释：
与LTE相比，NR的保护带有以下2个显著特点 ：

• 保护带占信道带宽的比例不是固定不变的：LTE中的保护带占信道带宽的比例固定为10%（1.4 MHz除外），而NR只规定了最小保护带，且两侧的最小保护带之和所占信道带宽的比例是2% ~ 21%（FR1）/5% ~ 7%（FR2）。
• 信道带宽两侧的保护带大小可以不一致，即所谓的asymmetric：这样的设计给NR部署带来了很大的灵活性，即可以根据相邻信道的干扰条件设置不同的保护带。如果NR与相邻信道的干扰较大，则可以设置较大的保护带以减少干扰；反之，则可以设置较小的保护带以提高频谱利用率。NR的频谱利用率最高可以达到98%（FR1）/ 95%（FR2），较LTE的90%有了显著提高。

当多个参数集（Numerology）复用在同一个OFDM符号上时，最小保护带的设置有一些特殊规定，详情请参考3GPP TS 38.104的5.3.3小节。

在多个参数集（Numerology) 在同一符号中复用的情况下，载波的最小保护带配置在紧挨着保护带发送/接收参数集的BS信道带宽两侧。

对于FR1，如果多个参数集在同一符号中复用，并且BS信道带宽大于50mhz，则邻近15khz SCS的最小保护带应与为30khz SCS定义的保护带相同。

对于FR2，如果多个参数集在同一符号中复用，并且BS信道带宽大于200 MHz，则则邻近60khz SCS的最小保护带应与为120khz SCS定义的保护带相同。

关于参数集（Numerology)的资料介绍，参考文献：https://zhuanlan.zhihu.com/p/647748760；
LTE的子载波间隔固定在15KHz或者7.5Khz，NR的子载波间隔相对而言更多了，NR子载波带宽以15KHz为基准，再以2的μ次方递增。其中μ是NR的参数集numerology，参数集具体如下所示 [38.211]

2.4 信道带宽、传输带宽配置与最小保护带之间的关系

通过观察上两表可以发现，去掉两侧的最小保护带后，剩余信道带宽所包含的子载波数比根据N RB 计算得到的子载波数（即N RB ×12）多了一个子载波。例如，当信道带宽为100 MHz、SCS=30 kHz时，N RB = 273，最小保护带为845 kHz。此时，去掉两侧的最小保护带后剩余信道带宽所包含的子载波数为( 100 × 1000 − 845 ∗ 2 ) / 30 = 3277 ，而根据N RB 计算得到的子载波数为273 × 12 = 3276 。这里多出1个子载波的原因是NR某些频带的开始频率和终止频率有时和信道栅格不一致，因此需要增加1个子载波以确保两侧的保护带大于或等于最小保护带的要求。

由此，我们可以得到信道带宽、传输带宽配置与最小保护带三者之间的关系，如下所示 ：

我们以信道带宽50 MHz，子载波间隔30 kHz为例。该信道带宽和子载波间隔配置下的最小保护带为( 50 × 1000 − 133 × 12 × 30 − 30 ) / 2 = 1045 kHz，与表5.3.3-1一致。

3. 信道安排

3.1 信道栅格

信道栅格（Channel Raster，CR），顾名思义，用于指示信道频域位置的栅格。信道栅格将频率范围栅格化，每个格点指示一个绝对的频率位置，而载波也就是信道的中心频率必须落在信道栅格上。

LTE中，对于所有频带，信道栅格粒度为100 kHz，并由E-UTRA绝对无线频率信道号（Absolute Radio Frequency Channel Number，EARFCN）指定。

NR中，由于NR支持更高的工作频段和更大的信道带宽，且支持不同的子载波间隔配置（即参数集），因此NR先是定义了全局频率栅格（Global Frequency Raster，GFR），并在此基础上又针对不同工作频段定义了信道栅格，以减小计算量 。

3.1.1 全局频率栅格

NR中，全局频率栅格定义了一组参考频率（Reference Frequency），用于识别信道、同步信号块（SSB）和其他元素（如Point A）的位置。全局频率栅格定义的频率范围为0 ~ 100 GHz，粒度为Δ F G l o b a l 。

参考频率由全局频率栅格上的NR绝对无线频率信道号（NR Absolute Radio Frequency Channel Number，NR-ARFCN）指定。NR-ARFCN也称作频点号 ，其范围为0 ~ 3279165。NR-ARFCN和RF参考频率的关系如下式所示:

全局频率栅格的NR-ARFCN参数 [1]（TS 38.104 Table 5.4.2.1-1）:

3.1.2 信道栅格

LTE下行方向的信道中心有一个未使用的子载波，即DC子载波，由于DC子载波不参与基带子载波的调制，因此LTE信道栅格上的参考频率正好是信道带宽的中心。而NR的DC子载波参与基带子载波的调制，从而导致NR信道栅格上的参考频率与信道带宽的中心频率之间偏移1/2个子载波。

3.1.3 每个工作频段适用的信道栅格

如上所述，3GPP在全局频率栅格的基础上，针对不同工作频段定义了信道栅格，规定了每个工作频段所适用的NR-ARFCN的范围和步长。FR1的每个工作频段适用的NR-ARFCN和FR2的每个工作频段适用的NR-ARFCN分别见下表。

表FR1的每个工作频段适用的NR-ARFCN（TS 38.104 Table 5.4.2.3-1）

表FR2的每个工作频段适用的NR-ARFCN（TS 38.104 Table 5.4.2.3-2）

如上表所示，NR定义了两类信道栅格：
基于100 kHz的信道栅格，主要集中在2.4 GHz以下频段。这样的设计主要是确保与LTE共存，因为LTE的信道栅格也是100 kHz。
基于SCS的信道栅格。这样的设计可以确保在载波聚合的时候，聚合的载波之间不需要预留保护带，从而提高频谱利用率。

3.2 同步栅格

同步栅格（Synchronization Raster，SR），顾名思义，用于指示同步信号块SSB的频率位置。NR中，当不存在SSB位置的显式信令的时候，UE可通过同步栅格获取SSB的频率位置。

LTE中并没有同步栅格的概念。或者更准确地说，LTE没有单独定义同步栅格。这是因为在LTE中，主同步参考信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步参考信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）都位于载波的中心。因此，可以通过信道栅格指示PSS和SSS的频率位置。

而在NR中，SSB不再总是位于载波的中心。因此，NR定义了同步栅格用于指示SSB的频率位置。为了实现更快速的小区搜索，同步栅格比信道栅格更加稀疏（Sparse），从而UE只需在更稀疏的同步栅格上搜索SSB，以达到降低初始接入搜索复杂度、降低接入时间、降低终端能耗的目的。

和信道栅格类似，NR先是定义了全局同步栅格（Global Synchronization Raster，GSR），并在此基础上又针对不同工作频段定义了同步栅格，以减小计算量。

3.2.1 全局同步栅格

注释

3.2.2 同步栅格

和信道栅格类似，同步栅格是全局同步栅格的子集，用于识别SSB的频率位置。每个工作频段适用一个范围和粒度不同的同步栅格，并对应全局同步栅格中的一部分SSB参考频率（由GSCN指定）。这样做的目的是为了减少计算量，进一步降低搜索复杂度。

简而言之，同步栅格是在全局同步栅格的基础上，根据工作频段对参考频率做了范围和步长的限制，指示了在该工作频段上SSB中心频点的可选位置。

那么同步栅格又是如何识别SSB频率位置的呢？3GPP定义了同步栅格上的SSB参考频率与对应的资源单元之间的映射关系，用于识别SSB频率位置，如下表3-6所示。该规则适用于上行和下行。

同步栅格到SSB RE的映射（TS 38.104 Table 5.4.3.2-1）

需要注意的是，k kk是SSB中的子载波索引。由于SSB在频域上占用240个连续的子载波，即20个PRB，因此同步栅格对应SSB中第11个PRB的第1个子载波（中心频率），如下图3-2所示。更确切地说，同步栅格上的参考频率对应的是SSB中第11个PRB上的第1个子载波的中心。

同步栅格示意图

3.2.3 每个工作频段适用的同步栅格

如上所述，3GPP在全局同步栅格的基础上，针对不同工作频段定义了同步栅格，规定了每个工作频段所适用的GSCN的范围和步长。FR1的每个工作频段适用的同步栅格（即GSCN）和FR2的每个工作频段适用的同步栅格分别见下表。

全局同步栅格的GSCN参数（FR1）（TS 38.104 Table 5.4.3.3-1）

全局同步栅格的GSCN参数（FR2）（TS 38.104 Table 5.4.3.3-2）

关于SSB图样（SS Block pattern），请参考： 【5G NR】SSB

注释：
有些工作频段给出了两个SSB图样，例如n5、n41等。这样设计的目的主要是为了兼顾最小信道带宽和SSB波束数量的平衡。例如n41频段，支持Case A（SCS=15 kHz）和Case C（30 kHz）两种图样。Case A可以支持较小的信道带宽，如5 MHz；而Case C可以支持高达8个SSB波束，因此波束增益较大。如果某个频段有两个SSB图样，则UE可以通过盲检的方式得到SSB图样。

有关同步栅格的例子和图示，请参考： 【5G NR】SSB

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4. 总结

信道/载波的中心频率服从信道栅格，SSB的中心频率服从同步栅格。