5G通信原理和构架
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('5G通信原理和构架第一章5G简介1.1从4G到5G4G网络从纯数据业务发展到支持VOLTE，逐渐了满足用户的需求，但是随着新的应用如无人驾驶，远程医疗的发展，4G网络不能满足当前最近技术的应用，特别是工业互联网对时延的要求，目前新应用对5G的呼声很高，5G也是中国制造2025的关键发力点。2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。9月9日中国联通以及中国电信签署合作协议，双方将双方划定区域，分区建设，各自负责划定区域内的5G网络建设相关工作。1.25G的关键指标5G网络七个关键指标（KPI）包括用户体验速率、连接数密度、端到端延时、移动性、流量密度、用户峰值速率、能源效率。1.移动性历代移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。5G的移动性指标主要是要求支持500km/h的移动速度。2.时延采用OTT或RTT来衡量，OTT是指发送端到接收端接收数据之间的间隔，RTT是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。在4G时代，网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。在5G时代，车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景，对时延提出了更高的要求，最低空口RTT时延要求达到了1ms。3.用户感知速率5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知1速率作为网络性能指标。用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。用户感知速率要求达到0.1Gbps。4.峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率，峰值速率要求达到10Gbps。5.连接数密度在5G时代存在大量物联网应用需求，网络要求具备超千亿设备连接能力。连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，一般不低于100万/平方公里。6.流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。5G支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。7.能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量，5G新型接入技术：低功率基站、D2D技术、流量均衡技术、移动中继。21.35G的三大场景ITU定义了5G三大应用场景：增强型移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)及低时延高可靠通信(uRLLC)。eMBB场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验，适用于高速率、大带宽的移动宽带业务。mMTC和uRLLC则主要面向物物连接的应用场景，其中eMTC主要满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景;uRLLC则基于其低时延和高可靠的特点，主要面向垂直行业的特殊应用需求。1.3.1eMBB增强型移动宽带eMBB(EnhancedMobileBroadband)，增强移动宽带。体现在用户侧表现为网速的提升。eMBB对应的是大流量移动宽带业务,场景包括随时随地的3D/超高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存储、高速移动上网等大流量移动宽带业务，在大带宽、低时延需求上具有一定优势，是三大场景最先实现商用的部分。在5GeMBB（增强移动宽带）场景上，Polar为信令信道编码方案，LDPC码为数据信道编码方案。其它两个5G场景的编码方案，目前还没确定。eMBB场景理想的峰值速率将达到20Gbps，各厂商在理想状态下均已达到。eMBB场景关键性指标：峰值速率：下行20Gbps上行10Gbps用户体验速率：下行100Mbps上行50Mbps频谱效率：下行30bit/s/Hz上行：10bit/s/Hz控制面时延：20ms用户面时延：4ms带宽：低频100MHz高频1GHz1.3.2eMTC大规模移动通信eMTC(MassiveMachineTypeCommunication，大规模机器通信）：侧重于人与物之3间的信息交互，主要场景包括车联网、智能物流、智能资产管理等，要求提供多连接的承载通道，实现万物互联，统称为物联网应用。mMTC场景的标准规范，将在5G标准R17版本中实现，预计2020年底发布。eMTC场景关键性指标：连接密度：100万/平方公里功耗：广阔地区分布的设备，要求续航10年，电表气表等一般设备2-5年续航能力。1.3.3uRLLC超高可靠低时延通信uRLLC(UltraReliable&LowLatencyCommunication，超高可靠低时延通信)：侧重于快速无误的通信，主要场景包括：远程控制，工业自动化，铁路等重点实时信息交互等。URLLC场景关键性指标：用户时延：1ms可靠性：用户面时延1ms内，传送32字节包的可靠性为1~10^(-5)。第二章5G网络构架5G网络架构和以前的几代网络类似，主要包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G接入网，5GC代表5G核心网(5GCoreNetwork)。它们之间的接口，就叫NG接口42.15G核心网(5GC)构架2.1.15G核心网的设计思想1、用户面与控制面分离，可独立扩展、演进、部署。2、模块化功能设计，实现灵活和有效的网络切片。3、流程（即网络功能之间的交互集）定义为服务，可重复使用。4、允许每个网络功能直接与其他NF（NetFunction）交互。5、AN和CN之间的接口集成了不同的接入类型，支持3GPP和非3GPP接入。6、支持统一的身份验证框架。7、支持“无状态”NF，其中“计算”资源与“存储”资源分离。8、支持网络能力对外开放（开放接口，非3GPP网络也可以接入）。9、支持并发接入到本地和集中服务。UP可部署在接入网络附近。10、支持漫游，包括归属路由区流量以及访问PLMN中的本地之外流量。2.1.2服务化构架SBASBA(ServiceBasedArchitecture:服务化构架)：将网络功能（NF）拆分，所有的NF通过接口接入到系统。服务化SBA的优点：1.负荷分担：相同功能的NF可多个接入网络，提供NFS（网络功能服务）。2.容灾：当某个NF存在故障，退网，由其他NF承担业务3.扩容、升级简单：独立NF的功能快速扩容，并且对单独的NF升级4.实现网络开放功能：NF实现了标准的接口，则多个设备厂家的不通过NF可用来构建某个NFS。SBA设计的目标是以软件服务重构核心网，实现核心网软件化、灵活化、开放化和智慧化。SBA的关键技术如下：1.交互：采用Request-Response、Subscribe-Notify模式交互。2.注册：5G核心网引入的新型网络功能NRF来实现的：NRF接收其它NF发来的5服务注册信息，维护NF实例的相关信息和支持的服务信息；NRF接收其它NF发来的NF发现请求，返回对应的NF示例信息。3.接口：传输层采用了TCP，在应用层采用HTTP/2.0[3]，在序列化协议方面采用了JSON，接口描述语言采用OpenAPI3.0，API的设计方式采RESTFul。2.1.35G网络切片网络比喻为交通系统，车辆是用户，道路是网络。随着车辆的增多，城市道路变得拥堵不堪，这时候出现了快车道，公交车道，人行道能概念，路那是那条路，但是人为的划分了每条道，并且每条道的车辆行驶速度不同。网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，灵活应对不同的eMBB、eMTC和uRLLC三大场景。NFV（NetworkFunctionVirtualization，网络功能虚拟化）：利用软硬件解耦及功能抽象，以虚拟化技术降低昂贵的设备成本费，根据业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离等步骤，让运营商可通过此极速将承载各种网络功能的通用硬件与云计算虚拟化技术相结合，实现网元虚拟化和虚拟网络可编程，简化网络升级的步骤和降低购买新专用网络硬件的成本，把网络技术重点放到部署新的网络软件上。SDN（SoftwareDefinedNetwork，软件定义网络）：将网络设备分离为单独的控制设备及转发设备，转发设备功能简单化，控制与转发间遵循标准的Openflow协议，从而实现控制层和转发层分离。这样网络管理者可在接口上开发应用软件，实现灵活的可编程，并结合流量监控，可动态调整数据平面的网元，使移动网络组成变得更加灵活，从而提高传送到消费者手机终端的下行传输速度。SDN解耦的是控制平面与数据平面；NFV主要是软硬件解耦，基于通用服务器和虚拟化技术，软件实现控制和处理功能、流量处理功能。两者虽不依赖，但共存互补对5G移动网络功能重组，提升网络弹性十分有效。SDU（serviceDataUnit）:服务数据单元，又叫业务数据单元，是指定层的用户服务6的数据集，传送到接收方的时候同一协议层时数据没有发生变化，即业务部分，然后发给下层之后，下层将其封装在PDU中发送出去。服务数据单元是从高层协议来的信息单元传送到低层协议。第N层服务数据单元SDU，和上一层的协议数据单元（PDU）是一一对应的。根据协议数据单元的数据的不同，送到接收端的指定层。PDU（Protocoldataunit）:协议数据单元：计算机网络各层对等实体间交换的单位信息，例如TCP层的PDU就是segment（分节）、应用层间交换的PDU则是applicationdata（应用数据）。SDU服务数据单元，对应于某个子层中没有被处理的数据。对于某个子层而言，进来的是SDU。PDU协议数据单元，对应于被该子层处理形成特定格式的数据。对于某个子层而言，出去的就是PDU。网络片由RAN部分和CN部分组成。网络切片的支持依赖于不同切片的流量由不同的PDU会话处理的原理。网络可以通过调度以及通过提供不同的L1/L2配置来实现不同的网络切片。如果已经由NAS提供，则UE使用RRC消息中提供用于网络片选择的辅助信息。虽然网络可以支持大量切片（数百个），但UE不需要同时支持多于8个切片。网络运营商根据服务等级协议（SLA：ServiceLevelAgreement）管理每个用户有资格使用的切片类型和业务。NSSAI（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation：网络片选择辅助信息）包括一个或多个S-NSSAI（单NSSAI）。每个网络片由S-NSSAI唯一标识。2.1.4SA和NSA5G网络架构分成了SA和NSA，R15版本分成了两个阶段，第一个阶段发布的是NSA，第二阶段发布的是SA，它们的部署是不相同的。SA即是Standalone独立组网，即一套全新的5G网络，包括全新的基站和核心网。NSA为非独立组网，使用现有的4G网络，进行改造、升级和增加一些5G设备，使网络可以让用户体验到5G的超高网速，又不浪费现有的设备。7SA选项2：全新的5G核心网和无线网gNB组网，优势是可以完全发挥出5G的各项性能，按照3GPP的标准推进。缺点就需要浩大的投资。SA选项5：和上面的选项2相比，在这个模式下，把原来的4G基站进行升级接入，它也属于独立组网。NSA选项3：在LTE双连接构架中，UE（用户终端）在连接态下可同时使用至少两个不同基站的无线资源(分为主站和从站)。5G基站可以通过4G基站接到4G核心网。但是4G基站必须升级为增强型4G基站。NSA选项3a：当运营商不愿意花钱升级4G基站，5G基站的用户面直接通4G核心网，控制面继续锚定4G基站。NSA选项3x：把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G基站。剩下的部分继续走4G基站。8NSA选项7系列：当把4G核心网更换为5G核心网，则3系列升级为7系列。NSA选项4系列：当5G作为锚定站时，且核心网使用5G核心网，则升级为4系列。4系列为用户面和数据面均走5G基站，4a系列为用户面走4G基站直达5G核心网，控制面板走5G基站到达核心网。2.25GCNF功能说明5G需要达到RTT为1毫秒级别的响应，需要达到每平方公里100万连接数的用户需求，决定了5GC不能在使用以往的MME+SGW的模式，5GC的主要关键技术包含：SBA（ServiceBasedArchitecture：基于服务式构架）、CUPS（ControlandUserPlanSeparation:控制面板和用户面分离）、NS(NetSlicing:网络切片)。92.2.1接入和移动性管理AMF功能AMF：CoreAccessandMobilityManagementFunction，负责控制面的移动性和接入管理,4G的MME包含接入、移动性管理、会话管理、安全性管理等功能，5G中将接入、移动性管理、安全性管理归属到AMF中，将会话管理归属到SMF中，5GRAN通过N2接口和AMF连接，UE则通过虚拟端口N1和AMF连接，多个AMF之间通过N14端口连接。AMF的单个实例中可以支持部分或全部AMF功能，无论网络功能的数量如何，UE和CN之间的每个接入网络只有一个NAS接口实例，实现NAS安全性和移动性管理的网络功能之一，即只有一个AMF为UE提供安全和移动性管理服务。AMF的3GPP服务功能：101.为RAN网络提供CP接口(N2接口)即控制面接入；2.为UE提供N1接口实现加密和完整性保护；3.为UE提供接入身份验证，接入授权，注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理；4.定位服务管理和移动事件通知；5.用于与EPS互通的EPS承载ID分配。6.为UE和SMF之间的SM消息提供透明代理和传输；7.为UE和SMSF之间提供SMS消息的传输；8.为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输；9.SEAF的安全锚功能；10.合法拦截（AMF事件和L1系统接口）AMF还支持安全策略的相关功能和非3GPP网络的某些功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中使用，支持使用部分或全部功能灵活部署。2.2.2会话管理功能SMFSMF：SessionManagermentFunction,负责会话管理，在4G中MME负责ESM会话管理，在5G中SMF独立处理，专门负责会话管理。5G的用户平面的功能是UPF,SMF通过N4接口和UPF连接控制会话管理，通过N11接口和AMF连接交互信息。SMF的功能说明：1.会话管理，维护UE和AN之间的通道，如会话的建立，修改，释放；2.UE的IPV4和V6地址分配（DPCHV4和V6功能）；3.响应IPV4ARP（AddressResolutionProtocol：地址解析协议）和IPV6的NDP（NeighborDiscoveryProtocol：邻居发现协议）的请求和流量转发；4.配置UPF的流量控制，将流量路由导到正确的目的地；5.提供到策略控制功能的路径；6.收费数据采集和计费接口提供；7.SM消息的SM部分处理；8.下行数据通知；9.AN特定SM信息的发起者，通过AMF通过N2发送到AN；1110.确定会话的SSC模式；11.合法拦截（SM事件和L1系统接口）SMF的单个实例中可以支持部分或全部SMF功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中得到支持。SMF还可以包括与安全策略相关的功能和漫游功能。2.2.3用户平面功能UPFUPF：UserPlanFunction,用户平面功能，在4G中用户面由S-GW和P-GW构成，在5G中UPF负责用户面的功能。UPF通过N3口和RAN连接，通过N4口和SMF连接，通过N6口和DN连接，UPF之间通过N9口连接。5G会话是基于PDU（PacketDataUnit:数据包单元）交互，PDU连接业务即UE和DN（DataNetwork,类似4G的PDN的概念，但是DN更侧重万物互联的概念，即以前PDN网络已经扩展到了每个终端均已通过IPV6地址接入网络，即每个终端都是外网的终端，则PDN网络扩展为DN网络。4G中APN的概念在5G中叫DNN）之间交换PDU数据包的业务；PDU连接业务通过UE发起PDU会话的建立来实现。一个PDU会话建立即建立了一条UE和DN的数据传输通道。UE可以建立多条通过不同的UPF连接到同一个DN的PDU会话连接，每条PDU会话对应的SMF也可以不同。每条PDU会话的服务SMF信息会登记在UDM中。UPF的功能说明：1.用于RAT(RadioAccessType)内和RAT间的移动性锚定点2.外部PDU和DN之间的会话点3.分组路由和转发4.数据包检查和合法拦截（UP面）5.UP面策略规则实施和Qos处理6.流量使用报告和上行链路流量验证7.上行链路和下行链路中的传输级分组标记8.下行数据包缓冲和下行数据通知触发UPF的单个实例中可以支持部分或全部UPF功能，并非所有UPF功能都需要在网络12切片的用户平面功能的实例中得到支持。一个会话中存在多个UPF时，则UPF和UPF之间通过N9口连接，中间的UPF充当中继UPF。2.2.4策略控制功能PCFPCF:PolicyControlFunction策略控制功能，类似4G的PCRF。PCF是5G的策略整体框架。1.AM策略：AMF在PCF中创建和管理与接入和移动性管理策略关联，其他NF通过该关联获取UE的接入和移动性管理相关的策略。2.Authorization策略：鉴权AF（ApplicationFuntion）请求，并且为已鉴权的AF绑定PDU会话创建策略。3.SM策略：SMF在PCF中创建和管理会话策略关联，其他NF通过该关联获取PDU会话的策略信息。4.BDT策略：来自开放网络的AF获取后台传输策略并且根据AF的选择更新后台传输。5.UE策略：NF在PCF中创建和管理UE的策略关联，其他NF通过该关联获取UE策略触发信息，PCF可以将该信息通过NAS信令发送给UE。6.EveryExposure策略：该策略使其他NF可以订阅和获取PCF事件。PCF策略控制管理不仅管了UE的策略，也管理其他NF之间的访问策略，它是5G的一个整体策略框架。2.2.5网络开放功能NEFNEF:NetworkExposureFunction,网络开放功能，5G网络基于服务化构架SBA，每个功能均是一个NF，当某个NF需要处理某些信息则需要调用其他NF的服务，NEF充当了重要的角色，它完成了NF的能力公开和事件公开，同时NEF也是和其他外部网络交互的重要枢纽。NEF的功能说明：1．NF的能力和事件公开2．外部网络到3GPP的信息交互和安全信息控制132.2.6网络存储库功能NRFNRF:NFRepositoryFunction，NF贮存功能，5G网络中NEF是完成了NF的能力和事件公开，但是NF实例的具体信息是通过NRF获取。NRF的功能：1.从NF实例接收NF发现请求，并将发现的NF实例（被发现）的信息提供给NF实例。2.维护可用NF实例及其支持服务的NF配置文件。2.2.7UDM,AUSF,AFUDM：UnifiedDataManagement,统一数据管理，生成3GPPAKA身份验证和用户识别。AUSF:AuthenticationServerFunction,身份验证服务器，支持3GPP和非3GPP的接入认证。AF:ApplicationFunction,应用服务，即将某些应用如腾讯QQ等应用直接归属到5G核心网中，当然也可以是其他服务，比如网络信号的MR分析等服务。2.35G接入网构架5G的接入网一般叫AN，即AccessNetwork,有时候会加上Radio，即无线接入网，则简写为RAN,接入网和核心网之间的接口为NG接口，故可以写成NG-RAN表示5G接入网。由于5G构架分为SA和NSA2种模式，在SA的情况下5G基站直接连接5G核心网相对比较简单，在NSA情况下5G基站需要和4G基站组成主从站的形式接入核心网。目前非独立组网均使用3X模式组网，即5G基站的用户面和控制面均和4G基站连接，5G基站用户面也直接和核心网连接，把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G基站。剩下的部分，继续走4G基站。NR:5G基站和UE之间的接口，即NewRadio,新无线。EN-DC：E为ENB（4G基站），N为EN-GNB（5G基站），DC为DualConnectivity即双连接，则EN-DC表示4/5G基站双连接模式组网，即UE分别和4G基站、5G基站连接。142.3.1NSA3X构架3X构架决定了使用4G的核心网，由4G基站承担控制面信息的中继交互，即对核心网侧，5G基站通过4G基站交互。用户面分别有4G和5G用户面承载。连接升级示意如下：LTE基站（eNB）作为主站（MN，MasterNode），5G基站（En-gNB，一般简写为gNB）作为从站（SN–SecondaryNode）。使用LTE核心网EPC。eNB和EPC通过S1（包括控制面S1-C和数据面S1-U）接口通信。eNB和En-gNB之间通过X2接口通信。En-gNB通过S1-U（只是数据面）和EPC通信。2.3.2NSA3X控制面协议说明EN-DC模式UE和主站，从站分别有各自的RRC连接，独立进行各自的资源管理。（RRM：RadioResourceManagement）。SRB介绍：SignalRadioBear，信令无线承载1.SRB0：LTE中CCCH上传输RRC信息，在RRC未建立时即RRC建立阶段使用2.SRB1：LTE建立完成RRC，DCCH上激活了SRB1，在SRB1上传输RRC信息3.SRB2：LTE完成安全模式激活，在DCCH上激活SRB2，在SRB2上传输NAS信息4.SRB3：5G从站决定是否建立SRB3。使用5GNR-RRC消息对SRB3进行配置。相关的NR-RRC消息是通过主站的RRC重配消息下发的，也就是主站LTE-RRC消息封装从站NR-RRC消息。SRB3建立后，SRB3可以用于直接向5GNR从站发送针对5G从站的RRC重配消息，重配完成消息和测量报告，相关操作不需要LTE主站协助。对于针15对5G基站RRC重配和重配完成，一定使用相同的SRB。也就是如果5GNR-RRC重配使用的是SRB1（说明从LTE主站下达），则对应RRC重配完成必须使用SRB1。对于测量报告，则不然，只要SRB3存在，UE一定用SRB3直接上报针对5GNR从站的测量报告，即使测量报告的配置是从主站下达的。RRCINACTIVE：RRC不活动状态，在这个状态下，RRC和NAS的上下文都会保留。对于UE，和RRC_IDLE类似，所以UE功耗很低，UE可以快速的从RRCINACTIVE状态迁移到RRCCONNECTED状态，因为上下文还在，所以不需要信令去建立上下文，减少了信令数量。物联网设备的特点就是连接数量庞大。频繁的RRC状态切换，会导致大量的信令开销。所以“RRCINACTIVE”主要目的是降低连接延迟，减少信令开销和功耗，来适应物联网场景。需要注意事项如下:1.UE只有面向主站的RRC状态。这意味着从站不能释放RRC连接，即不能使UE迁移到RRC_IDLE状态。UERRC连接的和上下文（Context）仍由主站管理和存储。2.初始连接的建立必须通过LTE主站，必须使用E-UTRAPDCP建立SRB1。其后主站SRB1和SRB2的配置可以通过E-UTRAPDCP或者NRPDCP进行。即SIB1的建立必须是主站建立，SRB1和SIB2的修改可以是主站，也可以是从站配置。3.UE可以建立SRB3，用于和从站（5GEn-gNB）直接进行RRCPDU传输。注意，只有不需要主站参与RRC重配（RRCreconfiguration）UE才会和5G基站直接传输RRCPDU。否则UE都需要和主站交互。如果UE移动过程中5G从站发生了变化（主站未变），UE通过SRB3直接上报相关测量报告到从站。164.支持splitSRB。即主站把RRCPDU副本发给5G基站，让5G基站帮忙传送该RRCPDU。这样可以提高消息传送的成功率。因NSA组网方式5G基站主要是热点覆盖来增强性能，所以距离上5G基站应该比4G基站离UE更近。RRC消息传送成功率应该更高。目前协议只支持主站副本，不支持从站副本。2.3.3NSA3X系统消息和测量系统消息：EN-DC除了radioframetiming（无线帧定时）和SFN，系统消息均由eNB广播。UE至少要从En-gNB的同步信号NR-PSS、NR-SSS和PBCH中捕获radioframetiming和SFN。测量：1.UE在连接5G从站之前，5G从站的测量报告发给LTE主站，主站转发从站，5G从站的RRC重配消息由LTE主站下达。2.无SRB3连接，UE在不同5G从站间移动，5G从站负责配置UE针对5G基站的测量，但是重配消息要通过LTE主站下达（从站把相关信息通过X2接口转发到主站，主站发RRC重配）。3.5G从站间的切换可以由LTE主站触发亦可由5G从站触发。对于5G从站触发的场景，即切换命令由5G从站下发，即5G从站和UE之间存在SRB3连接，则切换后测量配置和测量报告的处理都是由5G从站负责。4.如果存在SRB3，测量报告必须直接上报5G从站，UE用SRB3直接给5G从站发送测量报告。如果没有SRB3，则通过主站使用SRB1转发。5.主站触发的从站切换流程中，主站处理测量结果，测量结果由主站转发给目标从站。MN->targetSN。参考3734010.5节。6.从站触发的从站切换流程中，源从站处理测量结果，测量结果由源从站经由主站转发给目标从站。SourceSN->MN->targetSN。参考3734010.5节。2.3.4SA构架SA构架中使用5G的核心网，基站主要包括纯5G基站(gNB)和由4G升级的5G基站(ng-eNB)。17节点名称解释：NR：NewRadio，即5G新的空口技术；gNB：向UE提供NR用户面和控制面协议终端的节点（基站），并且经由NG接口连接到5GC。G表示nextGeneration，即下一代。en-gNB：4G核心网下的5G基站，主要是NSA模式下的5G基站，使用EN-DC的模式和核心网连接。ng-eNB：当组网模式为NSA4时，5G作为锚定站，4G通过5G基站接入核心网，提供4G服务，则成为ng-eNB，需要注意的是该基站提供4G信号服务。5GC：5G核心网NG接口就是无线接入网和5G核心网之间的接口，其中：NG-C：NG-RAN和5GC之间的控制面接口。NG-U：NG-RAN和5GC之间的用户面接口。Xn:5G核心网下的基站之间的接口，在4G中成为X2接口。2.3.5NG-RAN功能说明NG-RAN网络的功能主要涉及UE和核心网，主要功能如下图：18主要功能：1.无线接入控制，无线承载控制，移动性连接控制，在上行链路和下行链路中向UE的动态资源分配（调度）；2.IP报头压缩，加密和数据完整性保护；3.用户面和控制面的路由；4.当不能从UE提供的信息确定到AMF的路由时，在UE附着处选择AMF；5.调度和传输寻呼消息和系统广播信息；6.用于移动性和调度的测量和测量报告配置；7.上行链路中的传输级别数据包标记；8.会话管理，网络切片，QoS流量管理和映射到数据无线承载2.3.6NG-RAN接口2.3.6.1NG接口NG接口为RAN和5GC之间的接口，该接口为逻辑接口，即定义了这个结构实现的功能，具体实现的方式由各厂家自行决定和完成。NG接口分为NG-C接口（NG-RAN和5GC之间的控制面接口）和NG-U接口（NG-RAN和5GC之间的用户面接口）。任何一个NG-RAN节点和5GC可能存在多个NG-C逻辑接口。然后，通过NAS节点选择功能确定NG-C接口的选择。任何一个NG-RAN节点和5GC可能存在多个NG-U逻19辑接口。NG-U接口的选择在5GC内完成，并由AMF发信号通知NG-RAN节点。接口协议如下：NG-C：NG-U：2.3.6.2XN接口XN接口为NG-RAN内部接口，即gNB或eNB之间的接口，该接口为逻辑接口，具体实现由各厂家决定，逻辑接口的概念是即便2个设备之间无物理连接，也可以通过路由实现接口功能。XN接口分为XN-C和XN-U接口，分别对应控制面和用户面。具体协议层如下：XN-C:XN-U：XN-C的功能：1.切换准备功能:该功能允许在源NG-RAN节点和目标NG-RAN节点之间交换信息，以便启动某个UE到目标的切换。2.切换取消功能:该功能允许通知已准备好的目标NG-RAN节点，不会进行准备好的切换。它允许释放准备期间分配的资源。203.检索UE上下文功能:NG-RAN节点从另一个节点检索找回UE上下文。4.RAN寻呼功能：NG-RAN节点为处于非活动状态的UE启动寻呼。数据转发控制功能：源和目标NG-RAN节点之间建立和释放传输承载以进行数据转发。双连接功能：在NG-RAN中的辅助节点中使用附加资源。5.激活功能：通过在Xn接口上指示小区激活/停用来降低能耗。XN-U的功能：数据传输和流量控制。2.3.7NG-RAN网络层和协议5GRAN网络和4G存在区别，主要是用户面增加了SDAP层，控制面和4G区别不大。2.3.7.1NG-RAN网络层控制面：用户面：PHY：PhysicalLayer，物理层，目前一般是网线或者光纤完成传输，信号为二进制的电信号或者光信号。2.3.7.1.1MAC层说明MAC地址为识别网络节点的标识，通常有48位长。网卡的物理地址通常是由网卡生产厂家烧入网卡的EPROM(一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写)，它存储的是传输数据时真正赖以标识发出数据的电脑和接收数据的主机的地址.MAC地址公司前缀由IEEE统一管理，当同一个网络中存在相同MAC地址，则MAC冲突导致网络传输故障。21MAC层：MediaAccessControl,介质访问控制层，单个MAC实体可以支持多个数字，传输定时和小区。该层的示意图如下：1.逻辑信道和传输信道之间的映射、复用和解复用2.调度信息报告;3.HARQ进行纠错重传（在CA的情况下每个小区一个HARQ实体）;4.动态调度在UE间和UE内的逻辑信道的优先级;5.填充HARQ:混合自动重传,HARQ功能确保在物理层的对等实体之间的传递。当物理层未配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个HARQ进程支持一个TB，并且当物理层配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个HARQ进程支持一个或多个TB。2.3.7.1.1RLC层说明RLC:RadioLinkControl,无线链路控制层，层位于PDCP层和MAC层之间。它通过RLC通道（RLCchannel）与PDCP层通信，并通过逻辑信道与MAC层进行通信。RLC配置是逻辑信道级的配置，一个RLC实体（RLCentity）只对应一个UE的一个逻辑信道。RLC实体从PDCP层接收到的数据，或发往PDCP层的数据被称作RLCSDU（或PDCPPDU）。RLC实体从MAC层接收到的数据，或发往MAC层的数据被称作RLCPDU（或MAC22SDU）。RLC层分为AM,TM,UM3种模式。TM模式：TransparentMode，透明传输模式，只包含一个实体：发送与接收在同一个实体中。TM模式不对传入RLC的SDU做任何处理，直接透传。TM模式可以从BCCH，DL/ULCCCH和PCCH接收或者发送RLCPDU。UM模式：UnacknowledgedMode，非确认模式，UM发送实体为RLCSDU添加协议头；如果需要还对RLCSDU进行分割在更新协议头。UM模式可以从DTCH中接收或者发送RLCPDU，UM模式接收侧维护一个接收窗口。23UM接收实体时探测RLCSDU是否丢失，无丢弃重组RLCSDU并把RLCSDU传输给上层；丢弃无法重组为RLCSDU的UMDPDU。AM模式：AcknowledgedMode，确认模式，AM模式可以从DTCH和DCCH中接收或者发送RLCPDU。AM模式传输的数据PDU称为AMDPDU；控制PDU称为STATUSPDU。AM发送实体为RLCSDU添加协议头；如果需要还对RLCSDU进行分割，然后更新协议头。AM发送实体支持ARQ重传，当重传的RLCSDU大小与MAC指示的大小不符时，可以对RLCSDU进行分割或者重分割。AM模式发送侧和接收侧都维持一个窗口。AM接收实体：探测AMPDU是否重复接收并丢弃重复的AMPDU；检测丢失的AMPDU并请求重传；恢复RLCSDU并提交给上层。AM模式发送端优先级：ControlRLCPDU>重传PDU>普通PDU24RLC层功能说明：1.传输上层的PDU2.编号（与PDCP层编码独立）（UM与AM模式）3.通过ARQ纠错（AM模式）4.对RLCSDU进行分割（UM与AM模式）和重分割（AM模式重传时）5.重组RLCSDU（UM与AM模式）6.重复检测（根据编号进行，AM模式）7.RLCSDU丢弃（UM与AM模式）8.RLC层重建9.协议错误检测（AM模式）252.3.7.1.3PDCP层说明PDCP:PacketDataConvergenceProtocol,分组数据汇聚协议层，PDCP层为映射为DCCH和DTCH逻辑信道的无线承载提供传输服务。每个无线承载对应一个PDCP层实体，每个PDCP实体对应1个，2个，或者4个RLC实体（根据单向传输/双向传输，RB分割/不分割，RLC模式等确定）。如果RB不分割，则一个PDCP实体对应1个UMRLC（单向），或者2个UMRLC实体（双向各一个），或者1个AMRLC实体。如果RB分割，则一个PDCP实体对应2个UMRLC（单向），或者4个UMRLC实体（双向各一个），或者2个AMRLC实体。PDCP控制面/用户面通用功能：1.编号2.加密、解密和完整性保护3.传输数据4.重排序和重复检测5.PDCPPDU复制PDCP用户面附加功能：1.头压缩和解压缩（ROHC算法）2.PDCPPDU路由（当存在BearSplit时）3.PDCPSDU重传和丢弃4.PDCP重建、为RLCAM恢复数据2.3.7.1.4SDAP层说明SDAP：ServiceDataAdaptationProtocol，服务数据适配协议层，SDAP协议是为了保证5GQoS而设置的层，SDAP子层是通过RRC信令来配置。QoS:QualityofService，服务质量,当网络发生拥塞的时候，所有的数据流都有可能被丢弃；为满足用户对不同应用不同服务质量的要求，就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞26时甚至丢弃。QoS针对某种类别的数据流，可以为它赋予某个级别的传输优先级，来标识它的相对重要性，并使用设备所提供的各种优先级转发策略、拥塞避免等机制为这些数据流提供特殊的传输服务，增加了网络性能的可预知性，并能够有效地分配网络带宽，更加合理地利用网络资源。DRB:DataRadioBears，数据承载，用来承载用户面数据的承载。QoSflowtoDRBmappingrule：将一个QoS流的packet映射到哪条DRB上的规则，用于发送方向。ReflectiveQoSflowtoDRBmapping：UE监测下行的QoS流到DRB的映射规则，然后将其应用到上行方向上。QFI：QoSFlowID：QoS流IDRDI：ReflectiveQoSflowtoDRBmappingIndication：RQI：ReflectiveQoSIndicationSDAP子层负责将QoS流映射到对应的DRB上；一个或者多个QoS流可以映射到同一个DRB上，一个QoS流只能映射到一个DRB上。27RRC的SDAP配置：pdu-Session：PDU会话ID，表示这条DRB属于哪个PDU会话的，也就是说这个DRB是为哪个PDU会话建立的。sdap-HeaderDL：present表示配置，absent表示不配置，如果没有配置就相当于SDAP层不存在，PDCP后应用packet。sdap-HeaderUL：上行数据传输是否配置SDAP头，如果没有配置就相当于SDAP层不存在，packet直接扔给PDCP处理。defaultDRB：是否为这条PDU会话的默认DRB；一个PDU会话中的所有SDAP配置实例中，最多只能有一个默认DRB，可以没有默认DRB。28mappedQoS-FlowsToAdd：这是一个QFI列表，表示要再增加列表中的QoS流映射到这条DRB上；同一个PDU会话的所有SDAP配置实例中，一个QFI值只能出现一次，也就是说不能一条QoS流映射到多条DRB上。mappedQoS-FlowsToRelease：这是一个QFI列表，表示这些QoS流不能再映射到这条DRB上。从中可以看出，ngNB会为一个PDU会话的QoS规则为其建立1个或多个DRB，每个DRB负责承载1个或多个QoS数据流SDAP流程：上行数据传输:一个发送SDAP实体接收到一个来自上层QoS流的SDAPSDU时：1.如果这个SDU没有满足已存在的任何一条QoS流到DRB的映射规则，则将这个SDAPPDU映射到默认DRB，否则，映射这个SDU到满足映射规则的DRB上2.如果映射到的DRB配置了SDAPheader，则按照协议构造上行SDAPdataPDU,否则按照协议构造另外一种上行SDAPdataPDU。将构造好的上行SDAPdataPDU提交给下层（PDCP）下行数据传输：一个接受SDAP实体在收到来自下层的SDAPPDU时，如果这个SDAPPDU所在的DRB配置了SDAP头则反射QoS流到DRB的映射的处理在进行RQI处理，去除SDAPdataPDU的头，提取SDAPPDU；否则（未配置SDAP头）将提取出来的SDAPPDU递交给上层。2.3.7.2NG-RAN控制面板协议栈NG-RAN协议栈主要是指控制面协议，控制面主要包括RRC协议和NAS协议。292.3.7.2.1RRC协议RRC：RadioResourceControl，无线资源控制协议，理解为终端UE和网络相互沟通的共同语言。RRC的主要功能为广播与AS和NAS相关的系统信息;由5GC或NG-RAN发起的寻呼;建立，维持，释放UE与NG-RAN之间的RRC连接。RRC层的具体功能：1.发送AS和NAS的系统消息2.发送AS和NAS的寻呼信息3.建立、维持、释放RRC连接4.小区选择，重选、测量、切换等移动性管理5.无线承载建立、修改、释放等承载控制6.安全功能7.载波聚合添加、修改、删除等载波控制5GNR支持3种RRC状态，分别为：RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED。RRC_IDLE状态功能：1.PLMN的选择，2.系统广播，3.小区重选，4.寻呼RRC_CONNECTED状态功能：1.RRC建立和AS上下文，2.专用信道传输数据，3.测量和切换。4，RAN知道UE所在小区。RRC_INACTIVE状态表示RRC不活跃状态，状态功能如下：1.PLMN的选择302.系统广播3.小区重选（不可以切换）4.寻呼5.基于RAN的通知区域（RNA）由NG-RAN管理;6.UE存储AS上下文在RRCINACTIVE状态下，终端处于省电的“睡觉”状态，但它仍然保留部分RAN上下文（安全上下文，UE能力信息等），始终保持与网络连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRCINACTIVE状态转移到RRCCONNECTED状态，且减少信令数量。4/5G状态转换如下：（FFS为将来继续研究）2.3.7.2.2NAS协议NAS协议分为控制面和用户面，控制面终止于AMF，分为N1和N2接口，N1为UE和AMF之间的接口，N2位AN和AMF之间的接口。用户面终止于UPF，接口N3位AN和UPF之间的接口。31NAS协议分为NAS-MM和NAS-SM协议，具体功能如下：1.NAS-MM：负责注册管理、连接管理、用户面连接的激活和去激活操作，NAS消息的加密和完保。（AMF接口）2.NAS-SM：支持用户面PDU会话的建立、修改、释放；NAS-SM消息通过AMF传输，且其对AMF是透明的（也就是AMF负责透传SM消息、不对其进行解析处理）。(SMF)32N2-SM消息是NG-AP消息的一部分，这部分消息由AMF负责透传。从接入网的角度N2-SM消息终结于AMF。N1NAS信令的终结点为UE和AMF，UE和5GC间还有多个其它协议（SM、SMS、UEpolicy、LCS等），这都协议都是通过N1NAS-MM进行透传的。第三章5G底层3.15G物理层概念无线通信的空中接口是无线通信最重要的部分，5G空口叫NR（NewRadio）接口，分为L1层（物理层）、L2层（数据链路层）、L3层(RRC层)。33物理层即空中无线电波的传输层，媒介为无线信号，为L2的MAC层提供传输通道。物理层的主要功能：1.频率和时间同步;2.无线特性测量和对更高层的指示;3.编码传输信道与物理信道的速率匹配和信道映射4.物理信道的调制和解调;5.物理信道的功率加权、MIMO多天线处理、射频处理;6.FEC编码/解码传输信道;7.传输信道上的错误检测和对更高层的指示。3.2帧结构帧：Frama，无线通信从2G到4G都是通过帧的形式通信，一般是指从时域和频域2个维度衡量的资源单位，是数据链路层即L2的协议数据单元。帧分为帧头、数据部分、帧尾，数据部分包含网络传输的数据，帧头和帧尾放置控制信息。3.2.14G和5G的基本时间单位在LTE中基本时间单位：，LTE支持6种不同的传输带宽1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz，子载波间隔为15kHz，所以最大传输带宽20MHz共含有1200个子载波，其余带宽为保护间隔。这1200个子载波上分别承载着子序列信息，频域采样点数不能少于1200才可34以保证信息不会丢失，但在计算机系统里，2的幂次方方便计算，必须要2048点的IFFT才能生成OFDM符号。LTE子载波间隔是15kHz，所以OFDM符号长度是1/15000，符号长度除以2048采样点，得到的就是采样间隔，所以这个时间单位Ts就是LTE中OFDM符号的采样间隔，为32.55×10（-9）s。在5G中基本时间单位：，，最大子载波间隔为480khz，100MHZ的频域带宽包含RB数为273，一个RB包含12个子载波，即包含子载波3276个，所以使用4096的采样点，OFDM符号的采样间隔为5.086×10（-11）s。3.2.2帧结构的时域5G帧长为10ms，包含2个半帧，每个半帧包含5个子帧(SubFrame)，共计10个子帧，每个子帧的长度时1ms，帧编号从0开始。5G帧结构和LTE相同，为5G和4G的共存和灵活组合提供了条件，简化了小区搜索和频率测量。时隙长度因子载波间隔不同会有所不同，一般是随着子载波间隔变大，时隙长度变小。35当子载波间隔为15khz时，一个子帧包含一个时隙，即每个帧包含10个时隙，随着子间隔间隔的翻倍，每个时隙的长度减半，每个子帧包含的时隙数量翻倍。子载波间隔共15khz-480khz共计6种，每个子帧包含的子载波数量共计1-32共计6种，每个帧包含的子载波数量共计10-320共计6种。符号：无线电波的一个凸起，在常规CP下每个时隙包含14个符号，在扩展CP下每个时隙包含12个符号。由于时隙的长度不一样，即在不同的子载波间隔下符号的长度也不相同。36需要注意上图中当符号的长度减小一半时，循环前缀CP的长度也减小一半。3.2.3时隙结构在LTE中只支持上下行时隙配比，在5G中支持符号配比，即每个时隙中的符号也可以是上行，也可以是下行，协议规定了0-255一共256种格式，R15版本0-61已给出配置，62-255为预留态。相对LTE更加灵活。基站通过SIB1（SA）或者公共消息中的tdd-UL-DL-Configuration和tdd-UL-DL-configurationCommon2消息(NSA)，对UE进行初始slot配置广播。NR中时隙格式的配置方法包括：1半静态的Cell-Specific（小区级）时隙格式配置2半静态的UE-Specific（UE级）时隙格式配置3动态时隙格式配置（通过DCIFormat2_0调度，也称为SFI格式配置）其他可影响时隙格式的因素：1.DCI调度2.Semi-static半静态相关配置373.3频率5G频谱分为两个区域FR1和FR2，FR（FrequencyRange）即频率范围。FR1的频率范围是450MHz到6GHz，也叫Sub6G（低于6GHz），经常也会说5G部署在3.5G上。FR2的频率范围是24GHz到52GHz，这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的，也叫毫米波mmWave（严格来说大于30GHz才叫毫米波（10毫米波））。FR1的优点是频率低，绕射能力强，覆盖效果好，是当前5G的主用频谱，带宽范围为（5,10,15,20,25,30,40,50,60,80,100）MHZ。FR2的优点是超大带宽，频谱干净，干扰较小，作为5G后续的扩展频率。未来很多高速应用都会基于此段频谱实现，5G高达20Gbps的峰值速率也是基于FR2的超大带宽。带宽范围为（50,100,200,400）MHZ。385G上下行也存在FDD和TDD2种配置，LTE时FDD和TDD的帧结构是2个标准，在5G中只有一个标准，但是也支持FDD和TDD上下行的配置。目前武汉移动的NSA为TDD配置模式。目前我国仅对FR1中的频段进行了分配，其中中国移动：2515MHz-2675MHz共160MHz，频段号为n41，以及4800MHz-4900MHz共100MHz，频段号为n79；目前武汉移动的配置100M:2515`2615,60M:2515`2575中国电信：3400MHz-3500MHz共100MHz，频段号为n78；中国联通：3500MHz-3600MHz共100MHz，频段号为n78；目前中国移动LTED频段（2575-2635MHz）分为D1、D2、D3三个频点：1.D1频率范围为2575-2595MHz，中心频点为2585MHz，绝对频点号（EARFCN）37900；2.D2频率范围为2594.8-2614.8MHz，中心频点为2604.8MHz，绝对频点号（EARFCN）38098；3.D3频率范围为2614.6MHz-2634.6MHz，中心频点为2624.6MHz，绝对频点号（EARFCN）38298。4.D7频率范围为2634.4MHZ-2654.4MHZ，中心频点为2644.4MHZ,绝对频点号（EARFCN）从频率上看如果配置5G配置了60M带宽，则LTED1,D2,D3,D7均不需要退频，如果配置了100M，则D1,D2需要退频,D3,D7不需要退频。393.4物理资源5G的物理资源单位包含时域，频域和空域3个维度，前面已初步了解时域和频域的概念。天线端口：5G关键技术MassiveMIMO为大规模多天线技术，从LTE时代的1/2/4/8天线发展到64/128/256天线。信号发射从水平面发展到三维面发射。天线端口的特性：若在一个天线端口上传输的某一符号的信道的大尺度特性，可以从另一个天线端口上传输的某一符号的信道推知，则这两个天线端口被称为是准共定位（quasico-located，QCL）。大尺度特性包括一个或多个时延扩展，多普勒扩展，多普勒频移，平均增益，平均时延，空间Rx参数。资源块RB（ResourceBlock）：频域上连续个子载波。参考资源块RRB（ReferenceResourceBlock）：在频域上从0开始编号。参考资源块0的子载波0对于所有的子载波配置是公共的，也被称为“参考点A”，并且用作其他资源块格的公共参考点。参考点A从以下高层参数获得：1.PRB-index-DL-commonforaPCelldownlink2.PRB-index-UL-commonforaPCelluplink3.PRB-index-DL-DedicatedforanSCelldownlink4.PRB-index-UL-DedicatedforanSCelluplink5.PRB-index-SUL-commonforasupplementaryuplink公共资源块CRB（CommonResourceBlock）：在子载波间隔配置μ的频域上从0开始编号。子载波间隔配置μ下的公共资源块0的子载波0与“参考点A”一致。资源栅格：对于每个参数集和载波，资源栅格（Resourcegrid）定义为个子载波和个OFDM符号，起始公共资源块由高层信令指示。表示DL（downlink）或UL（uplink），在不会产生混淆时，下标可省略。每个天线端口p、每个子载波间隔配置μ以及每个传输方向（上行或下行），对应一个资源格。40上下行对应的最大最小RB数：这里需要注意5G的RB只有频域的概念，没有时域的概念，通常就是一个Symbol的长度。RB的DCI授权时，需要指定Symbol的数目。资源粒子：天线端口p和子载波间隔配置μ的资源格中的每个元素被称为资源粒子（resourceelement），并且由索引对唯一地标识，其中k是频域索引，l41是时域符号索引。资源粒子对应的复数值为。在不会产生混淆时，或在没有指定某一天线端口或子载波间隔时，索引p和μ可以省略，表示为。一个资源元素（RE）分为4类：‘uplink’,‘downlink’,‘flexible’,or‘reserved’。如果RE被配置为‘reserved’，UE不应在上行链路中对该RE发送任何内容，也不对下行链路中的RE内容作出任何假设。BWP（BandwidthPart）：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。NR在调度上和LTE不一样，LTE按照每个tti来调度，NR调度引入了BWP：BandwidthPart，即一部分带宽。也用BandwidthAdaptation指代这个技术，即带宽自适应变化。在LTE中，UE的带宽跟系统的带宽保持一致，解码MIB信息配置带宽后便保持不变。在NR中，UE的带宽可以动态的变化。如下图为例来解释BWP：T1时刻，UE的业务量较大，系统给UE配置一个大带宽（BWP1）；T2时刻，UE的业务42量较小，系统给UE配置了一个小带宽（BWP2），满足基本的通信需求即可；T3时刻，系统发现BWP1所在带宽内有大范围频率选择性衰落，或者BWP1所在频率范围内资源较为紧缺，于是给UE配置了一个新的带宽（BWP3）。UE在对应的BWP内只需要采用对应BWP的中心频点和采样率即可。而且，每个BWP不仅仅是频点和带宽不一样，每个BWP可以对应不同的配置。比如，每个BWP的子载波间隔，CP类型，SSB（PSS/SSSPBCHBlock）周期等都可以差异化配置，以适应不同的业务。UE可以在下行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个DLBWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外接收PDSCH，PDCCH，CSI-RS或TRS。UE可以在上行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个ULBWP处于激活状态。如果UE配置有辅助（supplementary）上行链路，则UE可以在辅助上行链路中另外配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个辅助ULBWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外传输PUSCH或PUCCH。在NRFDD系统中，一个UE最多可以配置4个DLBWP和4个ULBWP。在NRTDD系统中，一个UE最多配置4个BWPPair。BWPPair是指DLBWPID和ULBWPID相同，并且DLBWP和ULBWP的中心频点一样，但是带宽和子载波间隔可以不一致。BWP分类：InitialBWP:用于UE接入前的信息接收，主要是用于接收SIB和RA相关信息，一般在Idle态时使用。FirstActiveBWP:第一个UE专有BWP，UE可在这个BWP上进行数据的收发和PDCCH检索。defaultBWP:UE专有BWP，协议提供了参数defaultDownlinkBWP-Id来给UE配置一个默认的DLBWP，如果高层没有配置这个参数，则UE认为initialDLBWP就是默认的DLBWP。在激活了某个DLBWP时，启动该定时器，定时器超时后，跳转到defaultDownlinkBWP，如果没有配置defaultDownlinkBWP，则跳转到initialDownlinkBWP。BWP最基本的配置信息包括：1.locationAndBandwidth：通过RIV的形式来指示BWP的PRB起始位置和占用的PRB个数。432.SCS(subcarrierspacing)。3.5编码和速率匹配在计算机网络或者无线网络传输中，总会存在各种干扰，导致数据无法解调，如果不通过方法克服，则重传率会大大增加，编码的目的就是通过各种方法，让传输错误的数据可以解调，如16个1重复3次编码成48个1，则第一次错了，通过后面2次的对比可以获得正确的数据，避免重传。同时编码必然带来编码效率的问题，即资源浪费的问题，则必须要考虑干扰的严重情况，明显计算机有线传输的误码几率要大大小于无线传输的误码几率，则对应相同的误码率要求情况下，计算机网络传输可以采用编码率更高的编码方式，无线传输采用编码率更低的编码方式。随着通信的发展，在4G时采用的是Turbo编码，在5G中业务信道使用LDPC编码，控制信道使用Polar编码。Turbo编码:Turbo编码是法国电信研究院在1993年提出，1996年被IMT2000确定为3G的编码标准，一直延续到4G均使用其编码。仿真结果表明码率为1/2的Turbo码在达到误比特率（BER)≤10−5时，Eb/N0仅为约0.7dB（这种情况下达到信道容量的理想Eb/N0值为0db），远远超过了其他的编码方式。44LDPC编码：LDPC:LowDensityParityCheckCodes，低密度奇偶校验码,美国人Gallager1963年在麻省理工（MIT）博士毕业论文提出，由于当时计算机计算能力不行，一直得不到应用。需要注意的是虽然目前高通主推LDPC，华为主推Polar，但是这2个编码方式均不属于2个厂家，他们做的是编码的实施，如编码矩阵等等。Polar编码：极化编码，土耳其人Arikan2008年在国际信息论大会上提出，华为2010年开始Polar码的研究。Arikan的博士论文导师是Gallager，5G的编码方式之争某种意义上说是师徒之战，弟子不必不如师。3种编码方式的对比:信道编码类型理论来源距离香农极限码率纠错能力扩展性延时编译码复杂度LDPCGallager0.0045db任意码率连续的突发差错对译码的影响不大，编码本身就具有抗突发错误的特性只有检错和纠错能力需要在码长比较长的情况才能充分体现性能上的优势，所以编码时延也比较大复杂度低TURBOBerrou0.7db多码率最低，在5g标准投票中已被淘汰只有检错和纠错能力依靠反复迭代进行译码，延时较大复杂度高PolarArkan可达多码率不具备纠错能力，但理论上可极化出绝对干净的信道无，需要结合循环冗余码、奇偶校验码等实现检错和纠错低延时复杂度较高，干净信道选择方法有待优化和发掘目前3GPP只是规定了EMBB的编码方式，在数据信道（长码）之争时，Turbo、LDPC、Polar3个选项绝大多数厂家均支持LDPC，最终LDPC被确定为长码的编码方式，在控制信道TBCC（咬尾卷积编码）和Polar之争中Polar获胜，被确定为控制信道的编码方式。45速率匹配：RateMatching，信道编码后信道速率和物理层资源速率不匹配，需要做速率匹配，完成信道数据对物理层数据的映射。3.6信道信道分为逻辑信道、传输信道、物理信道，逻辑信道是RLC层和MAC之间的信息交互点，传输信道是MAC层和物理层之间的信息交互点，物理信道是空口即ENB和UE之间的信息交互点。逻辑信道数据经过MAC层处理后映射到传输信道，传输信道经过物理层处理后映射到物理信道。回顾下LTE的信道映射图：3.6.1调制介绍数字信号：通信使用的信息一般用二进制数字来描述，二进制数字即数字信号。模拟信号：电信号或者光信号，以电平或者光强的大小来模拟的有规律的信号。46A/D转换器（DigitaltoDataConverter:ADC）：将模拟信号转换为数字信号。D/A转换器：将数字信号转换为模拟信号。基带信号：基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。在通信中即二进制转换后的模拟电信号或者光信号，一般在基站侧为电信号，在传输侧为光信号。（光纤接光电转换器转成电信号输送到基站侧）。调制：将模拟信号调制为具有某些特性，并且适合无线传输的信号，一般分为2次调制的过程，第一次调制为增加特性，第二次调制则将低频信号通过振荡电路调制为适合无线传输的高频信号。第一次调制（数字调制）：首先完成加扰，加扰的目的有2个，第一个是避免出现长连续的0或者1，长连续的0或者1容易使信号失真，不容易解调。这个目的完全是为了便于信号解调，第二个是为了加上小区特性，在LTE中加扰是和PCI相关的，通过加扰来区别小区信号。完成加扰后的信号通过QPSK、16QAM、256QAM等调制方式将数字信号调制，完成后在层映射，即在信号上加入层的信息，完成天线端口映射，在信号上加上天线端口的信息。第二次调制（模拟调制）：通过振荡电路将低频电信号调制为适合无线传输的高频信号。高频信号的调制和网络部署频率相关，如将低频电信号调制到3.5GHZ或者调制到毫米波上。3.6.2预编码、码本矩阵、非码本矩阵在LTE和5G通信中，每个子载波均为一个信道，使用了MIMO技术后则每个天线端口的每个子载波均为一个信道，22发射则原来的一个子载波信道扩展成了2个子载波信道。增加系统容量，提升吞吐率，从理论上来看,多天线的空分复用能成倍增加系统容量。但实际上并非如此,如，22MIMO的容量C（容量）小于两倍的SISO容量，因为容量增加必然带来干扰增大，干扰主要是由于信道矩阵中信道的相关性造成的，为了消除信道相关性造成影响，需要在接收端对H进行评估，并做线性均衡，最大化MIMO信道矩阵H的容量。预编码（Precoding）：为了获取更高的MIMO容量，接收机侧需要对MIMO的发射矩阵H中的每个信道都进行均衡处理，消除信道间的影响，这样增加接收机的实现复杂度和增加系统开销。另一个是，若通过增加天线空间来消除信道间的影响，但天线近处的杂散环境使实现难度增加。于是提出了通过技术改进解决，通过改变发射机的发射方47式，对发射信号进行预处理，辅助接收机消除信道间的影响，这种发射方式的改变就是通过预编码实现的。码本矩阵：（Codebook）:在预编码的过程中使用的编码方式，由于预编码时对多个信道预编码，则编码方式也是对应多个信道，则多个编码方式构成了码本矩阵。3GPP定义了一系列码本矩阵V，eNodeB和ue侧均可获得，应用时根据PMI选择一个可以使信道矩阵H容量最大的V。预编码实际上就是在发射端对发射信号S乘以V。非码本矩阵：非码本预编码利用了信道的互易性特性，eNodeB根据上行发送信号获得上行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在TDD系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销，有利于eNodeB灵活选取预编码矩阵。非码本方式的预编码矩阵的选择取决于eNodeB的具体实现算法，不需要通过下行控制信令通知所用的预编码矩阵。为了使UE能够进行相干解调，需要发送专用导频使UE估计预编码后的等效信道。专用导频也经过了与业务数据相同的预编码处理。3.6.3逻辑信道逻辑信道关注的是传输什么内容（广播、寻呼、业务），什么类别的信息（控制、业务）。根据类型分为：控制消息（控制平面的信令，如广播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。逻辑信道是RLC传到MAC层的SAP（ServiceAccessPoint:服务接入点）。5G的逻辑信道:48BCCH:广播控制信道，承载广播信息，即系统消息的承载。PCCH：传输控制信道，承载寻呼信息CCCH：公共控制信道，这个信道和专用控制信道的区别是公共控制信道属于整个小区，在公共控制中使用，不需要专门分配给某个UE，UE可以通过抢占的形式使用。DCCH：专用控制信道，小区专门分配给UE的控制信道，属于某个UE，UE通过该信道和小区交互，存在资源分配的过程。DTCH：专用业务信道，分为上行和下行，承载上下行业务。3.6.4传输信道逻辑信道的数据经过MAC层处理后，由对应的传输信道传输到物理层，某些由MAC层提供的服务数据也会经过传输信道传输到物理层。即逻辑信道必然有对应的传输信道，但是传输信道不一定有对应的逻辑信道。49BCH：广播信道，承载BCCH的广播，需要注意BCCH部分内容还映射到DL-SCH。DL-SCH：下行共享信道，承载下行业务和控制信息。CCCH、DCCH、DTCH和部分的BCCH内容均映射到该信道。PCH：寻呼信道，PCCH映射到该传输信道。UL-SCH：上行共享信道，承载上行业务和控制信息。CCCH、DCCH、DTCH均映射到该信道。RACH：随机接入信道，MAC层随机接入的信息映射到该传输信道。3.6.5上行物理信道和物理信号5G的上行链路和LTE类似，包含信道：PRACH、PUCCH、PUSCH，信号：DM-RS、PT-RS、SRS，信道映射如下：503.6.5.1上行物理信号1.DM-RS：DemodulationReferenceSignal,解调参考信号，用于对PUCCH和PUSCH信道解调，伴随PUCCH和PUSCH信道传输。2.PT-RS：PhaseTrackingReferenceSignal,相位跟踪参考信号，用于校正由于晶振相位误差引起的干扰，伴随PUSCH传输。3.SRS：SoundingReferenceSignal,探测参考信号，用于上行信道质量评估，便于后期分配上行信道，独立传输。UE可以配置多个SRS组，不同的SRS组可以同时传输。3.6.5.2PUSCH信道PUSCH：PhysicalUplinkSharedChannel，物理上行共享信道，主要承担上行业务，上行CCCH（公共控制信道）、DCCH（专用控制信道）。DTCH（专用业务信道）映射到UL-SCH（上行共享信道，属于传输信道），UL-SCH信道映射到该物理信道。从信道映射上看，PUSCH承载公共控制信息、专用控制信息、专用业务信息的传输。下图是PSUCH的信道编码过程：511.TB：TransportBlock，传输块，从MAC层传输过来的信息块，包含CCCH、DCCH、DTCH信息的传输块。当前为二进制数字格式。2.CRC：CyclicRedundancyCheck,循环冗余检校，即在原二进制文件上添加检校位，便于接收端检校是否存在传输错误，一般为二次CRC（先分段，在每段上加CRC，在合并，整体加CRC）。5G的CRC包括6,11,16,24A，24B，24C。（数字表示增加的CRC比特位）。3.编码：PUSCH是业务信道，采用LDPC编码，分为Graph1和Graph2选项。大包使用Graph1，小包使用Graph2。4.加扰：加扰的目的主要在于将干扰信号随机化，在发送端用小区专用扰码序列进行加扰，接收端再进行解扰，只有本小区内的UE才能根据本小区的ID形成的小区专用扰码序列对接收到得本小区内的信息进行解扰，这样可以在一定程度上减小临小区间的干扰，一般使用SI-RNTI加扰。5.调制：采用QPSK、16QAM、64QAM、256QAM的方式调制，调制出的是数字的复制符号，即Symbol。当采用传输预编码时，还可以使用BPSK的调制方式。采用传输预编码即使用DFT-S-OFDM,由RRC层参数和DCI指示，主要目的是为了降低PAPR。6.层映射：首先需要理解码字的概念，4/5G均属于码分通信，即同一个频率上通过码分的概念可以形成多个通道，传输多个TB块，那么同一个频率上传输的2个传输块即表示支持2个码字传输。4个传输块表示支持4个码字传输。但是码字的数量和天线的端口数不一致，需要引入层的概念，如计划使用4个天线端口传输，则需要有4层，并且通过速率匹配将4个码字映射到4个层，在数据上加上层标识。层的数量小于或等于传输天线端口数量。层的数量又用秩RI来表示。527.传输预编码：即采用ODFM或者DFT-OFDM方式将层映射后的数据映射到并行的多流数据上，便于后期映射到子载波上。8.预编码：基于码本或者基于非码本的预编码技术，用于构建信道矩阵数据。9.VBR/PRB映射：将数据映射到载波上。3.6.5.3PUCCH信道PUCCH:PhysicalUplinkControlChannel,物理上行控制信道,用于承载UE到GNB的UCI控制信息，包括CSI（PMI/RI/CQI），ACK/NACK，SR等信息，长格式的PUCCH需要传输预编码；PUCCH信道的编码格式根据UCI的长度。PUCCH的格式：伴随PUCCH的DM-RS和PUCCH时域或者频域复用：53当有UL-SCH传输块需要传输或者无传输快需要传输却触发了CSI传输，PUSCH和UCI会同时发生，则UCI可以复用到PUSCH信道。承载1-2比特的ACK/NACKUCI采用PUSCH减码的方式复用，其他情况则采用速率适配复用。3.6.5.4PRACH信道PRACH:PhysicalRandomAccessChannel,物理随机接入信道，传输信道RACH映射到该信道。用于UE接入网络。LTE系统中使用Zaddof-Chu（ZC）序列作为PRACH信道的上行同步序列；也称为PRACHPreamble（前导码）。LTE支持两种长度的ZC序列，根据根索引序列，通过循环移位生成多个序列。分别支持长度为839或者139的ZC长度序列。NR中的PRACH信道沿用了LTE的ZC序列设计。在LTE中叫Nzc，在NR中成为Lra,名称不同，意义相同。在UE静止或者低速移动场景下，不考虑多普勒频移时，循环移位的使用没有限制（循环移位配置和覆盖半径关系是另一回事）。即UE根据小区下发的高层参数zeroCorrelationZoneConfig，即一共64个随机接入Preamble。对于一个根序列，经过循环移位后生成的Preamble个数为Lra，当Lra小于64时，根索引序号+1后，继续通过循环移位生成Preamble，直到满足64个Preamble。当循环移位配置为0时，直接通过根索引递增的方式，生成64个Preamble。54在UE高速移动场景下，由于多普勒频移效应，频偏会导致基站在检测PRACH信道时，时域上出现额外的相关峰。伪相关峰会影响基站对PRACH的检测，因此在UE高速移动场景下，针对不同根索引序列，要限制使用某些循环移位，来规避这个问题。因此LTEPRACH的循环移位，支持限制集配置。配置限制集后循环移位集合的计算变得复杂一些。从应用场景上看，通常认为LTE支持UE移动速度可以达到350km/h，而NR则要求支持UE移动速度达到500km/h。LTE和NR中，PRACH信道都支持非限制集，限制集A和限制集B配置。NR的限制集B可以支持更高的高速场景，所能支持的循环移位个数更少。3.6.5.4.1839长度的ZC序列NR支持4种长度为839的Preamble的PRACH格式（PRACHFormat0/1/2/3），子载波间隔{1.25,5}kHz。支持非限制集，限制集A，限制集B。K为时间系数单位，值为64，其中Ts=kTc，Tc为NR的最小时间单位，Ts为LTE的最小时间单位。PRACHFormat0：沿用了LTEFormat0的时域设计，时长1ms，其中CP，Sequence，GAP长度和保持LTEFormat0一致。GAP支持的最大覆盖距离14.53km，Format0用于普通覆盖场景。PRACHFormat1：沿用了LTEFormat3时域设计，时长3ms，其中55CP，Sequence，GAP长度和保持LTEFormat3一致。GAP支持的最大覆盖距离107km，Format1用于超远距离覆盖场景。PRACHFormat2：该Format有点特殊，时长3.5ms，其中Sequence重复发送4次，适用于需要覆盖增强的场景，例如室内场景，GAP支持的最大覆盖距离为22.11km。PRACHFormat3：时长和Format0相同为1ms，子载波间隔为5kHz，适用于高速移动场景（500km/h），GAP支持的最大覆盖距离为14.53km。563.6.5.4.2139长度的ZC序列PRACHA1/A2/A3/B1/B2/B3/B4/C0/C2，短序列格式，子载波间隔可配置{15,30,60,120}kHz。A1/A2/A3：B1/B2/B3/B4:C0/C2：57和LTE类似，通过PRACH配置索引确定PRACHFormat，时域发送帧号，子帧号，PRACH时隙，符号等时域信息。规范38211定义三个表格，分别为对应FR1FDD/SUL，FR1TDD，FR2TDD，PRACH配置索引范围均为0-255。3.6.5.4.3PRACH信道配置特性对于长序列PRACH配置（低频时），PRACH时长为1/3/3.5ms，特点如下：1.FDD或者SUL时，PRACH时域配置比较灵活，约束少，可以稀疏配置，也可以密集配置。582.TDDFormat0/3（1ms），时域优先配置在子帧9（和上下行子帧配置相关）；在PRACH密集配置时，可以配置在子帧4/9（和上下行子帧配置相关）；在非常密集配置时，也可以配置在多个子帧上，例如7,8,9或者1,3,5,7,9等配置。3.TDDFormat1（3ms），配置在子帧7。4.TDDFormat2（3.5ms），配置在子帧6（符号0），在密集配置时，也可以在配置在子帧6（符号7）开始，节省了前面7个符号位置。对于短序列PRACH配置（子载波间隔152μkHz，远大于长序列子载波间隔1.25/5kHz），PRACH时长较短，为2-12OFDM符号，符号长度和子载波间隔相关。1.一个子帧内可以包含多个PRACH时隙。2.一个PRACH时隙内可以有多个PRACHOccasions（PRACH发送时刻），每个子帧内的PRACH开始符号可以较灵活配置。3.PRACH从发送时刻开始的时长（OFDM符号）和格式相关。3.6.5.4.4PRACH信道和小区覆盖半径小区半径的计算以Format0举例说明如下：59根据PRACH信道格式分析小区支持的最大覆盖半径，需要考虑用户间干扰和符号间干扰。1.用户间干扰—基站接收到的小区最远用户的PRACH最后时域位置，不能和下一个上下行资源冲突。PRACH信道GAP和时长可以保护用户间干扰。2.符号间干扰—小区最远用户的PRACH发送信号经过空中无线信道多径传输后，符号之间的干扰不能超过CP时长保护的范围。CP时长也可以用来保护用户间干扰。3.小区中循环移位的大小Ncs和小区最大覆盖半径之间也有关系。通常情况下，是根据PRACH格式和规划的小区覆盖半径，来规划Ncs的大小，不是用Ncs的值来限定小区最大覆盖半径。长序列覆盖：短序列覆盖（以SCS为15KHZ举例说明）:603.6.6下行物理信道和物理信号5G的下行物理信道基本延续了4G的物理信道，主要分为PBCH,PDCCH,PDSCH信道，下行信号分为同步信号PSS/SSS,参考信号DM-RS，PT-RS,CSI-RS。3.6.6.1PBCH信道PBCH：PhysicalBroadCastChannel，物理广播信道，主要承载小区系统消息的MIB信息。具体内容如下：1.系统帧号：字符串（长度为6）,10bit612.公共子载波间隔：枚举型SCS15/30/60/120,即传递SIB1的PDCCH和PDSCH子载波间隔，1bit3.SSB子载波偏置：SSB,即PSS,SSSBLOCK，PSS和SSS传输块。整数（0-15）,4bit4.TypeADM-RS位置：承载SIB1的PDSCH的时域位置，枚举（SymbolPOS2/POS3:），1bit5.SIB1的PDCCH配置：与SIB1相关的PDCCH的配置，整数（0-255），8bit6.小区禁止：枚举（Barred/notBarred）,1bit7.同频重选：枚举（Allowed/notAllowed）,1bit8.预留Space:预留信息位置，1bit9.HalfFrameIndicator:半帧指示，1bit10.Choice:指示是否为扩展MIB（用于向前兼容），1bit11.SSB索引：当载波大于6GHZ时，指示SSB索引的高3bit，低于6GHZ时，1bit用于指示最高位，2bit预留。总BIT数为：32bit，其中24bit是来自高层，8bit由物理层添加（在不同情况下作用也不相同）。PBCH信道资源映射：621.24bit的高层数据进入物理层后加上了8bit的数据，原始数据编程了32bit，在加24bit的CRC，变为56bit。2.Coding+RM：Coding即编码过程，目前eMBB控制信道使用Polar极化码编码，RM即速率匹配，完成速率匹配后输出速率为864bit。3.DataModulation:数据调制，PBCH信道使用QPSK调制，即2个bit映射到一个符号（Symbol）上，调制符号数为432个。4.ResouceMapping:资源映射，将符号映射到物理资源上5.AntennaMapping:天线映射，将信号映射到天线上发射。PBCH物理资源映射：传输信道BCH映射到PBCH上，周期为80ms,传输MIB信息。PBCH信道和SS（同步信号）共同映射到物理层SS/PBCHBlock(SSB)。在时域占用0-3共计4个符号，在频域占用0-239共计240个子载波（20个RB）。空域从天线端口4000开始，支持子载波配置u=0,1,3,4即15,30,120,240khz。63PSS:占用Symbol0中间的127个子载波，编号从56-182，占用0号Symbol。SSS：占用Symbol2中间的127个子载波，编号从56-182，占用2号Symbol。SC-SetTo0:为了保护PSS和SSS，中间空了部分子载波，PSS的0-55,183-239均作为空余保护（所有空余子载波）。SSS的48-55,183-191均作为空余保护（左边8个右边9个共计17个子载波）。PBCH：占用Symbol1和3的所有子载波和Symbol2的0-47,192-239号在载波（在Symbol2上占用96个子载波，2边各48个）。DM-RS伴随PBCH：插入在PBCH中，用于对PBCH解调，在Symbol1/3上60个，在64Symbol2上24个，每隔4Sc插入一个，起点相对0号子载波偏移为NcellIdmod4。PBCH占用的SC数量：在Symbol1和3上为2（240-60）=360个，在Symbol上为240-127-8-9-24=72个，共计432个。DM-RS占用的SC的数量：在Symbol1和3上为120个，在Symbol上为24个，共计144个。SSB时域位置：在5G中，每个SSB对应一个beam，讨论SSB的最短时间跨度为5ms(半帧)。一个半帧中可能存在多个SSB，将一个半帧中存在的一个或多个SSB称为SSBurstSet，一个SSBurstSet中的SSB包含的信息相同。两个SSBurstSet出现的时间，也就是存在SSB的半帧出现的时间是可以配置的，成为SSBurstSetPeriodicity。默认为20ms。当UE初次进行小区搜索时，一般假设SSBBurstSet的周期时20ms,5ms内SSB的最大个数定义为Lmax，对应不同的SCS和频率，Lmax可以为4，8，64，s为SSB的其实symbol。当Lmax为8时，对应的SSBIndex为0,1,2,3,4,5,6,7。SSB所在Symbol位65置为Lmax=4时，取值为{2,8}+14n；Lmax=8时，取值为{4,8,16,20}+28n。3.6.6.2PDCCH信道PDCCH:PhysicalDownlinkControlChannel，物理下行控制信道，主要用于传输下行控制信息和ULGrant，以便UE正确接收PDSCH及为PUSCH分配上行资源，其分配单位为CCE(1CCE=6REG=72RE，1REG=1OFDMsymbol12subcarrier=12RE)。对于一个PDCCH而言，其由一个或多个CCEs组成。聚合度包含1,2,4,8,16。需要注意NR中一个REG包含12个RE，即一个RB。PDCCH的处理过程：CORESET：Control-ResourceSet，指示了PDCCH占用的符号数、RB数。频域上包含的RB数由高层参数ControlResourceSetIE中frequencyDomainResources指示,一个Bit对应一个6RB的组；时域符号由高层参ControlResourceSet中的duration指示，支持1-3个Symbol配置。只有在高层参数dmrs-TypeA-Position等于3的情况下，才支持3个Symbol。66PDCCH承载了DCI信息，具体信息如下：格式作用主要内容0_0指示PUSCH调度；fallbackDCI；在波形变换、状态切换等场景使用调度资源位置、跳频指示、MCS、HARQ指示、TPC等0_1指示PUSCH调度载波指示、BWP指示、调度资源位置、跳频指示、MCS、HARQ指示、TPC、SRS资源指示、预编码信息、天线端口、SRS请求、CSI请求1_0指示PDSCH调度；fallbackDCI；在公共消息调度、状态切换时使用调度资源位置、MCS、HARQ指示、TPC、PUCCH资源指示、随机接入前导码1_1指示PDSCH调度载波指示、BWP指示、调度资源位置、MCS、HARQ指示、TPC、CSI-RS触发、PUCCH资源指示、预编码信息、天线端口2_0指示SFISFI信息，由SFI-RNTI加扰2_1指示UE不映射数据的PRB和OFDM符号PI信息，由INT-RNTI加扰2_2指示PUSCH和PUCCH的TPCTPC，由TPC-PUSCH-RNTI或TPC-PUCCH-RNTI加扰2_3SRS的TPCTPC，由TPC-SRS-RNTI加扰解释：1.FallbackDCI:NR的新技术取消，DCI格式类似LTE，即0_0时，PUSCHDCI的格式和LTE相同，在1_0时，PDSCH的DCI格式和LTE相同。2.SFI:SlotFormatIndicator,时隙格式指示，slot的14个符号的属性：下行、上行、灵活。协议规定了256种（0~255）slot格式。3.PI：Pre-emptionIndicator：提前告知UE那些PRB和OFDM符号不映射数据，避免UE解析。PDCCH的检测：NR中的PDCCH检测类似LTE，UE在搜索空间中按照不同的RNTI进行搜索，也称为盲检（BD：BlindDecode）。和LTE不同如下：1.NR中的不同搜索空间需要高层参数配置SearchSpace配置规定了UE如何/哪里搜索PDCCH候选集每个搜索空间关联一个CORESETID（物理资源）。672.PDCCH搜索空间在时域上可以进行周期配置，即UE按照周期配置进行PDCCH搜索（类似NB-IoT和eMTC的PDCCH周期配置）。3.PDCCH配置分为ConfigCommon（小区级：CSS空间配置）和Config（UE级：配置USS和CSS空间配置）。小区级配置：SA：SIB1->PDCCH-ConfigCommonNSA：ServingCellConfigCommon->DownlinkConfigCommon->initialDownlinkBWP(BWP-DownlinkCommon)->PDCCH-ConfigCommonUE级配置：配置参数通过RRC层信令中包含的PDCCH-Config下发，每个BWP中，最多配置3个CORESET资源（包含CORESET0），最多配置10个SearchSpace（包含68SearchSpace0）。PDCCH的DM-RS：当RRC高层配置的precoderGranularity为sameAsREG-bundle时，PDSCCH的DMRS在构成PDCCH的REG资源范围内发送。当precoderGranularity为allContiguousRBs时，PDCCH的DMRS在CORESET内连续RB范围内的所有REG上发送。3.6.6.3PDSCH信道PDSCH：PhyscicalDownlinkSharedChannel,物理下行共享信道，承载BCH（SIB），PCH和DL-SCH信道的信息。所占用的资源由PDCCHDCI1-0或1-1指示。1.最多使用2个码字。单码字支持4层传输，2码字支持8层传输。2.UE每小区最多支持16个HARQ,资源分配不能和SSB重叠。3.使用LDCP编码，在maxNrofCodeWordsScheduledByDCI=2，且使用DCI1_1调度，可以调度两个TB块，单传输块时，固定映射到Codeword0，双传输块时，TB1和TB2映射到Codeword0和Codeword14.调制方式支持:QPSK,16QAM,64QAM,256QAM。5.PDSCH资源在时域上的分配粒度可以到符号级，且每次调度分配的资源可以动态变化。PDSCH的处理过程：691.TB块的大小大于3824bit时使用24bit加CRC,否则使用16bit加CRC.2.使用LDPCBaseGraph1或者2编码，编码后信道编码和速率匹配3.加扰调制：加扰使用C-RNTI加扰，调制为QPSK/16QAM/64QAM/256QAM4.层映射：空分复用使用，最多2个码字，支持8层5.天线端口映射，RB映射PDSCH时域资源映射说明：MappingTypeA:在dmrs-TypeA-Positions配置为3时，在一个时隙内，PDSCH占用的符号从{0,1,2,3}符号位置开始，符号长度3-14个符号（不能超过时隙边界），分配的时域符号数较多，适用于大带宽场景。典型应用场景为，时隙内符号0-2为PDCCH，符号3-14为PDSCH，或占满整个时隙，因此typeA也通常称为基于时隙的调度。MappingTypeB:在一个时隙内，PDSCH占用的符号从0-12的符号位置开始，但符号长度限定为{2,4,7}个符号（不能超过时隙边界），PDSCH起始符号位置可以灵活配置，分配符号数量少，时延短，适用于低时延场景（LL-lowlatency），和ultra-reliability(UR)结合情况下，实现URLLC应用。因此，TypeB也通常称为基于minislot或者nonslotbased调度。一个时隙内可以调度TypeA+TypeB资源：70参数配置包含最多16个PDSCH时域资源分配的列表，每个时域资源分配的内容包括：1.k0—PDCCH和PDSCH的时隙偏移间隔2.mappingType—TypeA或者TypeB3.startSymbolAndLength—SLIV值，表示开始符号S和长度LPDSCH时隙聚合：在NR中，PDSCH和PUSCH支持时隙聚合来提高覆盖增益，即重复发送获得覆盖增益。在RRC高层信令中可以配置pdsch-AggregationFactor={n2,n4,n8}，当配置时隙聚合后，UE使用相同的符号分配，在n个连续时隙上接收（发送）；时隙聚合时，PDSCH（PUSCH）只能使用单层发送模式；PDSCH码块组：NR中，TB块可能非常大，分割为多个码块后，码块之间可以组成码块组，TB块可以最大可以分为2/4/6/8个码块组HARQACK/NACK可以针对码块组进行，在传输中如果出现NACK，重传时可以只重传码块组，而无需重传整个TB块。PDSCH资源映射目的：资源映射分为RB粒度级别和RE粒度级别；在PDSCH分配的资源上，有一些时频域资源（RB级/RE级）有特定用途，不能作为PDSCH资源使用。例如LTE作为NR的inband部署时。71PDSCH的DM-RS：DM-RS解调参考信号：用于接收端（基站或者UE）进行信道估计，用于物理信道的解调。PDSCH的DM-RS分为：前置（Front-loaded）DM-RS:在时隙内，位于PDSCH符号的前面，占用1-2个符号；附加（Additional）DM-RS:在时隙内，位于PDSCH符号的中间，占用1-2个符号。附件DM-RS适用于适用于UE移动的场景，需要时域上更多的DM-RS进行信道估计。如上图，在PDSCH中配置了附件DM-RS的位置，一般前置DM-RS的位置在MIB消息中配置，默认起始位置为2，占用1-2个符号：3.6.6.4下行物理信号下行链路的物理信号主要分为同步信号和参考信号，同步信号分为：PSS，SSS；参考信号分为DM-RS,PT-RS，CSI-RS。72同步信号：PSS：PrimarySynchronizationSignal，主同步信号，长度为127,采用m序列（Lte采用Zaoff-chu序列），共计3个值（0-2）。SSS：SecondarySynchronizationSignal,辅同步信号，长度为127，采用m序列，共计336个值（0-335）。小区ID：,N1为SSS，N2为PSS,共计1008个（0-1007）。参考信号：DM-RS：伴随PBCH、PDCCH、PDSCH传输，用于信道解调。PT-RS：PhaseTrackingReferenceSignal,相位跟踪参考信号，用于校正由于晶振相位误差引起的干扰，伴随PDSCH传输。CSI-RS:ChannelStatusIndicator，信道质量指示参考信号，辅助接收下行PDSCH共享信道和测量并进行CSI信息上报。分为周期性、半持续性和非周期性。3.6.7天线端口天线端口是一个逻辑上的概念，它与物理天线并没有一一对应的关系。在下行链路中，下行链路和下行参考信号是一一对应的：如果通过多个物理天线来传输一个参考信号，那个这些物理天线就对应同一个天线端口，而如果有两个不同的天线是从同一个物理层天线中传输的，那么这个物理天线就对应两个独立的天线端口。在LTE中，多个天线端口的信号可以通过一个发送天线发送，例如C-RSPort0和UE-RSPort5。一个天线端口的信号可以分布到不同的发送天线上，例如UE-RSPort5。5G采用了大规模天线阵列MassiveMIMO，天线端口数量大幅度增加。上行链路天线端口：1.天线端口以0开始，用于PUSCH和相关的解调参考信号2.SRS的天线端口以1000开头3.天线端口从2000开始用于PUCCH4.用于PRACH的天线端口400073下行链路天线端口：1.用于PDSCH的天线端口以1000开头2.用于PDCCH的天线端口以2000开头3.天线端口以3000开头，用于信道状态信息参考信号CSI-RS4.天线端口以4000开始，用于SS/PBCH块传输第四章5G关键技术5G关键技术主要是为5G网络提供高速率、低时延、高可靠性、高安全性等网络要求。4.1MassiveMIMO多天线技术在基站端采用超大规模有源天线阵列（比如数百个天线或更多）可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统（LargeScaleAntennaSystem，或称为MassiveMIMO）。多输入多输出MIMO技术通过发送端和接收端都配备多根天线来提高通信系统的容量、系统传输数据速率以及传输可靠性。通过多用户空间独立性，在空间对不同用户形成独立的窄波束覆盖，基于用户的空间隔离系统同时传输不同用户的数据，从而数十倍地提升系统吞吐量，通常是一百根或者是几百根，较现有通信系统中天线数增加几个数量级以上，在相同的时频资源上同时服务多个用户，5G移动终端一般采用4天线接收的通信方式，从而实现44MIMO。4.1.1MassiveMIMO工作流程MassiveMIMO的主要工作流程分为信道估计、预编码和权值计算：1.信道估计：即接收端通过对发送端的数据处理，来确定无线传输信道的状态。常用的方法是CSI-RS非盲信道估计，即发送端发送已知的导频信息，接收端对该信息进行处理，得出信道状态。742.预编码：发射端常常包含预编码器，该编码器能够利用信道状态信息，生成预编码矩阵，用于对发射信号进行预处理操作，实现DBF的功能。(DigitalBeamForming:数字波束成形)。3.权值计算：即利用预编码矩阵，和发射数据流进行矩阵乘法的操作，实现K个用户数据流到M个天线数据流的变换。在FDD模式中，基站与用户的通信有上下行链路，由于上下行采用不同频段进行通信，两个链路的状态特性不相同。为了采集上行链路（用户传输到基站）参数，需要用户发送CSI导频信息到基站，由基站计算后得出加权的参数，之后再回传给用户，用于上行链路的权值计算。下行链路则相反。在M个天线和K个用户的场景下，该导频模式需要知道每个天线对于每个用户之间的上下行状态，FDD模式下的导频将会占用非常多的资源，联合空分复用(JointSpatialDivisionandMultiplexing，JSDM)。在基站侧对用户进行分组及预波束赋形，等效信道维度明显降低，在该等效信道上实施信道估计能够明显降低下行导频开销和CSIT反馈。在TDD模式下，基站与用户的通信有上下行链路，由于上下行采用同一频段进行通信，两个链路的状态特性相同，知道了任一链路的特性就可以利用与另外一条链路了（链路的）。目前常用的设计思路是，用户在上行链路发送CSI状态信息给基站，基站利用CSI信息进行信道估计等处理后，将处理信息通过下行链路送给用户使用。在该模式下，计算量与天线数量M不相关了。TDD模式相比FDD模式有着很大的优势。4.1.2MassiveMIMO部署基于5G传播模型，UMa（密集城区宏基站，UrbanMacrocell）场景3.5GHz的覆盖能力要比1.8GHz低6dB。按照目前主要的设备形态，1.8GHzLTE小区采用上行4天线接收，因此以3.5GHzTD-LTE小区，上行采用64天线为例，3.5GHz的覆盖距离约为1.8GHz的68%。在>6GHz频段，如26GHz，相对1.8GHz频段，相同距离链路损耗要增加超过23dB，同时雨衰和大气吸收等对于高频的影响更为明显。天线集中配置的MassiveMIMO主要应用场景有城区覆盖、无线回传、局部热点。其中城区覆盖分为宏覆盖和微覆盖（例如高层写字楼）两种。无线回传主要解决基站之间的数据传输问题，特别是宏站与SmallCell之间的数据传输问题，局部热点主要针对75大型赛事、演唱会、商场、露天集会、交通枢纽等用户密度高的区域。4.2新多址接入技术在蜂窝通信系统中，移动台是通过基站和其它移动台进行通信的，移动通信是依靠无线电波的传播来传输信号的，具有大面积覆盖的特点，对网内一个用户发射额信号而言，其他用户均可接收到所传播的电波，因此必须对移动台和基站的信息加以区别，使基站能区分是哪个移动台发来的信号（上行），而各移动台又能识别出哪个信号是发给自己的（下行）。则需要引入上行多址和下行多址的概念，即用户可以区分出那个信息是基站发送给自己的，基站可以区分出那个信息属于那个用户。简易多址技术：1.频分多址：不同的用户使用不同的频率2.时分多址：不同的用户使用不同的时间段，即时隙3.码分多址：不同的用户使用不同的扩频码，通过数学手段区分用户4.空分多址：由于用户相对位置不同，存在一定空间间隔的用户使用相同的资源，通过空间传播的特性区分用户4.2.1LTE的OFDM多址技术1.2.3.3.1.3.1.1.4.2.1.1无线信道传播特性与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。再加之移动台本身的运动，76使得移动台与基站之间的无线信道多变并且难以控制。信号通过无线信道时，会遭受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表达为：P(d)=d-nS(d)R(d)其中d表示移动台与基站的距离向量，d表示移动台与基站的距离。根据上式，无线信道对信号的影响可以分为三种：\uf0d8电波中自由空间内的传播损耗d-n，也被称作大尺度衰落，其中n一般为3～4；\uf0d8阴影衰落S(d)表示由于传播环境的地形起伏，建筑物和其他障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引起的衰落，被称作中等尺度衰落；\uf0d8多径衰落R(d)表示由于无线电波中空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此在接收端对多个信号的分量叠加时会造成同相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度衰落。下图可以清晰的说明三种衰落情况。信号在无线信道中的传播特性此外，由于移动台的运动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。774.2.1.1.1无线信道的大尺度衰落无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。以及对信号的覆盖范围带来限制，可见，如果不采用其它特殊技术，则数据的符号速率以及电波的传播范围都会受到很大的限制，但是在一般的蜂窝系统中，由于小区的规模相对较小，所以这种大尺度衰落对移动通信系统的影响并不需要单独加以考虑。4.2.1.1.2阴影衰落当电磁波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，被称作阴影衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其中衰落特性符合对数正态分布，其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。4.2.1.1.3无线信道的多径衰落无线移动信道的主要特征就是多径传播，即接收机所接收到的信号是通过不同的直射、反射、折射等路径到达接收机，如下图所示。无线信号的多径传播由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位78都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生衰落。例如，发射端发生一个窄脉冲信号，则在接收端可以收到多个窄脉冲，每一个窄脉冲的衰落和时延以及窄脉冲的个数都是不同的，对应一个发送脉冲信号，下图给出接收端所接收到的信号情况。这样就造成了信道的时间弥散性（timedispersion），其中τmax被定义为最大时延扩展。多径接收信号在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号的波形会扩展到其他符号当中，造成符号间干扰（InterSymbolInterference，ISI）。为了避免产生ISI，应该令符号速率要先于最大时延扩展的倒数，由于移动环境十分复杂，不同地理位置，不同时间所测量到的时延扩展都可能是不同的，因此需要采用大量测量数据的统计平均值。下表给出不同信道环境下的时延扩展值。不同信道环境下的时延扩展值环境最大时延扩展最大到达路径差室内40ns～200ns12m～16m室外1μs～20μs300m～5000m在频域内，与时延扩展相关的另一个重要概念是相干带宽，是应用中通常用最大时延扩展的倒数来定义相干带宽，即：从频域角度观察，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性衰落（frequency-selectivefading），即针对信号中不同的频率成分，无线传输信道会呈现不同的79随机响应，由于信号中不同频率分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。由此可以看到，当信号的频率较高，信号带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信号波形的失真，造成符号间干扰，此时就认为发生了频率选择性衰落；反之，当信号的传输速率较低，信道带宽小于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量都受到相同的衰落，因而衰落波形不会失真，没有符号间干扰，则认为信号只是经历了平衰落，即非频率选择性衰落。相干带宽是无线信道的一个特性，至于信号通过无线信道时，是出现频率选择性衰落还是平衰落，这要取决于信号本身的带宽。4.2.1.1.4无线信道的时变性以及多普勒频移当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，成为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。以可见光为例，假设一个发光物体在远处以固定的频率发出光波，我们可以接收到的频率应该是与物体发出的频率相同。现在假定该物体开始向我们运动，但光影发出第二个波峰时，它距我们的距离应该要比发出第一个波峰到达我们的时间，因此两个波峰到达我们的时间间隔变小了，与此相应我们接收到的频率就会增加，相反，当发光物体远离我们而去的时候，我们就受到的频率就要减小，这就是多普勒效应的原理。在天体物理学中，天文学家利用多普勒效应可以判断出其他星系的恒星都在远离我们而去，从而得出宇宙是在不断膨胀的结论。这种称为多普勒效应的频率和速率的关系是我们日常熟悉的，例如我们在路边听汽车汽笛的声音：当汽车接近我们时，其汽笛音调变高（对应频率增加）；而当它驶离我们时，汽笛音调又会变地（对应频率减小）。信道的时变性是指信道的传递函数是随时间而变化的，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端收到的信号是不相同的，如下图所示。80多径造成的信道时变性时变性在移动通信系统中的具体体现之一就是多普勒频移（Dopplershift），即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，如下图所示。这又可称为信道的频率弥散性（frequencydispersion）。多普勒频移造成的信道频率弥散性当移动台向入射波方向移动时，多普勒频移为正，即移动台接收到的信号频率会增加；如果背向入射波方向移动，则多普勒频移为负，即移动台接收到的信号频率会减小。由于存在多普勒频移，所以当单一频率信号（f0）到达接收端的时候，其频谱不再是位于频率轴±f0处的单纯δ函数，而是分布在（f0）内的、存在一定宽度的频谱。下表给出两种载波情况下不同移动速度时的最大多普勒频移数值。最大多普勒频偏（Hz）速度载波100km/h75km/h50km/h25km/h900MHz836242212GHz1851399346从时域来看，与多普勒频移相关的另一个概念就是相干时间，即：相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。换句话说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数，一般指符号宽度大于无线信道的相干时间，那么信号的波形就可能会发生变化，造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果符号的宽度小于相干时间，则认为是非时间选择性衰落，即慢衰落。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响。在无线通信系统中，重点要解决时间选择性衰落和频率选择性衰落。采用OFDM技术可以很好的解决这两种衰落对无线信道传输造成的不利影响。814.2.1.2OFDM的基本概念在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为N个相互不重叠的频率子信道。每个子信道传输独立的调制符号，然后再将N个子信道进行频率复用。这种避免信道频谱重叠看起来有利于消除信道间的干扰，但是这样又不能有效利用频谱资源。OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用，是一种能够充分利用频谱资源的多载波传输方式。常规频分复用与OFDM的信道分配情况如下图所示。可以看出OFDM至少能够节约二分之一的频谱资源。常规频分复用与OFDM的信道分配OFDM的主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，如下图所示。OFDM基本原理OFDM利用快速傅立叶反变换（IFFT）和快速傅立叶变换（FFT）来实现调制和解调，如下图所示。82串/并并/串+\uf0c4\uf0c4\uf0c4\uf0c4\uf0c4\uf0c40d1d1\uf02dNdtfje12\uf070tfje02\uf070tfjNe12\uf02d\uf070信道tfje02\uf070\uf02dtfjNe12\uf02d\uf02d\uf070tfje12\uf070\uf02d积分积分积分0~d1~d1~\uf02dNd调制解调过程OFDM的调制解调流程如下：1)发射机在发射数据时，将高速串行数据转为低速并行，利用正交的多个子载波进行数据传输；2)各个子载波使用独立的调制器和解调器；3)各个子载波之间要求完全正交、各个子载波收发完全同步；4)发射机和接收机要精确同频、同步，准确进行位采样；5)接收机在解调器的后端进行同步采样，获得数据，然后转为高速串行。在向B3G/4G（BeyondThirdGenerationinmobilecommunicationsystem，即超三代移动通信系统）演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高系统性能。20世纪50年代OFDM的概念就已经被提出，但是受限于上面的步骤2、3，传统的模拟技术很难实现正交的子载波，因此早期没有得到广泛的应用。随着数字信号处理技术的发展，S.B.Weinstein和P.M.Ebert等人提出采用FFT实现正交载波调制的方法，为OFDM的广泛应用奠定了基础。此后，为了克服通道多径效应和定时误差引起的ISI符号间干扰，A.Peled和A.Ruizt提出了添加循环前缀的思想。4.2.1.3OFDM的产生OFDM的"O"代表着"正交"，那么就先说说正交吧。先说说最简单的情况，sin(t)和sin(2t)是正交的【证明：sin(t)·sin(2t)在区间[0,2π]上的积分为0】，而正弦函数又是波的最直观描述，因此我们就以此作为介入点。既然本文说的是图示，那么我们就用图形的方式来先理解一下正交性。83在下面的图示中，在[0,2π]的时长内，采用最易懂的幅度调制方式传送信号：sin(t)传送信号a，因此发送a·sin(t)，sin(2t)传送信号b，因此发送b·sin(2t)。其中，sin(t)和sin(2t)的用处是用来承载信号，是收发端预先规定好的信息，在本文中一律称为子载波；调制在子载波上的幅度信号a和b，才是需要发送的信息。因此在信道中传送的信号为a·sin(t)+b·sin(2t)。在接收端，分别对接收到的信号作关于sin(t)和sin(2t)的积分检测，就可以得到a和b了。图一：发送a信号的sin(t)图二：发送b信号的sin(2t)【注意：在区间[0,2π]内发送了两个完整波形】图三：发送在无线空间的叠加信号a·sin(t)+b·sin(2t)84图四：接收信号乘sin(t)，积分解码出a信号。【如前文所述，传送b信号的sin(2t)项，在积分后为0】图五：接收信号乘sin(2t)，积分解码出b信号。【如前文所述，传送a信号的sin(t)项，在积分后为0】图六：流程图1.1下一步，将sin(t)和sin(2t)扩展到更多的子载波序列{sin(2π·Δf·t)，sin(2π·Δf·2t)，sin(2π·Δf·3t),...,sin(2π·Δf·kt)}(例如k=16，256，1024等)，应该是很好理解的事情。其中，2π是常量；Δf是事先选好的载频间隔，也是常量。1t,2t,3t,...,kt保证了正弦波序列的正交性。1.2再下一步，将cos(t)也引入。容易证明，cos(t)与sin(t)是正交的，也与整个sin(kt)的正交族相正交。同样，cos(kt)也与整个sin(kt)的正交族相正交。因此发射序列扩展到{sin(2π·Δf·t),sin(2π·Δf·2t),sin(2π·Δf·3t),...,sin(2π·Δf·kt),cos(2π·Δf·t),cos(2π·Δf·2t),cos(2π·Δf·3t),...,cos(2π·Δf·kt)}也就顺理成章了。1.3经过前两步的扩充，选好了2组正交序列sin(kt)和cos(kt)，这只是传输的"介质"。85真正要传输的信息还需要调制在这些载波上，即sin(t),sin(2t),...,sin(kt)分别幅度调制a1,a2,...,ak信号,cos(t),cos(2t),...,cos(kt)分别幅度调制b1,b2,...,bk信号。这2n组互相正交的信号同时发送出去，在空间上会叠加出怎样的波形呢？做简单的加法如下：f(t)=a1·sin(2π·Δf·t)+a2·sin(2π·Δf·2t)+a3·sin(2π·Δf·3t)+...ak·sin(2π·Δf·kt)+b1·cos(2π·Δf·t)+b2·cos(2π·Δf·2t)+b3·cos(2π·Δf·3t)+...bk·cos(2π·Δf·kt)+=∑ak·sin(2π·Δf·kt)+∑bk·cos(2π·Δf·kt)【公式1-1：实数的表达】为了方便进行数学处理，上式有复数表达形式如下：f(t)=∑Fk·e(j·2π·Δf·kt)【公式1-2：复数的表达，这编辑器找不到上角标...不过，你应该看得懂的】上面的公式可以这样看：每个子载波序列都在发送自己的信号，互相交叠在空中，最终在接收端看到的信号就是f(t)。接收端收到杂糅信号f(t)后，再在每个子载波上分别作相乘后积分的操作，就可以取出每个子载波分别承载的信号了。假定F表示频域，f表示时域，可以从公式1-2中看出，每个子载波上面调制的幅度，就是频域信息。类似的说法是：OFDM传输的是频域信号。上面1.1-1.3的扩展，可如下图所示：86图七：时域上的OFDM系统图1.4还有这一步吗？其实是有的。将上述的时域分析配上LTE的实现，有如下情况：子载波的间隔Δf=15kHz，一个OFDMsymbol的发送时间是66.7us，可以发现，15kHz66.67us=1，即基带上一个OFDMsymbol的发送时间正好发送一个一次谐波的完整波形。对于10M的LTE系统，采用的是1024个子载波，但是只有中间600个（不含最中间的直流）子载波被用于传送数据。在一个OFDMsymbol的时间内（即66.67us)，靠近中间的两个一次谐波传输一个完整波形，再靠外一点的两个二次谐波传输两个完整波形，以此类推至最外面的两个300次谐波传输了300个完整的波形。在这66.67us内，600个子载波互相正交，其上分别承载了600个复数信号。从时域上面来看OFDM，其实是相当简洁明快讨人喜欢的。不过，一个系统若要从时域上来实现OFDM，难度太大，时延和频偏都会严重破坏子载波的正交性，从而影响系统性能。下面将转入频域来描述OFDM，由于频域不直观，的确会稍稍让人费解。不过只要时刻想着时域子载波间的叠加，一切都会好理解起来。4.2.1.3.1频域上的OFDM前面时域上的讨论开始于OFDM中的"O"；下面频域上我们从"FDM"开始。87先图例一个常规FDM的系统图：图11：常规FDM，两路信号频谱之间有间隔，互相不干扰为了更好的利用系统带宽，子载波的间距可以尽量靠近些。图12：靠得很近的FDM，实际中考虑到硬件实现，解调第一路信号时，已经很难完全去除第二路信号的影响了（电路的实现毕竟不能像剪刀裁纸一样利落），两路信号互相之间可能已经产生干扰了。还能再近些吗？可以的。这就是OFDM的来历啊，近到完全等同于奈奎斯特带宽（后面有详述），使频带的利用率达到了理论上的最大值。图13：继续靠近，间隔频率互相正交，因此频谱虽然有重叠，但是仍然是没有互相干扰的。上88首先来看sin(t)是个单一的正弦波，代表着单一的频率，所以其频谱自然是一个冲激。不过其实图一中所示的sin(t)并不是真正的sin(t)，而只是限定在[0,2π]之内的一小段。无限长度的信号被限制在一小截时间之内，其频谱也不再是一个冲激了。对限制在[0,2π]内的sin(t)信号，相当于无限长的sin(t)信号乘以一个[0,2π]上的门信号（矩形脉冲），其频谱为两者频谱的卷积。sin(t)的频谱为冲激，门信号的频谱为sinc信号（即sin(x)/x信号）。冲激信号卷积sinc信号，相当于对sinc信号的搬移。所以分析到这里，可以得出图一的时域波形其对应的频谱如下：图21：限定在[0,2π]内的a·sin(t)信号的频谱，即以sin(t)为载波的调制信号的频谱。sin(2t)的频谱分析基本相同。需要注意的是，由于正交区间为[0,2π]，因此sin(2t)在相同的时间内发送了两个完整波形。相同的门函数保证了两个函数的频谱形状相同，只是频谱被搬移的位置变了：89图22：限定在[0,2π]内的b·sin(2t)信号的频谱，即以sin(2t)为载波的调制信号的频谱将sin(t)和sin(2t)所传信号的频谱叠加在一起，如下：图23：a·sin(t)+b·sin(2t)信号的频谱图23和图13，均是频域上两个正交子载波的频谱图。这是因为基带信号在传输前，一般会通过脉冲成型滤波器的结果。比如使用"升余弦滚降滤波器"后，图23所示的信号就会被修理成图13所示的信号了。这样可以有效的限制带宽外部的信号，在保证本路信号没有码间串扰的情况下，既能最大限度的利用带宽，又能减少子载波间的各路信号的相互干扰。这里用到的是奈奎斯特第一准则，在下面的框框内会稍作描述：奈奎斯特第一准则请自行google，这里说说其推论：码元速率为1/T(即每个码元的传输时长为T)，进行无码间串扰传输时，所需的最小带宽称为奈奎斯特带宽。对于理想低通信道，奈奎斯特带宽W=1/(2T)对于理想带通信道，奈奎斯特带宽W=1/T在下面的图31中，可以看出信号的实际带宽B是要大于奈奎斯特带宽W（低通的1/(2T)或者带通的1/T）的，这就是理想和现实的距离。补充说明：本文提到的"带宽"，也即约定俗成的带宽理解方式，指的是信号频谱中>=0的部分。在从低通到带通的搬移过程中，因为将原信号负频率部分也移出来了（也可理解为同乘e(j2πfct)+e(-j2πfct)的结果，见参考[2]）【注：没有上角标和下角标的编辑器，真不爽。不过，你应该看得懂的】，所以带宽翻倍了。如下图所示：90图31：内涵丰富的图，请参看上面和下面的说明文字上面专门用框框列出奈奎斯特第一准则，还有一个重要目的就是说明下频带利用率的问题。频带利用率是码元速率1/T和带宽B(或者W)的比值。理想情况下，低通信道频带利用率为2Baud/Hz；带通信道频带利用率在传输实数信号时为1Baud/Hz，传送复数信号时为2Baud/Hz（负频率和正频率都独立携带信号）。由于讨论低通信道时往往考虑的是实数信号，而讨论带通信道时通常考虑的是复数信号，因此可以简单认为：理想情况下，信道的频带利用率为2Baud/Hz。实际情况下，因为实际带宽B要大于奈奎斯特带宽W，所以实际FDM系统的频带利用率会低于理想情况。而OFDM的子载波间隔最低能达到奈奎斯特带宽，也就是说（在不考虑最旁边的两个子载波情况下），OFDM达到了理想信道的频带利用率。图32：OFDM正交子载波，载频间距为奈奎斯特带宽，保证了最大的频带利用率将上述的频域分析配上LTE的实现，有如下情况：91子载波的间隔Δf=15kHz，一个OFDMsymbol的发送时间是66.7us。在10MHz信道上，1ms的子帧共传输14个OFDMsymbol，每一个OFDMsymbol携带600个复数信息，因此：1.从整个系统来看，波特率为600142/1ms=16.8MBaud，占据带宽10MHz，因此带宽利用率为16.8MBaud/10MHz=1.68Baud/Hz，接近2Baud/Hz的理想情况。【注：一是CP占用了每个OFDMSymbol约1/15的资源，二是10MHz的频带其边界频带需要留空以减少与邻近信道的干扰，1MHz宽度】2.单从OFDM一个symbol来看，波特率为6002/66.7us=18MBaud，占据带宽60015kHz=9MHz【不考虑边界子载波带外问题】，因此其带宽利用率为18MBaud/9MHz=2Baud/Hz，符合上面的讨论。4.2.1.3.2用IFFT实现OFDM回顾前两节，第一节是从时域上来说子载波正交的原理；第二节是从频域上来解释子载波正交后，达到理想频带利用率的特性。要理解IFFT实现OFDM，最好的办法还是看公式。比如第一章节中的公式1-1和公式1-2，配上时域波形图的叠加，就很容易理解。当然，这里的IFFT需要将时域离散化，因此公式IFFT≈IDFT-->fn=1/N·∑Fk·e(j·2π·k·n/N)【公式3-1，n为时域离散后的序号，N为总的IFFT个数，n∈[1,N]】关于公式3-1的理解方法，可以是这样的。其中一种理解方式是联系第一章节的公式1-2：可以发现公式3-1等号右侧所表达的物理意义和公式1-2是相同的，均代表了不同子载波e(j·2π·k·n/N)发送各自的信号Fk，然后在时域上的叠加形成fn，只不过现在叠加出来的时域不是连续波形，而是离散的时序抽样点。另一种更容易：在一个OFDMsymbol的时长T内，用N个子载波各自发送一个信号F(k)（k∈[1,N]），等效于直接在时域上连续发送fn（n∈[1,N]）N个信号，每92个信号发送T/N的时长。在IFFT实现OFDM中，发送端添加了IFFT模块、接收端添加了FFT模块。IFFT模块的功能相当于说：别麻烦发送N个子载波信号了，我直接算出你们在空中会叠加成啥样子吧；FFT模块的功能相当于说：别用老式的积分方法来去除其余的正交子载波了，我帮你一次把N个携带信号全算出来吧。就是这样，IFFT实现OFDM的系统用"数学的方法"，在发送端计算信号的叠加波形，在接收端去除正交子载波，从而大大简化了系统的复杂度。图八：用IFFT实现OFDM。请自行对比图七4.2.1.3.3关于物理层的信号要弄清楚信号的含义，可以将整个物理层信号传输的过程给分解开来，可以看到，不同的步骤对信号的处理是不同的。信源编码着重于对信号的容量进行压缩，提高传输效率（比特流）；信道编码针对多变的信道插入冗余信息，增加传输的稳定性（比特流）；信号调制则是将比特流转成了特定的波形进行传输，根据调制方式的不同，即可能是一个比特对应一个波形，也有可能是数个比特对应一个波形（高阶调制）。在实际的系统中，QAMsymbol进行了针对天线阵列的precoding（预编码）和资源分配的mapping（映射）后，就会进入OFDM调制了。934.2.1.4OFDM的优缺点OFDM系统越来越受到人们的广泛关注，其原因在于OFDM系统存在如下主要优点：\uf0d8把高速数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响。\uf0d8OFDM系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度地利用频谱资源。\uf0d8各个子信道中这种正交调制和解调可以采用快速傅立叶变换（FFT）和快速傅立叶反变换（IFF）来实现。\uf0d8无线数据业务一般都存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要远大于上行链路中的数据传输量，如Internet业务中的网页浏览、FTP下载等。另一方面，移动终端功率一般小于1W，在大蜂窝环境下传输速率低于10kbit/s～100kbit/s；而基站发送功率可以较大，有可能提供1Mbit/s以上的传输速率。因此无论从用户数据业务的使用需求，还是从移动通信系统自身的要求考虑，都希望物理层支持非对称高速数据传输，而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。\uf0d8由于无线信道存在频率选择性，不可能所有的子载波都同时处于比较深的衰落情况中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道的分配方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。\uf0d8OFDM系统可以容易与其他多种接入方法相结合使用，构成OFDMA系统，其中包括多载波码分多址MC-CDMA、跳频OFDM以及OFDM-TDMA等等，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传递。\uf0d8因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波，因此OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。但是OFDM系统内由于存在多个正交子载波，而去其输出信号是多个子信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下主要缺点：\uf0d8易受频率偏差的影响：由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求，然而由于无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，例如多普勒频移，或者由于发射机载波频率与接收机本地振94荡器之间存在的频率偏差，都会使得OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子信道间的信号相互干扰，这种对频率偏差敏感是OFDM系统的主要缺点之一。\uf0d8存在较高的峰值平均功率比：与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的香味一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比（PAPR）。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。951.2.1.2.3.4.5.5.1.5.1.1.5.1.2.4.2.24.2.1.5保护间隔和循环前缀采用OFDM的一个主要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guardinterval），而且该保护间隔长度Tg一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰，如下图所示。96空闲保护间隔引起ICI由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号，因此上图中给出了第一个子载波和第二个子载波的延时信号，从图中可以看出，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波与带有延时的第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对第一子载波进行解调时，第二子载波会对此造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，有时会存在来自第一子载波的干扰。为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号，见下图。这样就可以保证在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。这样，时延小于保护间隔Tg的时延信号就不会再解调过程中产生ICI。OFDM符号的循环前缀通常，当保护间隔占到20%时，功率损失也不到1dB。但是带来的信息速率损失达20%，而在传统的单载波系统中存在信息速率（带宽）的损失。但是插97入保护间隔可以消除ISI和多径所造成的ICI的影响，因此这个代价是值得的。加入保护间隔之后基于IDFT（IFFT）的OFDM系统框图如下所示。IFFT实现OFDM调制并加入循环前缀上图给出了采用IFFT实现OFDM调制并加入循环前缀的过程：输入串行数据信号，首先经过串/并转换，串/并转换之后输出的并行数据就是要调制到相应子载波上的数据符号，相应的这些数据可以看成是一组位于频域上的数据。经过IFFT之后，出来的一组并行数据是位于离散的时间点上的数据，这样IFFT就实现了频域到时域的转换。下面以一种QPSK调制的数据给出了一组OFDM符号的传输情况。OFDM符号984.2.1.6同步技术同步在通信系统中占据非常重要的地位。例如，当采用同步解调或相干检测时，接收机需要提取一个与发射载波同频同相的载波；同时还要确定符号的起始位置等。一般的通信系统中存在如下的同步问题：\uf0d8发射机和接收机的载波频率不同；\uf0d8发射机和接收机的采样频率不同；\uf0d8接收机不知道符号的定时起始位置。OFDM符号由多个子载波信号叠加构成，各个子载波之间利用正交性来区分，因此确保这种正交性对于OFDM系统来说是至关重要的，因此它对载波同步的要求也就相对较严格。在OFDM系统中存在如下几个方面的同步要求：\uf0d8载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相；\uf0d8样值同步：接收端和发射端的抽样频率一致；\uf0d8符号定时同步：IFFT和FFT起止时刻一致。与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI及ICI。下图显示了OFDM系统中的同步要求，并且大概给出各种同步在系统中所处的位置。OFDM系统内的同步示意图4.2.1.6.1载波同步发射机与接收机之间的频率偏差导致接收信号在频域内发生偏移。如果频率偏差是子载波间隔的n（n为整数）倍，虽然子载波之间仍然能够保持正交，99但是频率采用值已经偏移了n个子载波的位置，造成映射在OFDM频谱内的数据符号的误码率高达0.5。如果载波频率偏差不是子载波间隔的整数倍，则在子载波之间就会存在能量的“泄漏”，导致子载波之间的正交性遭到破坏，从而在子载波之间引入干扰，使得系统的误码率性能恶化。下图给出了载波同步与失步情况下的性能比较。载波同步与载波不同步情况示意图通常我们通过两个过程实现载波同步，即捕获（acquisition）模式和跟踪（tracing）模式。在跟踪模式中，只需要处理很小的频率波动；但是当接收机处于捕获模式时，频率偏差可以较大，可能是子载波间隔的若干倍。接收机中第一阶段的任务就是要尽快地进行粗略频率估计，解决载波的捕获问题；第二阶段的任务就是能够锁定并且执行跟踪任务。把上述同步任务分为两个阶段的好处是：由于每一阶段内的算法只需要考虑其特定阶段内所要求执行的任务，因此可以在设计同步结构中引入较大的自由度。这也就意味着，在第一阶段（捕获阶段）内只需要考虑如何在较大的捕获范围内粗略估计载波频率，不需要考虑跟踪性能如何；而在第二阶段（跟踪阶段）内，只需要考虑如何获得较高的跟踪性能。4.2.1.6.2符号定时同步由于在OFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔，因此OFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成ICI和ISI，如下图所示。100OFDM符号定时同步的起始时刻只有当FFT运算窗口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，才会造成ICI和ISI。因此，OFDM系统对符号定时同步的要求会相对较宽松，但是在多径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时。尽管符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但是容易得知，任何符号定时的变化，都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度，因此系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值。为了尽量减小这种负面的影响，需要尽量减小符号定时同步的误差。当前提出的关于多载波系统的符号定时同步和载波同步大都采用插入导频符号的方法，这会导致带宽和功率资源的浪费，降低系统的有效性。实际上，几乎所有的多载波系统都采用插入保护间隔的方法来消除符号间串扰。为了克服了导频符号浪费资源的缺点，我们通常利用保护间隔所携带的信息完成符号定时同步和载波频率同步的最大似然估计算法。载波和符号同步方法中使用的OFDM框图101同步是OFDM系统中非常关键的问题，同步性能的优劣直接影响到OFDM技术能否真正被用于无线通信领域。在OFDM系统中，存在多种级别的同步：载波同步、符号定时同以及样值同步，其中每一级别的同步都会对OFDM系统性能造成影响。这里我们首先分析了OFDM系统内不同级别的同步问题，然后在此基础上介绍了几种分别用于载波同步和符号定时同步的方法。通过分析可以看到，只要合理地选择适当的同步方法，就可以在OFDM系统内实现同步，从而为其在无线通信系统中的应用打下坚实的基础。4.2.1.7信道估计加入循环前缀后的OFDM系统可以等效为N个独立的并行子信道。如果不考虑信道噪声，Ｎ个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的乘积。如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正确解调。常见的信道估计方法有基于导频信道和基于导频符号（参考信号）这两种，多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活。导频符号辅助方法是在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计。在单载波系统中，导频符号和导频序列只能在时间轴方向插入，在接收端提取导频符号估计信道脉冲响应。在多载波系统中，可以同时在时间轴和频率轴两个方向插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数。只要导频符号在时间和频率方向上的间隔相对于信道带宽足够小，就可以采用二维内插如滤波的方法来估计信道传输函数。4.2.1.8降峰均比技术除了对频率偏差敏感之外，OFDM系统的另一个主要缺点就是峰值功率与平均功率比，简称峰均比（PAPR）过高的问题。即与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比。信号预畸变技术是最简单最直接的降低系统内峰均比的方法。在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰值功率的信号进行预畸变，102使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免降低较大的PAPR的出现。最常用的信号预畸变技术包括限幅和压缩扩张方法。4.2.1.8.1限幅方法信号经过非线性部件之前进行限幅，就可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。尽管限幅非常简单，但是它也会为OFDM系统带来相关的问题。首先，对OFDM符号幅度进行畸变，会对系统造成自身干扰，从而导致系统的BER性能降低。其次，OFDM信号的非线性畸变会导致带外辐射功率值的增加，其原因在于限幅操作可以被认为是OFDM采样符号与矩形窗函数相乘，如果OFDM信号的幅值小于门限值时，则该矩形窗函数的幅值为1；而如果信号幅值需要被限幅时，则该矩形窗函数的幅值应该小于1。根据时域相乘等效于频域卷积的原理，经过限幅的OFDM符号频谱等于原始OFDM符号频谱与窗函数频谱的卷积，因此其带外频谱特性主要由两者之间频谱带宽较大的信号来决定，也就是矩形窗函数的频谱来决定。为了克服矩形窗函数所造成的带外辐射过大的问题，可以利用其他的非矩形窗函数，如下图所示。103对OFDM符号进行时域加窗总之，选择窗函数的原则就是：其频谱特性比较好，而且也不能在时域内过长，避免对更多个时域采样信号造成影响。4.2.1.8.2压缩扩张方法除了限幅方法之外，还有一种信号预畸变方法就是对信号实施压缩扩张。在传统的扩张方法中，需要把幅度比较小的符号进行放大，而大幅度信号保持不变，一方面增加了系统的平均发射功率，另一方面使得符号的功率值更加接近功率放大器的非线性变化区域，容易造成信号的失真。因此给出一种改进的压缩扩张变换方法。在这种方法中，把大功率发射信号压缩，而把小功率信号进行放大，从而可以使得发射信号的平均功率相对保持不变。这样不但可以减小系统的PAPR，而且还可以使得小功率信号抗干扰的能力有所增强。μ律压缩扩张方法可以用于这种方法中，在发射端对信号实施压缩扩张操作，而在接收端要实施逆操作，恢复原始数据信号。压缩扩张变化的OFDM系统基带简图如下所示。104压缩扩张变化的OFDM系统基带简图1053.4.5.5.1.5.1.1.5.1.2.5.1.3.4.2.24.2.1.9OFDM在下行链路中的应用LTE系统下行链路采用OFDMA，正交频分多址接入方式，是基于OFDM的应用。OFDMA将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享，从而实现不同用户之间的多址接入。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。如下图所示：如果将OFDM本身理解为一种传输方式，图（a）显示出就是将所有的资源—包括时间、频率都分配给了一个用户，OFDM融入FDMA的多址方式后如图（b）所示，就可以将子载波分配给不同的用户进行使用，此时OFDM+FDMA与传统的FDMA多址接入方式最大的不同就是，分配给不同用户的相邻载波之间是部分重叠的。一旦在时间对载波资源加以动态分配就构成了OFDM+FDMA+TDMA的多址方式，如图（c）所示，根据每个用户需求的数据传输速率、当时的信道质量对频率资源进行动态分配。106基于OFDM的多址方式在OFDMA系统中，可以为每个用户分配固定的时间-频率方格图，使每个用户使用特定的部分子载波，而且各个用户之间所用的子载波是不同的，如下图所示。固定分配子载波的OFDMA方案时频示意图OFDMA方案中，还可以很容易的引入跳频技术，即在每个时隙中，可以根据跳频图样来选择每个用户所使用的子载波频率。这样允许每个用户使用不同的跳频图样进行跳频，就可以把OFDMA系统变化成为跳频CDMA系统，从而可以利用跳频的优点为OFDM系统带来好处。跳频OFDMA的最大好处在于为小区内的多个用户设计正交跳频图样，从而可以相对容易地消除小区内的干扰，如下图所示。107跳频OFDMA方案OFDMA把跳频和OFDM技术相结合，构成一种灵活的多址方案，其主要优点在于：\uf0d8OFDMA系统可以不受小区内干扰的影响，因此OFDMA系统可以获得更大的系统容量；\uf0d8OFDMA可以灵活的适应贷款要求。OFDMA通过简单地改变所使用的子载波数量，就可以适用于特定的传输带宽。\uf0d8当用户的传输速率提高时，OFDMA与动态信道分配技术结合使用，可支持高速数据的传输。4.2.1.10OFDM在上行链路中的应用OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此，如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率。PAPR高，对发射机的线性度提出了很高的要求。所以在上行链路，基于OFDM的多址接入技术并不适合用在UE侧使用。LTE上行链路所采用的SC-FDMA多址接入技术基于DFT-spreadOFDM传输方案，同OFDM相比，它具有较低的峰均比。4.2.1.10.1DFT-spreadOFDM多址接入技术DFTS-OFDM的调制过程如下图所示。108DFTS-OFDM调制DFTS-OFDM的调制过程是以长度为M的数据符号块为单位完成的：1)通过DFT离散傅里叶变换，获取这个时域离散序列的频域序列。这个长度为M的频域序列要能够准确描述出M个数据符号块所表示的时域信号。2)DFT的输出信号送入N点的离散傅里叶反变换IDFT中去，其中N>M。因为IDFT的长度比DFT的长度长，IDFT多出的那一部分输入为用0补齐。3)在IDFT之后，为避免符号干扰同样为这一组数据添加循环前缀。从上面的调制过程可以看出，DFTS-OFDM同OFDM的实现有一个相同的过程，即都有一个采用IDFT的过程，所以DFTS-OFDM可以看成是一个加入了预编码的OFDM过程。如果DFT的长度M等于IDFT的长度N，那么两者级联，DFT和IDFT的效果就互相抵消了，输出的信号就是一个普通的单载波调制信号。当N>M并且采用零输入来补齐IDFT，IDFT输出的信号以下特性：\uf0d8信号的PAPR较之于OFDM信号较小；\uf0d8通过改变DFT输出的数据到IDFT输入端的映射情况，可以改变输出信号占用的频域位置。通过DFT获取输入信号的频谱，后面N点的IDFT，或者看成是OFDM的调制过程实际上就是将输入信号的频谱信息调制到多个正交的子载波上去。LTE下行OFDM正交的子载波上承载的直接是数据符号。正是因为这点，所以DFTS-OFDM的PAPR能够保持与初始的数据符号相同的PAPR。N=M时的特例最能体现这一点，如下图所示。109DFTS-OFDM符号的传输通过改变DFT的输出到IDFT输入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置。下图给出了集中式和分布式两种映射方式。集中式和分布式的DFTS-OFDM调制方案下图给出这两种方式下输出信号的频谱分布。集中式和分布式DFTS-OFDM调制出的信号频谱4.2.1.10.2SC-FDMA多址接入技术利用DFTS-OFDM的以上特点可以方便的实现SC-FDMA多址接入方式，多110用户复用频谱资源时只需要改变不同用户DFT的输出到IDFT输入的对应关系就可以实现多址接入，同时子载波之间具有良好的正交性，避免了多址干扰。如下图所示，通过改变DFT到IDFT的映射关系实现多址；改变输入信号的数据符号块M的大小，实现频率资源的灵活配置。基于DFTS-OFDM的频分多址如下图，SC-FDMA的两种资源分配方式：集中式资源分配、分布式资源分配是3GPP讨论过的两种上行接入方式，最终为了获得低的峰均比，降低UE的负担选择了集中式的分配方式。另一方面，为了获取频率分集增益，选用上行跳频作为上行分布式传输方式的替代方案。基于DFTS-OFDM的集中式、分布式频分多址4.2.25G多址技术NOMA5G目前支持的3种典型场景为eMBB，eMTC，URLLC，在R15版本中唯一确定的是eMBB的规范，eMTC将在R16版本中确定（2020年1月），URLLC的确定暂时为2020年底。eMBB的多址技术为上行DFT-OFDM或者CP-OFDM,具体使用哪种由高层RRC信令指定，通常意义上FR1使用DFT-S-OFDM，FR2使用CP-OFDM；下行继续沿用CP-OFDM技术。即目前在3.5G上部署的NSA或者SA的上下行多址技术和LTE相同。111eMTC的下行多址技术基本可以确定为CP-OFDM，上行多址技术为非正交多址NOMA(Non-OrthogonalMultipleAccess)，正交多址接入技术只能为一个用户分配单一的无线资源，例如按频率分割或按时间分割。NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。在某些场景中，比如远近效应场景和广覆盖多节点接入的场景，特别是上行密集场景，采用功率复用的非正交接入多址方式较传统的正交接入有明显的性能优势，更适合未来系统的部署。目前已经有研究验证了在城市地区采用NOMA的效果可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。Rel-13日本推动了一种功率域的非正交多址技术，主要思路是把信道质量（SNR）相差很大的两个用户（UE1、UE2）配对，在同一个时频资源块上发送。假设UE1离基站很近，UE2离基站很远。UE2需要做串行干扰消除（SIC），把另一个UE的信号减去，得到本身的信号。好处是资源利用率提高，缺点就是UE需要引入SIC接收机，复杂度增加。Rel-145G的NOMA指Non-OrthogonalMA，主要是针对物联网（IoT/MTC）场景提出的。IoT终端每次传输的数据量非常小，按照传统的UL资源请求、传输方式非常不划算，建立连接需要的控制信令数据量已经超过payload，而且时延较大，更关键的是IoT重要指标之一是省电，NB-IoT提出的指标是5W/H的电池用10年。传统的资源请求、传输的流程增加了耗电。很自然的提出一个问题：能不能减少两个步骤，变成直接竞争传输（ContentionBased）-UE不请求资源，直接在UL发送。这样碰撞的概率就会增加，需要设计一种方法，在碰撞的情况下也能正确解出信号，这就需要NOMA技术。因为NOMA可以提供非常大（比正交多址大很多）的地址空间，这样随机选择地址并碰撞的概率就大大降低了。NOMA的核心理念是在发送端使用叠加编码（superpositioncoding），构造一个非正交向量空间，供UE选择并传输。而在接收端使用SIC（串行干扰消除）,因此在相同的时频资源块上，通过不同的功率级级在功率域实现多址接入。112国内典型代表：1.华为的SCMA（SparseCodeMultipleAccess，稀疏码分多址接入）2.ZTE的MUSA（Multi-UserSharedAccess，多用户共享接入）3.大唐的PDMA（PatternDivisionMultipleAccess，图样分割多址接入）4.2.2.1串行干扰消除SICSIC:SuccessiveInterferenceCancellation,串行干扰消除，在发送端类似于CDMA系统引入干扰信息可以获得更高的频谱效率，但是同样也会遇到多址干扰(MAI)的问题。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰。4.2.2.2功率复用功率复用：基站对不同的用户分配不同的上行发射功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的。SIC在接收端消除多址干扰(MAI)，需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。NOMA技术的实现依然面临一些难题。在传统通信中期望用户到达基站的信号是基本相同的，从而获得正交的效果。NOMA不同用户到达基站的功率不相同，非正交传输的接收机相当复杂，要设计出符合要求的SIC接收机还有赖于信号处理芯片技术的提高;其次，功率复用技术还不是很成熟，仍然有大量的工作要做。1134.3超密集组网技术超密集组网即UDN（UltraDenseDeployment超密集网络部署）是通过更加密集化的无线网络基础设施部署，在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升；要点在于通过小基站加密部署提升空间复用方式。目前，UDN正成为解决未来5G网络数据流量1000倍以及用户体验速率10～100倍提升的有效解决方案。UDN采用虚拟层技术，即单层实体网络构建虚拟多层网络，单层实体微基站小区搭建两层网络（虚拟层和实体层），宏基站小区作为虚拟层，虚拟宏小区承载控制信令，负责移动性管理；实体微基站小区作为实体层，微小区承载数据传输。该技术可通过单或者多载波实现；单载波方案通过不同的信号或者信道构建虚拟多层网络；多载波方案通过不同的载波构建虚拟多层网络，将多个物理小区（或多个物理小区上的一部分资源）虚拟成一个逻辑小区。虚拟小区的资源构成和设置可以根据用户的移动、业务需求等动态配置和更改。虚拟层和以用户为中心的虚拟小区可以解决超密集组网中的移动性问题。114HetNet技术：异构网络技术，多频段，多制式，多形态的多层网络，对于热点高业务容量区域，覆盖主要是采用高频段密集组网的微基站来完成，规划站点可直接根据高频段指标要求；根据传播损耗模型及参数值，对28GHz和73GHz两个频段进行了LOS（视距传输）和NLOS（非视距传输）仿真，从仿真的结果来看，高频段的损耗较大，NLOS和LOS在距离较近时，损耗差距较小，随着覆盖距离的增大，损耗差距也越大；超密集组网站间距在20~50米左右，这就需要部署至少10倍以上现网站点，站点数量增多、有线回传成本大幅提高，从网络建设和维护成本的角度考虑，不适宜为所有的UDN微基站铺设光纤来提供有线回传；同时即插即用的组网要求，使得有线回传不能覆盖所有UDN组网场景，利用和接入链路相同频谱的无线回传技术,由于高频段可以提供足够大的带宽做无线回传，优选高频段无线回传，且需采用点对点LOS回传。超密集组网UDN由于宏微频段不同，覆盖的距离也不相同，为了保证用户感知115度，必须要解决这个问题，引入了多连接技术；为了避免有线传输的高成本，引入了无线回传技术。超密集组网关键技术：1.多连接技术：对于宏微异构组网，微基站大多在热点区域局部部署，微基站或微基站簇之间存在非连续覆盖的空洞。宏基站除了要实现信令基站的控制面功能，还要因实际需求提供微基站未部署区域的用户面数据承载。多连接技术的主要目的在于实现UE（用户终端）与宏微多个无线网络节点的同时连接。不同的网络节点可以采用相同的无线接入技术，也可以采用不同的无线接入技术。因宏基站不负责微基站的用户面处理，因此不需要宏微小区之间实现严格同步，降低了对宏微小区之间回传链路性能的要求。在双连接模式下，宏基站作为双连接模式的主基站，提供集中统一的控制面；微基站作为双连接的辅基站，只提供用户面的数据承载。辅基站不提供与UE的控制面连接，仅在主基站中存在对应UE的RRC（无线资源控制）实体。主基站和辅基站对RRM（无线资源管理）功能进行协商后，辅基站会将一些配置信息通过X2接口传递给主基站，最终RRC消息只通过主基站发送给UE。UE的RRC实体只能看到从一个RRU（射频单元）实体发送来的所有消息，并且UE只能响应这个RRC实体。用户面除了分布于微基站，还存在于宏基站。由于宏基站也提供了数据基站的功能，因此可以解决微基站非连续覆盖处的业务传输问题。2.无线回传技术：现有的无线回传技术主要是在LOS传播环境下工作,主要工作在微波频段和毫米波频段,传播速率可达10Gbit/s。当前无线回传技术与现有的无线空口接入技术使用的技术方式和资源是不同的。在现有网络架构中,基站与基站之间很难做到快速、高效、低时延的横向通信。基站不能实现理想的即插即用，部署和维护成本高昂，其原因是受基站本身条件的限制，另外底层的回传网络也不支持这一功能。为了提高节点部署的灵活性，降低部署成本，利用与接入链路相同的频谱和技术进行无线回传传输能解决这一问题。在无线回传方式中，无线资源不仅为终端服务，还为116节点提供中继服务。德国电信和爱立信合作首次在1.5公里的E波段（70/80GHz）微波链路上实现100Gbps回传速率，这是当前商用微波回传速率的10倍,时延为100ms。3.D-MIMO技术：在同频组网场景下，随着站点数量増加和站点密度増大，小区间重叠覆盖度增加，同频干扰的问题严重，一方面广播信道(包括控制信道和参考信号)干扰增大，导致用户接入受限；另一方面边缘区域增加导致边缘用户业务信道性能下降，从而导致站点增加可以带来的吞吐量提升非常有限，特别是小区边缘用户的感知很难保证。现有的干扰协调技术，比如CA和CoMP虽然可以一定程度减少干扰，但是在这种高密站点场景下也会带来一定的问题。CA合并可以减少广播信道的干扰，但是合并后小区的整体吞吐量会下降，合并的小区越多对性能的损失越明显。CoMP技术虽然可以减小部分强干扰，但是可以协调的干扰小区数有限，对边缘用户性能和整网性能改善程度有限。D-MIMO（Distribute-MIMO）思想也是起源于CoMP，CoMP协调的多点发射/接收技术是指地理上分离的多个天线接入点。CoMP技术的实质是在不同基站之间通过协同处理干扰、或者避免干扰、或者将干扰转化为有用信号，为用户提供更高速率，从而提高网络的利用率。本质上，CoMP技术是MIMO技术在多小区下的应用，利用空间信道上的差异来进行信号传输。CoMP技术引入的主要目的是提升网络性能特别是对于小区边缘用户的速率。D-MIMO在CoMP的基础上增加了多用户的SDMA，对一个终端联合发送的基站会组成一个Group，D-MIMO会促使同个Group内不同用户之间进行SDMA，通过空分配对的用户趋近于正交，也就是可以使用相同的时频资源，再通过干扰消除技术就可以比较完美的解决干扰问题。4.VirtualCell虚拟小区技术：随着小站部署越来越密集，小区边缘越来越多，当UE在密集小区间移动时，不同小区间因PCI不同导致UE小区间切换频繁。虚拟小区VirtualCell技术的核心思想是“以用户为中心”分配资源，达到“一致用户体验”的目的。虚拟小区VirtualCell技术为UE提供无边界的小区接入，随UE移动快速更新服务节点，使UE始终处于117小区中心；此外，UE在虚拟小区的不同小区簇间移动，不会发生小区切换/重选。虚拟小区由密集部署的小站集合组成。其中重度非常高的若干小站组成D-MIMO簇，若干个D-MIMO簇组成虚拟小区。在D-MIMO簇构建的虚拟小区中，构建虚拟层和实体层网络，其中虛拟层涵盖整个虛拟小区，承载广播、寻呼等控制信令，负责移动性管理；各个D-MIMO簇形成实体层，具体承载数据传输，用户在同一虚拟层内不同实体层间移动时，不会发生小区重选或切换，从而实现用户的轻快体验。VirtualCell技术方案示意图如下：4.4SDN/NFV技术SDN：SoftwareDefinedNetwork，软件定义网络，网络虚拟化的一种实现方式。其核心技术OpenFlow（数据链路层协议）通过将网络设备的控制面与数据面分离，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。NFV：NetworkFunctionVirtualization，网络功能虚拟化，。通过使用通用性硬件（通用服务器）以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。基于NFV与SDN中的虚拟化技术，能够将原本网元设备中的一体化功能，逐118渐分解成为多个不同的功能组件进行网元功能的重构，并且可以灵活的对这些组件进行优化与升级。其中SDN就可以完成程序上的控制工作，而NFV则结合当前硬件情况实现特定的网络功能，并且实现了网络功能的分离和应用层通信。NFV涵盖了许多可以被虚拟化的硬件资源，如储存、网络资源、射频天线资源等，在虚拟化层能够将这些连接在一起，实现软件同底层硬件的有效衔接。虚拟化构架：1.NFVI：NFVInfrastructure,NFV基础设施。NFVI中包含多种可被虚拟化的硬件资源，如计算、存储、网络资源，此外还包含集中式接入网架构中特有的射频天线资源。虚拟化层完成硬件资源的抽象，支持计算、存储和网络连接功能的执行，从逻辑上将资源划分并提供给VNF使用，实现软件与底层的硬件解耦。2.VNFS：VirtualNetworkFunctions,虚拟网络功能。VNFs是运行在虚拟化资源上的软件，目的是为了实现网络功能。通过将网元功能从硬件剥离出119来，通过软件化的方式对网元功能进行分解、重组，然后按照业务的实际需求对重组之后的网元功能进行连接。多个网元功能可组成一个网络服务，如接入网、控制功能、转发功能，部署在单个或多个虚拟设备上，特定情况下也可在物理服务器上运行。VNFs一般由网元管理系统(ElementManagementSystem,EMS)管理，通过北向接口与NFV管理编排维护系统相连，通过南向接口与VNF相连。3.NFV管理编排维护：NFVManagementandOrchestration,NFV-MANO)。NFV-MANO管理和调度硬件资源、虚拟资源层、虚拟化网元以及完整网络功能的编排和生命周期，达到高性能、高可靠、自动化的效果。虚拟化基础设施管理(VirtualizedInfrastructureManagers,VIM)负责对物理硬件虚拟化资源进行统一的管理、监控等；网络功能虚拟化管理器(VNFManagement,VNFM)负责VNF的生命周期管理及其资源使用情况的监控；网络功能虚拟化编排器(NFVOrchestration,NFVO)负责NVFI和VNF的管理和编排，进而实现完整的网络服务。4.5双连接/多连接技术5G网络由于频段较高，覆盖距离较短，而且国内目前计划的建设周期也较长，在5G建设前期覆盖很难做到连续覆盖，终端只是通过多类型网络变换的形式覆盖。在3/4G前期一般通过切换或者重选的方法实现多类型网络覆盖，CDMA通过双待的形式实现了多类型网络的覆盖。NR和LTE之间的互通不仅仅是实现两种技术之间的平滑切换，还允许其并行部署，NR允许与LTE的双连接，这意味着设备可以同时连接到LTE和NR。5GNR的非独立组网（NSA）实际上依赖于这种双连接，LTE提供控制平面，而NR仅提供额外的用户平面容量，NR可以在与LTE相同的频谱中部署，以便可以在两者之间动态共享整体频谱容量。这种频谱共存允许在已经由LTE占用的频谱中更平滑地引入NR。LTE/NR双连接的基本原理与LTE双连接相同，设备同时连接到无线接入网120络内的多个节点：1.有一个主节点（在一般情况下是eNB或gNB）负责无线接入控制平面。信令无线承载终止于主节点，主节点还处理设备的所有基于RRC的配置;2.有一个或多个辅助节点（eNB或gNB）为设备提供附加的用户面链路。在LTE双连接的情况下，设备具有同时连接的多个节点通常在地理上是分开的。例如：UE可以同时连接到微蜂窝层和覆盖的宏层。LTE/NR双连接也可以使用该方式，UE连接到LTE覆盖作为主节点，NR覆盖作为辅节点。确保即使与高频NR的连接暂时中断，也能保持控制平面。LTE和NR双连接的互调自干扰：在LTE和NR之间的双连接的情况下，从同一UE发送的多个上行链路载波（至少一个LTE上行链路载波和一个NR上行链路载波），由于射频电路中的非线性，两个载波上的同时传输将在发射机输出处产生互调产物。在这些发送信号中，这些互调产物中的一些可能最终在设备接收机频带内导致“自干扰”，也称为互调失真（IMD），IMD将增加接收器噪声并导致接收器灵敏度降低。通过对元器件施加更严格的要求，可以减少IMD的影响。为了在不对所有设备施加非常严格的射频要求的情况下降低IMD的影响，5GNR允许单链双连接用于“困难的频带组合”。在此上下文中，困难的频带组合对应于LTE和NR频带的特定识别的组合，对于这些频带，同时发送的LTE和NR上行链路载波之间的低阶互调产物可落入相应的下行链路频带。单发操作意味着即使设备在LTE/NR双连接中运行，也不会在设备内121的LTE和NR上行链路载波上同时传输。在单发操作的情况下，LTE和NR调度器的任务是联合防止LTE和NR上行链路载波上的同时传输。这需要调度器之间的协调，即eNB和gNB之间的协调。3GPP规范明确了支持标准化节点间消息的交换。单发操作固有地导致设备内的LTE和NR上行链路传输之间的时间复用，该方案对于NR而言，凭借其高度的调度和混合ARQ灵活性可以轻松实现，而不会对NR产生额外影响。对LTEFDD基于同步HARQ会导致潜在下行受限。NR独立组网双连接：5G独立组网的多连接是为了解决高频部分（毫米波）覆盖方面的问题，通过多连接技术，既能让用户使用高频的大带宽和高速率，又能通过sub6GHz解决覆盖的问题。5G规范对这方面的支持更简单，手机的发射功率低于基站发射功率，覆盖瓶颈受限于上行，工作于更低频段的SUL（上行辅助频段）就可以通过双连接的方式与下行频段配和，从而补偿上行覆盖不足的瓶颈。而在3GPP规范中，就定义了较多的补偿上行的专用频段，多集中在低频段，如下表：NR频段上行链路（UL）频段n801710MHzn81880MHzn82832MHzn83703MHzn841920MHzn861710MHz122第五章5G关键过程5.15G的频率计算5G在sub6Ghz下有很多band可用，每个band又可以有不同的频点配置；5G中引入了频率栅格的概念，也就是中心频点不能随意配置，必须满足一定规律，主要目的是为了UE能快速的搜索小区。Channelraster：载波的中心频点的可选位置；一般频点值都以NR-ARFCN（NR绝对射频频率信道编号）数值间接表示，即下面表格中的Nref，一般在RRC消息中传递的都是这个信道编号，如果需要知道具体代表的频率值，参考下面公式中的频率Fref的计算：:Globalfrequencyraster,全局频率栅格:Operatingbandschannelraster,频带信道栅格=Step。中心频点不能随意选，需要按照一定起点和步长选取，具体要求参见下面表格：123比如对n40，步长是20，换算出对应的频率的步长是20==100Khz，取值为5，参见上面表格；n40对应的频率范围：4600005Khz=2,300,000KHz~4800005KHz=2,400,000Khz即在2300MHZ和2400MHZ范围内选取中心频点，步长为100Khz。在NSA中配置在无线测量中即要求测量载波的中心频点，如下：124从上图可以看到在NSA中，在测量配置中已经将载波的SSB中心频点告知UE，要求UE测量该频段。需要注意的是SSB中心频点不是SSB的绝对中心频点，SSB包含20个RB，SSB的中心频点absoluteFrequencySSB对应于第10个RB（从0编号）的第0号子载波的中心，也就是和绝对的中心偏了半个子载波（15khz）。SSB中心频点504990在0-599999之间，按照公式计算：125Fref-offs为0，Nref-offs为0，即Fref=△FglobalNref=5504990=2524950Khz，即2524.95MHZ。按照100M:2515`2615,60M:2515`2575，可以明显的看出SSB的中心频点位置不是载波的中心频点位置。Synchronizationraster:SSB块的中心频点可选位置；目的是让UE更快速的找到SSB；5G里面SSB的中心SSref和载波的中心不需要重合；SSB的中心频率一般也是通过GSCN的编号值间接表示的。GSCN：GlobalSynchronizationChannelNumber，即全球同步信道号，是用于标记SSB的信道号。每一个GSCN对应一个SSB的频域位置SSREF（SSB的RB10的第0个子载波的起始频率），GSCN按照频域增序进行编号。NSA组网时基站会通过RRC重配置消息通知UE关于频点的信息，帮助UE快速搜索到目标小区,所以在NSA组网时SSB的位置不需要遵循GSCN，但是在SA组网时SSB配置必须要满足GSCN。下面通过具体例子看下如何通过频点信息换算出载波的中心频点和SSB的中心频点值：例如我们从RRC重配置消息了看到：frequencyInfoDL=[absoluteFrequencySSB=504990frequencyBandList=[FreqBandIndicatorNR=41]absoluteFrequencyPointA=503232scs_SpecificCarrierList=[SCS_SpecificCarrier=[offsetToCarrier=0subcarrierSpacing=kHz30carrierBandwidth=273]NR=band41，是小于3Ghz的band，可以套用上面表格5.4.2.1-1对应的第一列126的参数；carrierBandwidth=273，代表载波里面是273个RB，273RB1230Khz=98.280Mhz，并没有完全占满100Mhz带宽，因为两边需要留出保护带宽（guardband）。subcarrierSpacing：代表子载波间隔是30Khz；每个RB有12个子载波absoluteFrequencyPointA=503232：代表公共参考点A，这个参考点是273个RB的第0个RB，也就是RB0的第0个子载波的中心点，即5032325Khz=2,516,160Khz整个载波的中心频率位置和RB总数有关系；这个例子中RB总数是273个，为奇数，中心频点对应的RB是273/2向下取整，即RB136（从0编号），子载波6（从0编号）；也就是中心频点在RB136的子载波6的中心（注意不是边沿edge，所以也不在273个RB的绝对中心（1/2处），偏移了半个子载波，但确实是整个100Mhz的绝对中心）；那么中心频点具体频率值计算可以从公共参考点A（2,516,160Khz）为参考点：2,516,160Khz+1361230Khz+630=2,565,300Khz5.2NSA小区搜索过程在LTE中由于PSS/SSS拥有固定的时域位置，所以通过检PSS/SSS，以及比较两个信号的相对位置就可以获得帧结构的同步，无论在FDD/TDD中，固定占据频带中间72个子载波，通过解调PSS/SSS就可以获得中间72个子载波的位置以及中心频点。在NR中SSB的时域位置和频域位置都不再固定，而是灵活可变的。频域上，SSB不再固定于频带中间；时域上，SSB发送的位置和数量都可能变化。所以在NR中仅通过解调PSS/SSS信号，是无法获得频域和时域资源的完全同步的，必须完成PBCH的解调，才能最终达到时频资源的同步。UE开机后，根据NAS层指示，首选确定要选择的PLMN，AS层根据确定的PLMN进行小区选择和重选。小区选择包括：1.存储小区信息选择：根据上次存储的频点信息进行小区选择，如果找不到合适小区，则进行初始选择;2.UE根据其自身支持的NR频段扫描所有RF无线信道。在每个频点上，UE127搜索最强的小区;在NSA情况下，UE和AS存在专用控制信道，4G基站侧配置了5G的测量SSB中心频点位置，并且配置了测量报告。当UE触发了测量事件（一般配置为B1事件），则通过RRCConnectionReconfiguration配置5G资源。128分析下信令过程：1.测量配置：在RRCConnectionReconfiguration中配置了B1-NR的测量配置，配置了频点为504990，Thresh为-120时，上报B1事件，最大上报小区数为8个。2.测量上报：1291.当前测量报告上报的是measId为3的测量报告，结合上图频点为504990。PCI为740。2.RSRP的信号强度为53,即53-156=-103dbm。3.子载波的带宽为30khz，共计8个beam，当前为7号位置。3.资源配置：UE上报了B1-NR事件后，小区为UE配置资源，资源配置情况如下：1301.释放QCI=9的标识为4的DRB承载，因为默认承载是建立在LTE网络，当前即将配置5G网络资源，所以释放了4G的DRB资源。2.下发5G小区的测量配置情况：3.配置RLC,MAC,辅助小区的信息MAC层补充知识：1311.SR：SchedulingRequest，调度申请，sr-ProhibitTimer定时器（SR禁止定时器）用于监视在PUCCH中传输的SR信号，当该定时器正在运行时，是不能发送SR的，一旦该定时器超时，UE就需要重新发送SR，直到达到最大发送次数dsr-TransMax。当前配置为定时器时间为8ms,最大重传次数为64次。2.BSR:BufferStatusReport,缓冲区状态报告，UE向基站侧上报缓冲区状态。上行数据传输需要的资源是通过BSR来获得，缓冲区状态报告过程用于给服务小区提供UE上行缓冲区数据量情况。UE上发SR只是说明了有上行数据待发送，小区需要根据BSR情况给UE分配合适的资源。多个逻辑信道构成逻辑信道组LCG(LogicChannelGroup),UE基于LCG上报BSR。BSR根据数据格式分为ShortBSR、TruncatedBSR、LongBSR格式,ShortBSR、TruncatedBSR只上报一个LCG的BSR。其格式由一个LCGID域和一个对应的BufferSize域组成。LongBSR格式包含了4个BufferSize域，对应LCGID0~3。该格式会将所有LCG的BufferSize一起上报给eNodeB。BSR根据时域格式分为regularBSR（新数据到达ULbuffer时候，并且新数据比在buffer中等待的数据优先级高）、periodicBSR（周期是网络事先定义的，通过RRC消息告知UE）、paddingBSR（当padding数据比BSR的数据大时，padding数据的空间可以用来传输BSR）。涉及两个定时器periodicBSR-Timer与retxBSR-Timer,periodicBSR-Timer为周期性地发送（只与时间相关），超时后终端就发BSR。retxBSR-Timer的作用是提醒基站为终端分配相应的资源，当UE的缓冲区有数据，终端才会发BSR，并且开启retxBSR-Timer定时器，在定时器超时后，还存在上行数据待发送，则再次发送BSR，再次开启retxBSR-Timer定时器。132辅小区公共信息：需要注意：初始BWP是小区公共资源，非专用某个UE的专用资源。UE接收到配置信息后开始在5G测随机接入。5.35G随机接入当UE测量触发了B1-NR事件后，基站侧通过RRCCONCREC重配置调整了L1和L2层配置，并且将5G的小区的公共信息告知UE，UE通过初始BWP尝试随133机接入5G网络。如下图：基于竞争的RA：1.初始RRC连接建立2.RRC连接重建3.失步上行数据到达4.UE从RRC_Inactive到RRC_Connected5.UEPHY检测到波束失步，通知MAC层发起RA基于非竞争的RA：1.切换2.失步下行数据到达3.NSA接入4.基于RA的SI请求在UE发起B1-NR时基站侧分配资源情况如下：134详细分析RACH信道的公共配置信息：1.Prachconfigindex:PRACH配置索引，在3GPP中规定了PRACH的配置索引和配置信息的关系,当前频点为FR1，查表（38211）信息如下：PRACHConfigurationIndexPreambleformatNsnfModX=YSubframenumberStartingsymbolNumberofPRACHslotswithinasubframenumberofPRACHoccasionswithinaPRACHslotPRACHduration162A3102,70226对应的Preamble码格式为A3，即如下：长度为139的短序列，2.prachoccasion：可用于发送preamble的时频域资源，可采用TDM和FDM（参数msg1-FDM配置）。https://blog.csdn.net/weixin_30471561/article/details/101338519135xy5.44G切换不携带5G5G切换和4G相似，基本是延续了4G的切换原则，主要是增加了B1-NR和B2-NR事件。A1：Ms>Thresh+Hys，当服务小区比Thresh高Hyst的时间达到T则触发A1，一般用来关闭UE的测量。A2：Ms
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