5G-NR物理信道与调制v1.0.0

Marshall:v1.0.0版本已过时,5G NR物理层规范已更新到v1.1.0版本

帧结构与物理资源

概述


在本规范中,除非另有说明,在时域中的各个域的大小表示为若干时间单位\({ {T}_{\text{s}}}={1}/{\left( \Delta { {f}_{\max }}\cdot { {N}_{\text{f}}} \right)}\;\),其中\(\Delta { {f}_{\max }}=480\cdot { {10}^{3}}\) Hz,\({ {N}_{\text{f}}}=4096\)。常量\(\kappa ={\Delta { {f}_{\text{max}}}{ {N}_{\text{f}}}}/{\left( \Delta { {f}_{\text{ref}}}{ {N}_{\text{f,ref}}} \right)}\;=64\),其中\(\Delta { {f}_{\text{ref}}}=15\cdot { {10}^{3}}\text{ Hz}\)\({ {N}_{\text{f,ref}}}=2048\)

波形参数


支持多种OFDM波形参数,如Table 4.2-1所示,其中载波带宽部分的\(\mu\)和CP由高层参数给定,下行链路由DL_BWP_muDL_BWP_cp给定,上行链路由UL_BWP_muUL_BWP_cp给定。

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帧结构

帧和子帧


下行与上行链路传输于帧中,一帧的时域为\({ {T}_{\text{f}}}=\left( {\Delta { {f}_{\max }}{ {N}_{\text{f}}}}/{100}\; \right)\cdot { {T}_{\text{s}}}=10\text{ ms}\),一帧包含10个子帧,每个子帧时域为\({ {T}_{\text{sf}}}=\left( {\Delta { {f}_{\max }}{ {N}_{\text{f}}}}/{1000}\; \right)\cdot { {T}_{\text{s}}}=1\text{ ms}\)。每个子帧中的连续OFDM符号数为\(N_{\text{symb}}^{\text{subframe},\mu }=N_{\text{symb}}^{\text{slot}}N_{\text{slot}}^{\text{subframe},\mu }\)。每帧分为两个相等大小的半帧,每个半帧包含5个子帧。

There is one set of frames in the uplink and one set of frames in the downlink on a carrier.

来自UE的上行帧\(i\)应在UE对应的下行帧开始前\({ {T}_{\text{TA}}}={ {N}_{\text{TA}}}{ {T}_{\text{s}}}\)传输。

时隙


对于子载波间隔配置\(\mu\),时隙在子帧内按递增顺序编号\(n_{\text{s}}^{\mu }\in \left\{ 0,...,N_{\text{slot}}^{\text{subframe,}\mu }-1 \right\}\),在帧内按递增顺序编号\(n_{\text{s,f}}^{\mu }\in \left\{ 0,...,N_{\text{slot}}^{\text{frame,}\mu }-1 \right\}\)。一个时隙内有\(N_{\text{symb}}^{\text{slot}}\)个连续的OFDM符号,\(N_{\text{symb}}^{\text{slot}}\)依赖于CP长度,并且由Tables 4.3.2-1和4.3.2-2给定。子帧内的起始时隙\(n_{\text{s}}^{\mu }\)与子帧内起始OFDM符号\(n_{\text{s}}^{\mu }N_{\text{symb}}^{\text{slot}}\)在时间上对齐。

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Agreements:

  • A slot can contain all downlink, all uplink, or {at least one downlink part and at least one uplink part}
  • There are also agreements on various semi-static configurations with different periodicities

物理资源

天线端口


天线端口定义为,在同一天线端口上,某一符号上的信道可以由另一符号上的信道推知。

如果一个天线端口上某一符号传输的信道的大尺度性能可以被另一天线端口上某一符号传输的信道所推知,则这两个天线端口被称为quasi co-located。大尺度性能包括一个或多个延时扩展,多普勒扩展,多普勒频移,平均增益,平均时延和空间接收参数。

资源格


对于每种波形参数和载波,资源格由\(N_{\text{RB,}x}^{\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}}\)个子载波和\(N_{\text{symb}}^{\text{subframe},\mu }\)个OFDM符号定义,其中\(x\)表示DL或UL,\(N_{\text{RB,}x}^{\text{max,}\mu }\)由Table 4.4.2-1给定。在不至于混淆的情况下,下标\(x\)可省略。每个天线端口\(p\),每个子载波间隔配置\(\mu\)以及每个传输方向(上行或下行)对应一个资源格。

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资源元素

天线端口\(p\)和子载波间隔配置\(\mu\)下的资源格中每个元素被称为资源元素(Resource Element,RE),它用索引对\(\left( k,l \right)\)唯一地标识,其中\(k=0,...,N_{\text{RB}}^{\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}}-1\)是频域索引,\(l\)是时域符号索引。

天线端口\(p\)和子载波间隔配置\(\mu\)下的RE \(\left( k,l \right)\)表示为\({ {\left( k,l \right)}_{p,\mu }}\),相应的复数值表示为\(a_{k,l}^{(p,\mu )}\)。在不至于混淆的情况下,或在没有特定的天线端口或子载波间隔的情况下,索引\(p\)\(\mu\)可以省略,简写为\(a_{k,l}^{(p)}\)\({ {a}_{k,l}}\)

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。

资源块


一个物理资源块(PRB)在频域上定义为\(N_{\text{sc}}^{\text{RB}}=12\)连续的子载波。

PRB在频域上从0到\(N_{\text{RB}}^{\mu }-1\)编号。频域上的PRB数\({ {n}_{\text{PRB}}}\)和RE \((k,l)\)的关系由下式给定:

\[{ {n}_{\text{PRB}}}=\left\lfloor \frac{k}{N_{\text{sc}}^{\text{RB}}} \right\rfloor \]

载波带宽part


对于给定的载波上的波形参数\({ {\mu }_{i}}\),载波带宽part(bandwidth part,BWP)是一组连续的PRB。BWP中的RB从0到\(N_{\text{RB,}x}^{\mu }-1\)编号,其中\(x\)表示DL或UL,with \(N_{\text{BWP}}^{i}\) being the offset between PRB 0 in the absolute resource block grid in clause 1.4.4 and PRB 0 in carrier bandwidth part number \(i\)。BWP中的RB数应满足\(N_{\text{RB, }x}^{\text{min, }\mu }\le N_{\text{RB,}x}^{\mu }\le N_{\text{RB, }x}^{\text{max, }\mu }\),其中最小值和最大值在Table 4.4.2-1中给定。

下行链路中,UE可配置具有一个或多个载波BWP,所述载波BWP的子集在给带时间处于激活状态。UE不希望在BWP以外的频带接收PDSCH或PDCCH。

在上行链路中,UE可配置为具有一个或多个载波BWP,所述载波BWP的子集在给定时间处于激活状态。UE不希望在BWP以外的频带发送PUSCH或PUCCH。

载波聚合


在多个小区中的传输可以被聚合,除了主小区外,最多可以使用15个辅小区。除非另有说明,本规范中的描述适用于多达16个服务小区中的每一个。

通用函数

调制映射器


调制映射器采用二进制0或1作为输入,产生复值调制符号作为输出。

π/2-BPSK


对于π/2-BPSK调制,比特\(b(i)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[x=\frac{ { {e}^{j{i\pi }/{2}\;}}}{\sqrt{2}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)+j\left( 1-2b(i) \right) \right]\]

BPSK


对于BPSK调制,比特\(b(i)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)+j\left( 1-2b(i) \right) \right]\]

QPSK


对于QPSK调制,成对比特\(b(i),b(i+1)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)+j\left( 1-2b(i+1) \right) \right]\]

16QAM


对于16QAM调制,四位比特\(b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[x=\frac{1}{\sqrt{10}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+2) \right) \right)+j\left( 1-2b(i+1) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+3) \right) \right) \right]\]

64QAM


对于64QAM调制,六位比特\(b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3),b(i+4),b(i+5)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[\begin{align} \nonumber & x=\frac{1}{\sqrt{42}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)\left( 4-\left( 1-2b(i+2) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+4) \right) \right) \right) \right. \\ \nonumber & \ \ \ \ \ \ \left. +j\left( 1-2b(i+1) \right)\left( 4-\left( 1-2b(i+3) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+5) \right) \right) \right) \right] \\ \end{align}\]

256QAM


对于256QAM调制,八位比特\(b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3),b(i+4),b(i+5),b(i+6),b(i+7)\)根据下式映射为复值调制符号\(x\)

\[\begin{align} \nonumber & x=\frac{1}{\sqrt{170}}\left[ \left( 1-2b(i) \right)\left( 8-\left( 1-2b(i+2) \right)\left( 4-\left( 1-2b(i+4) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+6) \right) \right) \right) \right) \right. \\ \ \ \ \nonumber & \left. +j\left( 1-2b(i+1) \right)\left( 8-\left( 1-2b(i+3) \right)\left( 4-\left( 1-2b(i+5) \right)\left( 2-\left( 1-2b(i+7) \right) \right) \right) \right) \right] \end{align}\]

伪随机序列生成


伪随机序列由长度为31的Gold序列定义。长度为\({ {M}_{\text{PN}}}\)的输出序列\(c(n)\),其中\(n=0,1,...,{ {M}_{\text{PN}}}-1\),由下式定义

\[\begin{align} \nonumber & c(n)=\left( { {x}_{1}}(n+{ {N}_{C}})+{ {x}_{2}}(n+{ {N}_{C}}) \right)\bmod 2 \\ \nonumber & { {x}_{1}}(n+31)=\left( { {x}_{1}}(n+3)+{ {x}_{1}}(n) \right)\bmod 2 \\ \nonumber & { {x}_{2}}(n+31)=\left( { {x}_{2}}(n+3)+{ {x}_{2}}(n+2)+{ {x}_{2}}(n+1)+{ {x}_{2}}(n) \right)\bmod 2 \end{align}\]

其中\({ {N}_{C}}=1600\),第一m序列应由\({ {x}_{1}}(0)=1,{ {x}_{1}}(n)=0,n=1,2,...,30\)初始化。第二m序列的初始化由\({ {c}_{\text{init}}}=\sum\nolimits_{i=0}^{30}{ { {x}_{2}}(i)\cdot { {2}^{i}}}\)表示,其值取决于序列的应用。

OFDM基带信号生成


对除PRACH以外的任何物理信道或信号,对于一个子帧内的OFDM符号\(l\),天线端口\(p\)和子载波间隔配置\(\mu\)下的时间连续信号\(s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right)\)定义为

\[s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right)=\sum\limits_{k=-\left\lfloor N_{\text{RB}}^{\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}}/2 \right\rfloor }^{ { {\left\lceil N_{\text{RB}}^{\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}}/2 \right\rceil }^{ {}}}-1}{a_{ {k}',\bar{l}}^{(p,\mu )}\cdot { {e}^{j2\pi \left( k+{ {k}_{0}} \right)\Delta f\left( t-{ {N}_{\text{CP},\bar{l}}}\cdot { {T}_{\text{s}}} \right)}}}\]

其中\(0\le t<\left( { {N}_{\text{u}}}+N_{\text{CP},\bar{l}}^{\mu } \right){ {T}_{\text{s}}}\)且${k}'=k+/{2}; $。The value of \({ {k}_{0}}\) is such that the lowest numbered subcarrier in a resource block for subcarrier spacing configuration \(\mu\) coincides with the lowest numbered subcarrier in a resource block for any subcarrier spacing configuration less than \(\mu\).

子载波间隔配置\(\mu\)下的OFDM符号\(l\)的起始位置为

\[ t_{\text{start},l}^{\mu }=\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} 0 & l=0 \\ t_{\text{start},\bar{l}-1}^{\mu }+\left( { {N}_{\text{u}}}+N_{\text{CP,}l-1}^{\mu } \right)\cdot { {T}_{\text{s}}} & \text{otherwise} \\ \end{array} \right.\]

其中

\[ \begin{align} \nonumber & { {N}_{\text{u}}}=2048\kappa \cdot { {2}^{-\mu }} \\ \nonumber & { {N}_{\text{CP},\bar{l}}}=\left\{ \begin{array}{*{35}{l}} 512\kappa \cdot { {2}^{-\mu }} & \text{extended cyclic prefix} \\ 144\kappa \cdot { {2}^{-\mu }}+16\kappa & \text{normal cyclic prefix and }l=0\text{ or }l=7 \\ 144\kappa \cdot { {2}^{-\mu }} & \text{otherwise} \\ \end{array} \right.\cdot { {2}^{\mu }} \\ \nonumber & \end{align}\]

对于PRACH,天线端口\(p\)下的时间连续信号\(s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right)\)定义为

\[s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right)=\sum\limits_{k=-\left\lfloor { {L}_{\text{RA}}}/2 \right\rfloor }^{ { {\left\lceil { {L}_{\text{RA}}}/2 \right\rceil }^{ {}}}-1}{a_{ { {k}'}}^{(p,\text{RA})}\cdot { {e}^{j2\pi \left( k+{ {k}_{0}} \right)\Delta { {f}_{\text{RA}}}\left( t-{ {N}_{\text{CP},l}}\cdot { {T}_{\text{s}}} \right)}}}\]

其中\(0\le t<\left( { {N}_{\text{u}}}+N_{\text{CP},l}^{\mu } \right){ {T}_{\text{s}}}\)且${k}'=k+/{2}; $。

一个子帧内PRACH前导的起始位置由\(t_{\text{start}}^{\text{RA}}\)给定,假设子帧始于\(t=0\),其中

  • 对于\(\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 15,30,60,120 \right\}\text{ kHz}\),有\(t_{\text{start}}^{\text{RA}}=t_{\text{start},l}^{\mu }\) for some \(l\)

\({ {L}_{\text{RA}}}\)\({ {N}_{\text{u}}}\)在3.3.3节给定,并且有${ {N}{,l}}=N{}^{}+n$,其中

  • 对于\(\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 1.25,5 \right\}\text{ kHz}\)\(n=0\)
  • 对于\(\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 15,30,60,120 \right\}\text{ kHz}\)\(n\) is the number of times the interval \(\left[ t_{\text{start}}^{\text{RA}},t_{\text{start}}^{\text{RA}}+\left( N_{\text{u}}^{\text{RA}}+N_{\text{CP}}^{\text{RA}} \right){ {T}_{\text{s}}} \right]\) overlaps with either time instance 0 or time instance \(\left( {\Delta { {f}_{\max }}{ {N}_{\text{f}}}}/{500}\; \right)\cdot { {T}_{\text{s}}}=0.5\text{ ms}\) in a subframe

调制和上变频


对于天线端口\(p\)和子载波间隔配置\(\mu\),复值OFDM基带信号调制和上变频至载频\({ {f}_{0}}\)

\[\operatorname{Re}\left\{ s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right)\cdot { {e}^{j2\pi { {f}_{0}}t}} \right\}\]

上行链路


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下行链路


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相关链接


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