5G-NR物理信道与调制v1.1.0

Marshall:5G NR物理层规范已更新到v1.1.0版本,本文整理了38.211规范v1.1.0版,同时宣告v1.0.0版本过时。

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Scope

References

Definitions, symbols and abbreviations

帧结构与物理资源

概述


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

${ {T}_{\text{s}}}$是LTE的采样间隔,为了不引起混淆,NR的采样间隔用新的符号${ {T}_{c}}$命名,${ {T}_{c}}=64{ {T}_{s}}$。

波形参数


如Table 4.2-1所示,NR支持多种OFDM波形参数。部分载波带宽(carrier bandwidth part)的$ \mu $和CP由高层参数给定,其中下行链路由DL_BWP_muDL_BWP_cp给定,上行链路由UL_BWP_muUL_BWP_cp给定。

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Marshall:NR支持多种子载波间隔,当$ \mu =0 $时即为LTE的参数配置,也就是说LTE的参数配置是NR的一个特例。

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{c}}}=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{c}}}=1\text{ ms} $。每个子帧内连续的OFDM符号数为$ 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,即半帧0由子帧0-4组成,半帧1由子帧5-9组成。

在一个载波上有一组帧用于上行链路,有一组帧用于下行链路。

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{c}}} $传输。

时隙


对于子载波间隔配置$ \mu $,时隙在子帧内按递增顺序编号为$ n_{\text{s}}^{\mu }\in \left\{ 0,…,N_{\text{slot}}^{\text{subframe,}\mu }-1 \right\} $,在帧内按递增顺序编号为$ 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}} $个连续的OFDM符号,其中$ N_{\text{symb}}^{\text{slot}} $的值依赖于CP长度,CP长度由Tables 4.3.2-1 and 4.3.2-2给定。一个子帧内的起始时隙$ n_{\text{s}}^{\mu } $与这个子帧内起始OFDM符号$n_{\text{s}}^{\mu }N_{\text{symb}}^{\text{slot}}$在时间上对齐。

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Marshall:一个帧是10ms,一个子帧是1ms,一个子帧内的时隙数是不定的,而一个时隙内的符号数是固定的,因此一个子帧内的符号数是不定的。这里唯一变化的参数就是时隙数,而时隙数是根据子载波间隔配置$ \mu $来确定的。追溯到源头,是由于$ \mu $的不同配置,带来了上述参数的变化。

物理资源

天线端口


天线端口定义为,在同一个天线端口上,传输某一符号的信道可以从传输另一个符号的信道推知。

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(quasi co-located,QCL)的。大尺度特性包括一个或多个时延扩展,多普勒频移,平均增益,平均时延,空间Rx参数。

资源格


对于给定的波形参数和子载波间隔配置,资源格定义为$ N_{\text{RB,}x}^{\text{max,}\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}} $个频域子载波和$ N_{\text{symb}}^{\text{subframe},\mu } $个时域OFDM符号,其中$ N_{\text{RB,}x}^{\text{max,}\mu } $由Table 4.4.2-1给定,$ x $表示DL(downlink)或UL(uplink)。在不会产生混淆时,下标$ 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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资源粒子


对于天线端口$ p $和子载波间隔配置$ \mu $,资源格中的每个元素被称为资源粒子,并且由索引对$ \left( k,l \right) $唯一地标识,其中$ k $是频域索引,$ l $是时域符号索引。

天线端口$ p $和子载波间隔配置$ \mu $下的资源粒子表示为$ { {\left( k,l \right)}_{p,\mu }} $,其对应的复数值为$ a_{k,l}^{(p,\mu )} $。在不会产生混淆时,或在没有指定某一天线端口或子载波间隔时,索引$ p $和$ \mu $可以省略,表示为$ a_{k,l}^{(p)} $或$ { {a}_{k,l}} $。

一个资源粒子可分为“上行链路”、“下行链路”、“灵活”或“保留”。

  • 如果一个资源粒子被配置为“保留”,UE不应在上行链路资源粒子中传输任何数据,也不应假设下行链路资源粒子中有任何内容。

资源块


在频域内,物理资源块定义为$ N_{\text{sc}}^{\text{RB}}=12 $连续的子载波。

在频域内,物理资源块从0到$ N_{\text{RB}}^{\text{max,}\mu }-1 $进行编号。在频域内,物理资源块号$ { {n}_{\text{PRB}}} $与资源粒子 的关系如下:

部分载波带宽


对于给定载波上的给定波形参数$ { {\mu }_{i}} $,部分载波带宽(Carrier bandwidth part)定义为一个物理资源块(在4.4.4中定义)的连续子集。BWP中的资源块从0到$ N_{\text{RB,}x}^{\mu }-1 $进行编号,其中$ x $表示DL(downlink)或UL(uplink)。$ N_{\text{BWP}}^{i} $是4.4.4节中绝对资源块格栅中的PRB0与编号为$i$的部分载波载波带宽中的PRB0之间的偏移。一个BWP内的资源块数应满足$ N_{\text{RB, }x}^{\text{min, }\mu }\le N_{\text{RB,}x}^{\mu }\le N_{\text{RB, }x}^{\text{max, }\mu } $,其中最小与最大值由Table 4.4.2-1给定。

在下行链路,UE可以配置一个或多个BWP,并且可以在指定的时间对下行BWP进行激活。在激活的BWP之外,UE不会接收PDSCH或PDCCH。

在上行链路,UE可以配置一个或多个BWP,并且可以在指定的时间对上行BWP进行激活。在激活的BWP之外,UE不会接收PUSCH或PUCCH。

载波聚合


多个小区的传输可以被聚合起来,除了主小区之外最多可聚合15个次级小区。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$x$

BPSK


对于BPSK调制,比特$b(i)$根据下式映射为复值调制符号$x$

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$x$

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$x$

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$x$

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$x$

序列生成

伪随机序列生成


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

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

ZC序列生成


序列$ r_{u,v}^{(\alpha ,\delta )}(n) $由基序列$ { {\bar{r}}_{u,v}}(n) $根据下式的循环移位$ \alpha $得到:

其中$ { {M}_{\text{ZC}}}={mN_{\text{sc}}^{\text{RB}}}/{ { {2}^{\delta }}}\; $是序列长度,且$ 1\le m\le N_{\text{RB}}^{\text{max,UL}} $。多个序列由基序列根据不同的$ \alpha $和$ \delta $值来得到。

基序列$ { {\bar{r}}_{u,v}}(n) $被分为若干组,$ u\in \left\{ 0,1,…,29 \right\} $是分组号,$ v $是组内基序列号。每个组包含一个长度为$ { {M}_{\text{ZC}}}=mN_{\text{sc}}^{\text{RB}} $的基序列($ v=0 $)且$ 1\le m\le 5 $,和两个长度为$ { {M}_{\text{ZC}}}=mN_{\text{sc}}^{\text{RB}} $的基序列($ v=0,1 $)且$ 6\le m\le N_{\text{RB}}^{\text{max,UL}} $。基序列$ { {\bar{r}}_{u,v}}(0),…,{ {\bar{r}}_{u,v}}({ {M}_{\text{ZC}}}-1) $的定义依赖于序列长度$ { {M}_{\text{ZC}}} $。

长度大于等于$ 3N_{\text{sc}}^{\text{RB}} $的基序列


对于$ { {M}_{\text{ZC}}}\ge 3N_{\text{sc}}^{\text{RB}} $,基序列$ { {\bar{r}}_{u,v}}(0),…,{ {\bar{r}}_{u,v}}({ {M}_{\text{ZC}}}-1) $为

其中

长度$ { {N}_{\text{ZC}}} $为满足$ { {N}_{\text{ZC}}}<{ {M}_{\text{ZC}}} $的最大素数。

长度小于$ 3N_{\text{sc}}^{\text{RB}} $的基序列


对于$ { {M}_{\text{ZC}}}={ {N}_{\text{ZC}}} $和$ { {M}_{\text{ZC}}}=2{ {N}_{\text{ZC}}} $,基序列为

其中$ \phi (n) $的值由Tables 5.5.1.2-1 and 5.5.1.2-2给定。

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OFDM基带符号生成


时域连续序号$ s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right) $是天线端口$ p $和子载波间隔配置$ \mu $下,在一个子帧内的第$ l $个OFDM符号。OFDM符号用于除PRACH之外的任何物理信道或物理信号,定义为

其中$ 0\le t<\left( { {N}_{\text{u}}}+N_{\text{CP},\bar{l}}^{\mu } \right){ {T}_{\text{c}}} $且$ {k}’=k+\left\lfloor {N_{\text{RB}}^{\mu }N_{\text{sc}}^{\text{RB}}}/{2}\; \right\rfloor $。$ { {k}_{0}} $是在子载波间隔配置$ \mu $下,一个RB内最低编号的子载波,并且与任何小于$ \mu $的配置下的RB内最低编号的子载波相一致。

子载波间隔配置$ \mu $下,一个子帧内OFDM符号$ l $的起始位置为

其中

时域连续符号$ s_{l}^{(p,\mu )}\left( t \right) $是天线端口$ p $上用于传输PRACH的符号,定义为

其中$ 0\le t<\left( { {N}_{\text{u}}}+N_{\text{CP},l}^{\text{RA}} \right){ {T}_{\text{c}}} $且$ {k}’=k+\left\lfloor { { {L}_{\text{RA}}}}/{2}\; \right\rfloor $。

一个子帧内PRACH前导的起始位置定义为$ t_{\text{start}}^{\text{RA}} $,假设子帧在$ t=0 $时刻开始,

  • 对于$ \Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 15,30,60,120 \right\}\text{ kHz} $,对于符号$ l $有$ t_{\text{start}}^{\text{RA}}=t_{\text{start},l}^{\mu } $

$ { {L}_{\text{RA}}} $和$ { {N}_{\text{u}}} $由6.3.3节和$ N_{\text{CP},l}^{\text{RA}}=N_{\text{CP}}^{\text{RA}}+n\cdot 16\kappa $给定,其中

  • 对于$ \Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 1.25,5 \right\}\text{ kHz} $,有$ 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{c}}} \right] $ overlaps with either time instance 0 or time instance $ \left( {\Delta { {f}_{\max }}{ {N}_{\text{f}}}}/{2000}\; \right)\cdot { {T}_{\text{c}}}=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}} $:

上行链路


5G-NR物理信道与调制-上行链路v1.1.0

下行链路


5G-NR物理信道与调制-下行链路v1.1.0