了解5G NR物理层 | 5G PHY层概述 | 5G第1层

坑坑是吃货

此 5G NR 物理层根据 5G 新无线电 3GPP 标准提供了 PHY 层模块的概述。它描述了通过 5G 物理层对 PDSCH 和 PUSCH 信道的处理。

第五代无线接入技术被称为NR（New Radio）。它遵循类似于GSM、CDMA和LTE的3GPP系列标准。3GPP 组织几年来一直在制定 5G NR 规范。第一个规范已于 2017 年 12 月发布，支持 NSA（非独立），其中 5G 兼容 UE 依赖现有 LTE 进行初始接入和移动。2018 年 6 月，独立于 LTE 工作的 5G NR 规范的 SA 版本已经完成。5G NR 技术有三种不同的用例，即。eMBB（增强型移动宽带）、mMTc（大规模机器类型通信）和 uRLLC（超可靠低延迟通信）。5G PHY层在3GPP TS 38.200系列文件中有规定。

5G NR 网络中有两个主要组件，即。UE（即移动用户）和gNB（即基站）。gNB 在后端与 5G Core 连接。从 gNB 到 UE 的连接称为下行链路，它使用 PBCH、PDSCH 和 PDCCH 信道来承载不同的数据/控制信息。从 UE 到 gNB 的连接称为上行链路，它使用 PRACH、PUSCH 和 PUCCH 信道。参考5G NR网络架构>>。

5G NR 参数学
5G NR 支持两个频率范围 FR1（低于 6GHz）和 FR2（毫米波范围，24.25 至 52.6 GHz）。NR 使用源自 LTE 中使用的基本 15 KHz 子载波间隔的灵活子载波间隔。因此选择CP长度。在表 1 中显示。

μ	Δf = 2 μ .15	循环前缀
0	15 KHz	Normal
1	30 KHz	Normal
2	60 KHz	Normal, Extended
3	120 KHz	Normal
4	240 KHz	Normal
5	480 KHz	Normal

表 1：μ、子载波间隔、CP、PRB

如表 2 中所述，FR1 和 FR2 两个频率范围都使用不同的 5G 参数集。低于 6 GHz 的 5G NR 支持 15/30 KHz 的子载波间隔，而毫米波频段支持 60/120/240 KHz。低于 6 GHz 支持 100 MHz 的最大带宽，而毫米波频率范围支持 400 MHz。在 LTE 中，使用了 20 MHz 的最大带宽。

参数	低于 6 GHz 范围	毫米波范围
载波聚合	多达 16 个载体
每个运营商的 BW	5/10/15/20/25/40/50/60/80/100 兆赫	50/100/200/400 兆赫
副载波间隔	15/30/60 赫兹	60/120/240 赫兹
调制方案	下行链路/上行链路：256 QAM
多输入多输出	DL：最多 8 层，	DL：最多2层，
	UL：最多 4 层	UL：最多2层
双工模式	TDD（重点），FDD	测试驱动开发
接入方案	DL：CP-OFDM，UL：CP-OFDM，DFT扩展OFDM

表 2：根据 3GPP Rel.15 的 5G NR Sub-6 GHz 和毫米波参数

副载波间隔 (KHz)	15	30	60	120	240
符号持续时间 (µs)	66.7	33.3	16.7	8.33	4.17
CP 持续时间 (µS)	4.7	2.3	1.2（普通CP），4.13（扩展CP）	0.59	0.29
最大限度。标称系统带宽 (MHz)	50	100	100（低于 6 GHz）、200（毫米波）	400	400
FFT 大小（最大）	4096	4096	4096	4096	4096
每个插槽的符号	14	14	14（普通CP），12（扩展CP）	14	14
每个子帧的时隙	1个	2个	4个	8个	16
每帧插槽	10	20	40	80	160

表 3：子载波间隔、OFDM 符号和时隙的数量


5G NR 帧结构

5G NR框架.jpg

一个帧的持续时间为 10 毫秒，由 10 个子帧组成，每个子帧的持续时间为 1 毫秒，类似于 LTE 技术。每个子名可以有 2 μ个槽。每个时隙通常由 14 个 OFDM 符号组成。10ms的无线帧按照TDD拓扑一个接一个连续传输。子帧具有固定持续时间（即 1 毫秒），其中时隙长度根据子载波间隔和每个子帧的时隙数而变化。如下图，15KHz为1ms，30KHz为500µs，以此类推。每个时隙分别占用 14 个 OFDM 符号或​​ 12 个基于正常 CP 和扩展 CP 的 OFDM 符号。

5G NR每子帧的槽位.jpg

5G NR 支持Mini Slot概念，有助于实现极低的数据传输延迟。它支持 2、4 或 7 个 OFDM 符号。

5G NR每子帧的RB.jpg

该图描绘了 5G NR 的资源网格，时间轴为符号，频率轴为子载波。12个子载波组成一个PRB（Physical Resource Block）。5G NR 在单个时隙中支持 24 到 275 个 PRB。对于 120 KHz 子载波间隔，可以实现 34.56 MHz（最小值）和 396 MHz（最大值）的占用带宽。一个SS/PBCH Block在时域占用4个OFDM Symbol，在频域占用24个PRB。5G NR SS 由 LTE 指定的 PSS 和 SSS 组成。

使用 PDSCH 和 PUSCH 了解 5G 物理层
在 5G NR 中，下行链路（从 gNB 到 UE）和上行链路（从 UE 到 gNB）中存在各种物理信道。下行链路信道：PDSCH、PDCCH、PBCH
上行链路信道：PRACH、PUSCH、PUCCH
出于各种目的，下行链路和上行链路中都存在特定的物理信号。前置 DMRS（解调参考信号）用于 PDSCH 和 PUSCH 信道。我们将为下行链路和上行链路考虑具有 CP 的 OFDM。上行链路还使用带有 CP 的 DFT Spread OFDM 来改善覆盖范围。

通过 5G NR 物理层的 PDSCH 信道处理

5G NR物理层对PDSCH通道的处理.jpg

让我们了解使用 5G NR 物理层模块的 PDSCH 信道处理。PDSCH 信道用于承载 DL 用户数据、UE 特定的上层信息（第 2 层及以上）、系统信息和寻呼。让我们通过 5G NR 物理层模块或块来了解 PDSCH 信道数据（即传输块）处理。3GPP TS 38.214（第 5.1.3.2 节）中提到了传输块大小计算。也可以参考TBS计算页面的传输块大小计算
➤如图所示，CRC被添加到每个传输块以提供错误检测。
➤这是根据传输块大小（小或大）的 LDPC 基本图。
➤现在传输块被分割成代码块。CRC 附加到每个代码块。
➤每个代码块都使用 LDPC 编码器单独编码，编码过程后进行速率匹配。
➤执行代码块级联以形成用于在 PDSCH 信道上传输的代码字。在单个 PDSCH 信道上同时传输大约 2 个码字。单个码字用于 1 到 4 层，而 2 个码字用于 5 到 8 层。
➤所有码字在层映射之前被加扰和调制以生成复杂的数据符号。它使用 QPSK、16QAM、64QAM 和 256QAM 调制方案。
➤调制数据符号映射到 4 层或 8 层。
➤层与为 PDSCH 使用保留的天线端口数映射，复杂调制数据符号根据子载波间隔映射到资源网格中的 RB（资源块）。天线端口范围是 {1000,...,1011}。DMRS 值在用于 UE 接收器处的信道估计和均衡的资源元素映射期间被插入。OFDM信号是经过RE（Resource Element）映射后产生的。
➤下行链路 PDSCH 由 UE 接收，UE 由 5G NR 物理层的反向模块组成，以便在将信息传递给上层之前解码传输块。

通过 5G 物理层进行 PUSCH 信道处理

5G-NR物理层对PUSCH通道的处理.jpg

让我们通过5G物理层模块或块来了解PUSCH信道数据（即传输块）处理。PUSCH信道用于传输UL SCH和layer-1和layer-2控制信息。PUSCH处理中的UL传输块的过程与上述相同。除了上面列出的 PDSCH 处理方案之外，它还使用了额外的 π/2-BPSK 调制方案。它还使用 DMRS 信号进行信道估计和均衡过程，以帮助解码过程。
➤除上述块外，PUSCH处理在层映射操作后使用变换预编码。这是可选的并且特定于 UE 实现。DFT 变换预编码用于单层传输。PUSCH 支持单码字，最多可映射 4 层。
➤5G NR UE 使用基于码本的传输和基于非码本的传输。
➤在 5G NR 中，到资源网格的映射是先按频率先按时间完成的，以便在 gNB 接收器处进行更轻松的解码过程。

5G PHY 层 (5G L1) 参考资料
5G 物理层 (L1) 规范在以下 3GPP 5G 新无线电 (NR) 系列文件中定义。
3GPP TS 38.201：一般描述
3GPP TS 38.202：物理层提供的服务
3GPP TS 38.211：物理信道和调制
3GPP TS 38.212：多路复用和信道编码
3GPP TS 38.213：用于控制的物理层程序
3GPP TS 38.214：数据
3GPP的物理层程序TS 38.215：物理层测量

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