3GPP 5G NR物理层关键技术综述

【摘 要】第五代（5G）移动通信技术被称为新型无线空口，主要满足三大应用场景的通信需求，即增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）以及海量机器通信（mMTC）。其使用的关键技术包括超精简传输、低时延设计、大规模MIMO以及高低频范围内灵活的频谱使用方式等。根据3GPP TS 38系列的最新技术规范，重点介绍了5G NR层1的关键技术，侧重于与4G LTE的比较，并通过描述5G NR的基本概念，详细解释物理信道和参考信号的设计原理，分享当前5G标准化的最新成果。

新型无线空口；增强型移动宽带；超可靠低时延通信；海量机器通信；物理层

【关键词】

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2018.10.001 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2018）10-0001-08

引用格式：黄陈横. 3GPP 5G NR物理层关键技术综述[J]. 移动通信， 2018，42（10）： 1-8.

1 引言

第五代（5G）移动通信技术被称为新型无线空口（New Radio，NR），可以满足国际电信联盟（ITU）对IMT-2020设定的性能要求[1]。在完成了5G需求的初步调研后[2-4]，3GPP于2017年3月批准成立了NR规范制定的工作组，其研究的内容将加入到3GPP Release 15[5]（以下简称R15）中发布。R15计划于2018年12月冻结，增加的内容将包括更多架构选项，例如将5G基站节点（gNB）连接到演进分组核心（EPC）并且在多连接模式下实现NR和LTE互操作的可能性，其中NR是主节点，LTE是次节点。

NR可实现的功能包括超精简传输[6]、低时延支持、大规模MIMO以及高低频范围内灵活的频谱使用方式（包括高频和低频之间的交互使用以及动态时分复用（TDD）等）。文献[7]给出了NR关键技术及其设计原理相对全面的概述，相比之下，本文的目的是深入研究NR技术规范（TS），介绍层1的关键技术，侧重于与4G LTE的比较，并通过5G NR基本概念的阐述，详细解释物理信道和参考信号的设计原理，为无线通信相关从业者提供一个5G物理层较全面的描述。

NR的无线空口由物理层（层1）和更高层组成，如介质访问控制（MAC层）和无线资源控制（RRC层）。TS 38.200系列[8-14]中描述了物理层规范，TS 38.300系列则描述了更高层规范（如文献[15]中的RRC规范）。

2 5G NR物理层概述

2.1 波形、参数集及帧结构

波形的选择是任何无线接入技术首要解决的物理层核心问题。在对所有波形提议进行评估之后，3GPP同意继续采用正交频分复用（OFDM）和循环前缀（CP），用于下行和上行传输。CP-OFDM和多输入多输出（MIMO）技术的结合可使大带宽系统实现低复杂度和低成本。NR还支持在上行链路中使用离散傅立叶变换（DFT）扩展OFDM（DFT-S-OFDM）来改善覆盖范围。

NR支持从1 GHz到毫米波段范围内的频谱，R15中定义了两个频率范围（FR）：

（1）FR1：450 MHz—6 GHz，通常指Sub-6 GHz，最大带宽为100 MHz；

（2）FR2：24.25 GHz—52.6 GHz，通常指毫米波（Millimeter Wave），最大带宽为400 MHz。

可扩展的参数集（Numerologies）是在如此广泛的频谱范围内支持NR部署的关键。NR采用了从LTE的15 kHz基本子载波间隔扩展到2?×15 kHz （?=0， 1， ...， 4）的多种灵活的子载波间隔。相应地，CP从LTE的4.7 μs缩小2-?，这种可扩展的设计允许支持广泛的部署场景和载波频率。参数“?”的选择取决于不同的因素[16]，包括5G新空口网络部署选项类型、载波频率、业务需求（时延/可靠性/吞吐量）、硬件减损（振荡器相位噪声）、移动性及实施复雜度。比如对于较低的FR1载波频率、网络覆盖范围大、窄带终端以及增强型多媒体广播/多播服务（eMBMSs），选择15 kHz、30 kHz的子载波间隔是合适的。当面向对时延极为敏感的uRLLC、小覆盖区域以及更高的FR2载波频率时，可把子载波间隔调大至60 kHz、120 kHz。此外，还可能通过复用两种不同的数值（比如用于uRLLC的更宽子载波间隔以及用于eMBB/mMTC/eMBMS的更窄子载波间隔），以相同的载波来同时承载具有不同需求的不同类业务。

NR帧具有10 ms的长度并且由10个子帧组成，这与LTE相同，能保证NR和LTE的共存。每个子帧由包含14个OFDM符号的2?个时隙组成。尽管时隙是调度的最小颗粒度，但是NR支持在任意一个OFDM符号开始传输，并且仅持续当前业务所需的符号，这种所谓的“微时隙”（mini slot）可以确保部分场景业务数据有较低的调度等待时间，同时使其对其他业务传输链路的干扰最小化。可见时延的优化一直是NR的重要考虑因素，正如本文上下文所述，除“微时隙”外，NR还引入了其他关键技术以减少延迟。

2.2 资源块、载波及带宽配置

基于终端能力的考虑，3GPP限制了单个小区有效子载波数不超过3 300（FFT点数不超过4 096），因此不同子载波间隔情况下支持的小区最大带宽不一样，每种带宽配置下的最大RB个数如表1和表2所示（资源块RB仍由频域中的12个连续子载波组成）。尽管带宽很大，但NR的超精简设计能确保传输时延最小化，提高网络能效，降低干扰。

毫米波频段的NR由于终端发射功率的限制，使得高频段的上行覆盖范围受较大程度限制，因此3GPP引入了所谓的SDL（补充下行）与SUL（补充上行）频段。通过低频载波补充高频NR的覆盖，确保较好的组网性能，特别是在上行链路中，一般通过载波聚合或双连接的方式实现。此外R15支持NR载波和LTE载波在频率上相互重叠，实现NR和LTE之间的频谱动态共享，这有助于运营商从LTE平滑过渡到NR。

为降低UE功耗，NR采用了RF Bandwidth Adaptation技术，以灵活适配多种业务，网络可为每个UE最多配置4個BWP（Band Width Part），BWP是指在给定参数集和给定载波上的一组连续的物理资源块，根据需要动态改变指示给UE，该特性是NR区分于4G LTE的典型特性之一，有如下应用场景：

（1）UE支持的带宽可以小于小区支持的带宽；

（2）UE在大小BWP间进行切换，达到省电效果；

（3）不同BWP，配置不同的系统参数集，承载不同业务。

BWP应用场景如图2所示。

2.3 调制、信道编码及时隙配置

NR中的调制方案类似于LTE，包括具有二进制和正交相移键控（BPSK/QPSK）、16阶，64阶和256阶的正交幅度调制（QAM）。NR控制信道使用Reed-Muller分组码和循环冗余校验（CRC）辅助的极化polar码（LTE使用咬尾卷积码），NR数据信道使用速率可变的准循环低密度奇偶校验LDPC码（LTE使用turbo码）。

NR支持的双工选项包括频分双工（FDD），半静态配置的UL/DL配置的TDD和动态TDD。在TDD频谱中，对于微小区，可以使用动态TDD来适应流量变化，而对于宏小区，半静态TDD比完全动态TDD更适合处理干扰问题。特别地，C-band频段n77/n78以及更高毫米波频段均采用TDD方式。

NR TDD支持灵活时隙的配置。具体来说，时隙中的OFDM符号可以配置为'DL'、'UL'或'flexible'。DL传输可以发生在'DL'或'flexible'符号中，同样UL传输可以发生在'UL'或'flexible'符号中。通过小区特定及UE特定的RRC配置可实现UL/DL时隙分配，这与LTE TDD的时隙配置一样。

如果未专门配置时隙，则默认情况下所有资源均被视为灵活时隙。动态的TDD则可通过DL控制信息（DCI）的1/2层信令来动态地配置符号是用于DL传输还是UL传输。

3 小区接入信道

就物理信道的使用而言NR和LTE无明显差异，本文按照用户随机接入到开始数据传输的顺序介绍NR的物理信道。首先是用户小区搜索及随机接入过程：

（1）小区搜索涉及的物理信道过程：PSS/SSS->PBCH->PDCCH->PDSCH；

（2）随机接入涉及的物理信道过程：PRACH->PDCCH->PDSCH->PUSCH。

图3为小区搜索及接入过程。

3.1 同步信号及广播信道（PBCH）

同步信号SS和广播信道PBCH的组合在NR中被称为SSB，其子载波间隔在FR1中可以是15 kHz或30 kHz，在FR2中则可选120 kHz或240 kHz。通过检测SS，UE可以获得物理小区ID，实现时域和频域的下行同步，并获取PBCH的定时，后者携带着小区基本的系统信息。

NR SS由主要SS（PSS）和次要SS（SSS）组成。由于缺乏频繁的静态参考信号以帮助跟踪，与LTE相比，gNB和UE之间可能存在较大的初始频率误差，尤其是对于工作在较高频率的低成本UE而言。为了解决传统基于Zadoff-Chu序列的LTE PSS时间和频率偏移模糊度问题，NR PSS使用长度为127的BPSK调制的m序列，NR SSS则通过使用长度为127的BPSK调制的Gold序列生成的PSS和SSS总共可标识1 008个不同的物理小区ID（LTE最多504个小区ID）。

如图4所示，SSB被映射到时域中的4个OFDM符号和频域中的240个连续子载波（20个RB）。为了支持用于初始接入的波束成形，NR引入了新的概念SS突发组，用以支持SSB传输的波束扫描。为了尽可能减少永远在线传输[6]，多个SSB在一个本地突发集内与稀疏突发集一起周期发送（默认为20 ms）。在SS突发设置周期内，以时分+空分的方式最多可以在不同波束中传输64个SSB，SS块的传输被限制在5 ms窗口内。SS突发集合内，SSB时间位置的集合由当前小区配置的参数集确认决定，而频率位置则不一定在系统带宽的中心（LTE中则固定配置在中心频点），并且由较高层参数配置以支持用于SSB检测的稀疏栅格搜索，即协议中定义了一类稀疏的同步栅格（Synchronization Raster）来减少搜索时间。

3.2 随机接入信道（PRACH）

PRACH主要用于发送UE随机接入的前导码，以尝试向gNB发起随机接入并配合gNB调整UE的上行链路定时及其他参数。与LTE一样，Zadoff-Chu序列由于其具有DFT变换前后不变的幅度以及零低相关的特性而被用于生成NR随机接入前导码。与LTE不同，NR随机接入前导码使用具有不同格式配置和长度的两个序列以适应NR的广泛业务支持。

对于长度为839的长序列，支持源自LTE前导码的四种前导码格式，主要针对大型小区的宏站部署场景。这些格式只能在FR1中使用，且子载波间隔为1.25 kHz或5 kHz。

对于长度为139的短序列，NR引入了9种不同的前导码格式，主要针对微小区和室内部署场景。短前导码格式可用于FR1，子载波间隔为15 kHz或30 kHz，FR2的子载波间隔采用60 kHz或120 kHz。与LTE不同的是，短前导码每个OFDM符号的最后部分用做下一个OFDM符号的CP，并且前导码OFDM符号的长度等于数据OFDM符号的长度。这种新设计有几个好处：首先，它允许gNB接收机对数据和随机接入前导码检测使用相同的快速傅里叶变换（FFT）；其次，由于每个PRACH前导码由多个较短的OFDM符号组成，所以新的短前导码格式对时变信道和频率误差更具鲁棒性；第三，它支持在PRACH接收期间模拟波束扫描，使得在gNB处可以用不同的波束接收相同的前导码。

4 数据传输信道

上下行数据传输的过程如图5所示。

4.1 下行共享信道（PDSCH）

PDSCH用于传输下行用户数据、UE特定的高层信息、系统信息和寻呼。为了传输DL传输块（用于物理层的有效载荷），首先附加传输块通过CRC提供错误检测，随后是LDPC基本图选择。NR支持两个LDPC基本图，一个针对较小的传输块进行优化，另一个针对较大的传输块，将传输块分割成若干码块含CRC校验位后，针对每个LDPC编码块单独进行速率匹配。最后，将码块级联合并，创建用于在PDSCH上传输的码字，每层PDSCH可承载最多2个码字。

随后将码字加扰，调制以生成OFDM符号块，符号最多映射4个MIMO层，因此多天线传输模式下PDSCH可以支持最多8层传输。这些层以规范透明的方式（基于非码本）映射到天线端口，后续的波束成形或MIMO预编码操作对于UE是透明的。

当接收单播PDSCH时，UE被通知某些资源不可用于PDSCH。这些不可用的资源可以包括具有RB、符号级或RE粒度级。在NR和LTE共享相同载波的情况下，后者用于映射LTE CRS。这有利于前向和后向兼容能力，使得网络可以预留传输资源用于服务未来加入的其他业务场景（如mMTC）。

NR PDSCH的物理层处理过程如图6的左侧所示。

4.2 上行共享信道（PUSCH）

PUSCH用于UL共享信道（UL-SCH）和1/2层控制信息的传输。UL-SCH是用于发送UL传输块的传输信道。UL传输块的物理层处理类似于DL传输块的处理，如图6的右侧所示。

码字被加扰和调制以生成符号块，之后被映射到一个或多个层上。PUSCH最多支持到4层（每层1个码字）传输。对于层到天线端口映射，UL支持基于非码本的传输和基于码本的传输。对于用于传输物理信道的每个天线端口，这些符号将被映射到RB。与LTE相反，映射优先在频域完成，以便接收器能够提前解码。

4.3 下行控制信道（PDCCH）

PDCCH用于承载DCI，例如下行链路调度分配和上行链路调度许可。在图5的上部给出NR PDCCH的图示。传统的LTE控制信道始终分布在整个系统带宽内，因/难以7108控制小区间干扰[6]。NR PD7410CCH可在配置的控制资源集（CORESET）中传输。控制区域配置的灵活性（包括时间、频率、参数集等）使NR能够解决各种用例。

CORESET中的频率分配可以是连续或不连续的。CORESET在时间上跨越1～3个连续的OFDM符号。CORESET中的RE被组织在RE组（REG）中。每个REG由一个RB中的一个OFDM符号的12个RE组成。PDCCH由1、2、4、8或16个控制信道元素（CCE）承载，以适应不同有效载荷大小的DCI或不同的编码速率。每个CCE由6个REG组成。CORESET的CCE-REG映射可以交错（用于频率分集）或非交织（用于局部波束形成）。UE针对不同DCI格式进行盲解，而盲解的复杂度关乎到UE的成本，其目的是达到以较低的开销提供灵活的调度。

4.4 上行控制信道（PUCCH）

PUCCH用于承载混合自动重传请求（HARQ）反馈，信道状态信息（CSI）和调度请求（SR）等上行链路控制信息（UCI）。在图7的底部给出NR PUCCH的图示。

与位于载波带宽的边缘并且被设计为具有固定持续时间和定时的LTE PUCCH不同，NR PUCCH在其时间和频率分配上是灵活的，使得NR支持具有较小带宽能力的UE接入。NR PUCCH设计基于5种PUCCH格式。PUCCH格式0和2（又称短PUCCH）使用1个或2个OFDM符号，而PUCCH格式1、3和4（又称长PUCCH）可以使用4至14个OFDM符号。PUCCH格式0和1承载1或2比特的UCI有效载荷，而其他格式用于承载超过2比特的UCI有效载荷。在PUCCH格式1、3和4中，为达到较低的峰均功率比（PAPR），DMRS符号与UCI符号时分复用，而在格式2中，DMRS与数据采用频率复用。仅当PUCCH格式0、1和4通过不同的循环移位或OCC适用时，才支持相同时间和频率资源上的多用户复用。

5 参考信号相关

为了提高网络的能效（能量利用效率），并保证后向兼容，5G新空口通过超精益的设计[6]（Ultra-Lean Design）来最小化“永远在线的传输”。与LTE中的相关设置相比，5G新空口的参考信号仅在需要时才传输。主要有解调参考信号（DMRS）、相位追踪参考信号（PTRS）、测量参考信号（SRS）、信道状态信息参考信号（CSI-RS）这四种5G新空口参考信号。物理信道和信号相互关系如图8所示：

5.1 上下行解调参考信号（DMRS）

DMRS参考信号用于无线信道评估，以有利于信号解调。DMRS是用户终端特定的参考信号（即每个终端的DMRS信号不同），可被波束赋型、可被纳入到受调度的资源，仅在需要时才发射（既可在上行方向也可在下行方向）。为了支持多层MIMO传输，可调度多个正交的DMRS端口，其中每个DMRS端口与MIMO的每一层相对应。“正交”可通过梳状结构的频分复用（FDM）、时分复用（TDM）以及码分复用（CDM）来达到。DMRS信号的设计要考虑早期的解码需求以支持各种低时延应用，所以基本的DMRS模式是前载（front loaded）。面向低速移动的应用场景，DMRS在时域采取低密度设计。然而，在高速移动的应用场景，DMRS的时间密度要增大以及时跟踪无线信道的快速变化。

5.2 上下行相位跟踪参考信号（PTRS）

PTRS參考信号的引入，是为了解决相位噪声的补偿。一般地，随着振荡器载波频率的上升，相位噪声也会增大。对工作在高频段（比如毫米波频段）的5G无线网络，可利用PTRS信号来消除相位噪声。对于OFDM信号，由相位噪声可引起的负面效应之一是“所有子载波均产生相位旋转”，这种现象被业界称为共相位误差（CPE）。因CPE产生的相位旋转对于一个OFDM符号内所有的子载波都是完全相同的，而OFDM符号之间的相位噪声却是低相关的，因此，PTRS信号就被设计为在频域具有低密度而在时域具有高密度。PTRS是UE特定的参考信号（即每个终端的PTRS信号不同），可被波束赋型，可被纳入到受调度的资源。PTRS端口的数量可以小于总的端口数，而且PTRS端口之间的正交可通过FDM来实现。此外，PTRS信号的配置与振荡器质量、载波频率、OFDM子载波间隔、用于信号传输的调制及编码格式有关。

5.3 信道状态信息参考信号（CSI-RS）

与LTE相似，NR CSI-RS用于下行CSI的捕获。除此之外，NR中的CSI-RS还支持针对移动性和波束管理（包括模拟波束成形）的参考信号接收功率（RSRP）测量，时频跟踪以及基于具有上下行互易性的预编码。CSI-RS同样是UE专用的，但多个用户仍然可以共享相同的资源。零功率的CSI-RS可以用作资源屏蔽工具，通过它们来保护某些RE以防用于PDSCH的映射。该屏蔽支持UE专用CSI-RS的传输，但该特性可认为是允许向NR引入新功能（业务），并保留向后兼容性的工具。

NR支持CSI-RS配置的高度灵活性。一个资源可配置多达32个端口，配置密度可选。在时域中，CSI-RS资源可以在时隙的任何OFDM符号处开始，其是否跨越1个、2个或4个OFDM符号取决于配置的端口数量。CSI-RS可以是周期性的、半永久性的或非周期性的（即DCI触发的）。

5.4 探测参考信号（SRS）

SRS参考信号于上行方向传输，主要面向调度以及链路适配，进行信道状态信息（CSI）测量。对于5G新空口，SRS将被用于面向大规模天线阵列（Massive MIMO）的基于互易性的預编码器设计，也有望被用于上行波束管理。此外，SRS将会有模块化的、灵活的设计，以支持不同的流程以及用户终端（UE）能力。

6 结束语

下一代无线空口技术5G NR可应用于更多的业务场景，将给社会带来显著的经济效益。当3GPP于2018年6月批准了备受期待的5G NR stand-alone规范时，这标志着迈出了实现这一目标的重要一步。本文概述了代表最新5G无线技术的3GPP NR规范要点，重点关注物理层。NR是一个灵活的空口，能够适应未来广泛的网络特性需求和业务场景部署要求，为将来无线通信服务进一步的发展提供了坚实的基础。

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