5G NR物理层主要参数解析

刘诗蔚 陆伟继 刘泳海 徐振飞

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着移动通信的发展，5G逐渐凭借其高速率、低时延、海量设备接入的优势，在社会各个角落得以应用，5G技术应用场景的复杂化和多样化、海量设备接入与超高速率对于频谱资源也提出了更高要求。在通讯领域，针对这样一个复杂的射频信号进行测试是尤为重要的。本文从3 GPP规范切入，结合TS38.211与TS38.521-1/3终端一致性系列规范，并主要针对FR1射频参数集进行解析。

1 射频测试规范

目前我国关于5G的SRRC认证测试主要参考3 GPP协议法规，其5G NR（新空口）系列法规集中在38系列，其中TS为标准协议。38系列按照顺序又分为射频规范系列、物理层规范系列、空中接口规范系列、接入网网口规范系列、终端一致性规范系列。本文主要从TS38.521-1规范中部分射频参数入手，结合TS38.211中对于参数集的定义进行研究。

2 5G无线终端设备特性

1）5G的工作与测试频率高。划分给5G无线终端设备的工作频段分别为：FR1（410 MHz ～7 125 MHz），频段号从1到85，通常叫做Sub-6 GHz，虽然频率上限扩展到了 7 125 MHz。FR2（24.250 GHz～ 52.6 GHz） 频段号从257到261，通常指的是毫米波mmWave。目前我国使用的时FR1频段，工作频率大多在2.5 GHz以上。在小于6 GHz频段（FR1）下，5G NR的最大信道带宽为100 MHz，在毫米波频段（FR2），5G NR的最大信道带宽达400 MHz，远远大于LTE的最大信道带宽20 MHz。

2）5G信号配置组合多。5G无线终端设备的组网方式分为独立组网和非独立组网两种，不同的组网方式下分单载波和载波聚合、补充上行等工作方式，载波聚合又分为带内和带间载波聚合。本文从射频参数集切入仅讨论独立组网单载波工作方式。为了达到性能和应用的要求，5G无线终端设备的技术参数较2G、3G、4G设备相比更多，参数设置也非常灵活复杂，存在多种不同参数设置和选择。结合TS38.521-1可以看到，影响射频性能的参数主要有6项：信道、信道带宽、功率等级、调制方式、子载波间隔、资源块数量。其中信道带宽、子载波间隔、资源块数量具有对应关系。

3 参数集定义

在3GPP 38.211规范5.3章节中，参数集（Numerologies）的定义是由于子载波间隔（SCS，sub-carrier spacing）和循环间隔（CP，Cyclic Prefix）变化引起的各项时域和频域相关参数的变化。LTE只有一个子载波间隔（即15 kHz子载波间隔），而在5G NR中目前3GPP定义了五种不同类型的子载波间隔，如图1所示。

图1 传输支持的参数集

为适应多种不同子载波间隔的OFDM波形, 子载波间隔不再局限于LTE时代的15 KHz,而是根据不同的使用场景,进行适配,这是5G NR的一个重要特性。子载波间隔的变化会对时隙和子帧产生影响。

循环前缀的类型分为两种，一种为正常型（Normal），一种为扩展型（Extended），正常型CP下，一个时隙包括14个OFDM符号，而扩展型包括12个OFDM符号。其中扩展型CP只会出现在子载波间隔为60 kHz的情况下。图2中分别对应正常型CP和扩展型CP情况下的各参数关系。可以看出每个slot包含的符号数不变，但是一个子帧包含的slot发生了变化，也就是符号长度发生变化，导致可以容纳的时隙数目发生变化。

图2 正常型与扩展型循环前缀的每帧中时隙数量、每子帧中时隙数量和每个时隙中OFDM符号数量

4 灵活参数集的意义

5G NR应用场景覆盖了广泛的频率范围，由于电磁波在不同频段的特性不同，很难在不影响性能的情况下用一个单一子载波间隔覆盖整个频率范围，一种numerology无法满足所有场景的技术需求。

由于子载波间距与OFDM符号长度呈现倒数关系，窄子载波间隔对应着长OFDM符号长度，这样可以为循环间隔分配更多的抗衰落空间。在OFDM中，需要保持子载波之间的正交性，以帮助信号抵抗各种衰落信道引起的子载波的频率漂移；使用的子载波间隔越窄，对衰落的容忍度就越弱；因此子载波间隔也并非越窄越好。如果子载波间隔太小，会导致较高的相位噪声从而影响EVM，也对本地振荡器产生较高的要求，同时物理层性能也容易受多普勒频移的干扰。如果子载波间隔的设置过大，为了保持频谱效率，CP的持续时间也要进一步缩短，增加CP开销。因此，CP时长决定了子载波间隔的最大值。

无线传播特征主要取决于三个参数：多径效应的平均时延差异Td、最大多普勒频偏fd，和小区半径R。这三个传播特征参数决定了循环前缀CP的时长TCP和子载波间隔△f。

循环前缀CP的时长TCP和子载波间隔△f的取值遵循三个原则：

1） 循环前缀CP的时长TCP必须大于或等于多径平均时延差Td，以避免OFDM符号之间的干扰（ISI）；

2）子载波间隔△f必须远大于最大多普勒频偏fd(max)，确保多普勒频偏不会引起较大的载波间干扰（ICI）；

3）TCP和△f的乘积远远小于1，或者说TCP远远小于OFDM符号的时长TU（因为TU=1/△f），以便提高频谱效率。

根据三原则可以发现，多普勒频移（以及其它相位噪声）决定了子载波间隔的最小值（15 kHz），而循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值（240 kHz）。子载波间隔是符号时间长度(Symbol Duration)与CP开销之间的权衡——子载波间隔越小，符号时间长度越长；子载波间隔越大，CP开销越大。

FR1对应于sub-6 GHz, 在6 GHz以下频段为了在有限的频谱中放进尽可能多的子载波，需要使子载波间隔尽可能窄，因此参数集使用较小的子载波间隔。此外，对于使用低于1 GHz或者几个GHz载波频率的基站来说，基站半径比较大，因此多径平均时延差Td也比较大，需要较长的循环前缀，这就意味着较长的OFDM符号时长，也意味着较小的子载波间隔。FR1可用的子载波间隔为15 kHz，30 kHz，60 kHz。

更宽的子载波间隔主要用于毫米波频段，即FR2。由于毫米波使用了基于Massive MIMO的波束赋型，很难控制子载波间隔较窄的信号的相位。随着频率的增加，相位噪声对于毫米波影响尤为显著，会严重降低系统的频谱效率。子载波间隔越宽，相位噪声估计和校正就越容易实现。FR2的数据传输只能使用60 kHz或120 kHz的子载波间隔。240 kHz的子载波间隔,不是为数据传输准备的,而是用于同步信号块SSB。频率范围FR1和FR2所支持的子载波间隔见表1。

表1 频率范围FR1和FR2所支持的子载波间隔

为了实现不同参数集之间的高复用率，3 GPP确定了Δf * 2^μ 的原则 （μ为参数集的序号），5G NR最小的子载波间隔与LTE一样为15 kHz，但可根据15*（2^μ） kHz，μ ∈{0, 1,..., 4}灵活变化。不同的参数集可用于满足不同的部署场景和实现不同的性能需求；比如，子载波间隔越小，小区范围越大，可用于低频段部署；子载波间隔越大，符号时间长度越短，时隙长度越小，因而数据调度粒度就更小，更适合于低时延场景部署。

5 波形与调制方式

5G NR的上行和下行使用CP-OFDM，LTE上行的DFT-s-OFDM波形与CP-OFDM波形互补用于低峰均比的上行信号。CP-OFDM波形可用于单流和MIMO传输，而DFT-S-OFDM波形只限于针对上行链路峰均比较低的情况的单流传输。

5G NR的 下行OFDM调制方式为QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，上行DFT-s-OFDM调制方式为π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。相较于LTE,新增256QAM是为了提高系统容量。上行增加了π/ 2-BPSK，主要考虑在mMTC场景，提高小区边缘的覆盖。

表2为TS38.211第5.1章节给出的调制映射公式。公式中首个系数为各调制方式的归一化因子。

表2 5G NR支持调制方式的映射公式

6 帧结构

无论采用什么参数集，5G NR无线帧（frame）和子帧（subframe）的长度都是固定的。每个无线帧的长度固定为10 ms，分为10个子帧，每个子帧的长度固定为1 ms，每个时隙（slot）里有12或14个符号，视循环前缀类型而定。以上时域结构都和LTE是相同的，这样有助于保持LTE与NR间共存，利于LTE和NR在NSA模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。

上文提到5G NR的一个关键特征，便是子载波间隔的选择性，其不仅可以采用一个与LTE相同的15 kHz，还可以是2的幂乘以15 kHz。由此，5G NR定义了灵活的时隙，其长度根据子载波间隔大小变化。一个子帧里时隙的个数会呈2^μ 倍数变化（Slot时域长度T slot =1/2^μ ）。与LTE 按子帧进行调度不同的是，时隙是NR的基本调度单位，更高的子载波间隔会导致更小的时隙长度。

和LTE类似，NR的OFDM符号由符号加上其循环前缀组成，那么不同的参数集也会引起不同的符号时间长度计算方法如下所示：

3）符号长度：Tsymbol=Tdata+Tcp

以上参数汇总如表3。

表3 5个参数集的每帧时隙数量、每子帧时隙数量、子载波间隔、OFDM符号与包括cp前缀的OFDM符号时间

7 资源块与带宽

5G NR物理层资源的最小粒度和LTE一致，为一个时频资源单元RE（Resource Element）.一个RE在频域上为1个子载波，时域为1个OFDM符号。NR信道资源频域基本调度单位RB（Resource Block）和LTE类似，在TS38.211中RB定义为频域上连续的12个子载波，但频域宽度与子载波间隔有关。一个时隙上所有OFDM符号和频域上12个子载波组成一个RB。NR中数据信道的基本调度单位PRB（Physical RB）定义为频域上N个RB，控制信道的基本调度单位CCE（Control Channel Element）为6 PRB或6 REG（RE Group，1REG= 1PRB）。

TS38.521-1[2]中（如图3），最大传输带宽用RB数描述见表4，最大传输带宽=RB数×子载波数（固定为12）× SCS。每个信道带宽两边各有一个保护带宽，以kHz为单位。OFDM调制器的FFT size和SCS共同决定了信道带宽。

图3 原文描述

表4 FR1频段的最大RB数量和频域利用率

5G NR在频域上引入了一个新的概念载波带宽分块carrier bandwidth part（缩写为BWP）。根据TS38.211 章节4.4.5，BWP定义为通过核心网为终端配置的连续的带宽资源，可以实现网络侧和终端侧的灵活带宽配置。每个BWP可以对应一个特定的参数集，即不同的子载波间隔、符号时间、循环前缀长度。UE可以在上下行链路中被配置多达四个BWP，但在特定时间内只有一个BWP处于激活状态。

在NR FDD的情况下，一个UE最多可以配置4个下行 BWP和4个上行BWP。NR TDD的一个UE最多配置4个BWP Pair。BWP Pair是指下行BWP ID和上行 BWP ID相同，且中心频点一致，但是其带宽和子载波间隔不必保持一致。

8 总结

3 GPP射频一致性规范是行业内标杆级的要求，本文根据5G NR R16的3GPP TS38.211与TS38.521-1协议，主要对5G FR1频段的无线设备摘要了射频工程师测试终端射频性能时会遇到的空中接口部分主要参数进行研究，为5G无线终端射频测试提供参考。随着5G技术的应用和未来发展，必然导致5G类产品急剧增多，本文的解读有助于相关企业和实验室正确理解5G NR信号参数配置，使测试流程和方法更加严谨合理。