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第一章 NR物理层射频概述


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  • 前言
  • 一、NR物理层标准概述
  • 二、射频部分
  • 三、用户信道带宽
  • 四、信道安排
  • 1. 信道间隔
  • 2.信道格栅
  • 3.同步格栅
  • 总结


前言

工作需要，我需要对5G物理层的相关标准做比较深入的学习和研究。在一段时间的学习之后，我发现3GPP的文档数量繁多，而且内容也比较枯燥乏味，个别标准晦涩难懂，同时标准文档之间还存在关联应用关系，非常不便与入门。因此，萌生了做个学习笔记的想法，一方面可以总结记录，另一方面也希望降低标准学习的门槛。因为我也是在学习中，因此会采用增量更新的形式做个呈现，如果存在错误的话，还请站内大佬批评指出，我会及时采纳改正。

一、NR物理层标准概述

首先，5G标准大致上可以划分为接入网和核心网两个部分，因为我本人的背景是在无线网络方面，因此我也更关注接入网的内容，这主要对应了3GPP TS 38系列的标准。为了方便学习和记录，我们将TS38系列标准先做个归纳和总结。
通过3GPP官方网站的信息，大致上TS38系列标准包含了四个工作组的标准，他们的分工和名称如下表所示。（实际按照3GPP网站公布的信息TSG RAN除去一个已经关闭的工作组，共有五个工作组）

工作组名称

内容概述

文本编号范围

射频层1物理层

RAN1(R1)

射频接口标准

38.200系列

射频层2&射频层3射频资源控制

RAN2(R2)

接入网高层标准

38.300系列

接入网架构和网络接口

RAN3(R3)

接入网架构

38.400系列

射频性能和协议

RAN4(R4)

射频相关定义

38.100系列及38.307

二、射频部分

正如大家所熟知的，NR定义了两个频率范围用于接入网的部署，如下表所示。

频率范围描述

频率范围

FR1

410MHz-7125MHz

FR2

24250MHz-52600MHz

当前实际系统的部署主要以FR1为主，因此博文的内容也会倾向在FR1中进行说明和举例。
具体的NR对FR1内的频谱还做了详细的划分，如下表所示。

频带

上行频率范围

下行频率范围

双工方式

n1

1920MHz-1980MHz

2110MHz-2170MHz

FDD

n2

1850MHz-1910MHz

1930MHz-1990MHz

FDD

n3

1710MHz-1785MHz

1805MHz-1880MHz

FDD

n5

824MHz-849MHz

869MHz-894MHz

FDD

n7

2500MHz-2570MHz

2620MHz-2690MHz

FDD

n8

880MHz-915MHz

925MHz-960MHz

FDD

n12

699MHz-716MHz

729MHz-746MHz

FDD

n20

832MHz-862MHz

791MHz-821MHz

FDD

n25

1850MHz-1915MHz

1930MHz-1995MHz

FDD

n28

703MHz-748MHz

758MHz-803MHz

FDD

n34

2010MHz-2025MHz

2010MHz-2025MHz

TDD

n38

2570MHz-2620MHz

2570MHz-2620MHz

TDD

n39

1880MHz-1920MHz

1880MHz-1920MHz

TDD

n40

2300MHz-2400MHz

2300MHz-2400MHz

TDD

n41

2496MHz-2690MHz

2496MHz-2690MHz

TDD

n50

1432MHz-1517MHz

1432MHz-1517MHz

TDD

n51

1427MHz-1432MHz

1427MHz-1432MHz

TDD

n66

1710MHz-1780MHz

2110MHz-2200MHz

FDD

n70

1695MHz-1710MHz

1995MHz-2020MHz

FDD

n71

663MHz-698MHz

617MHz-652MHz

FDD

n74

1427MHz-1470MHz

1475MHz-1518MHz

FDD

n75

N/A

1432MHz-1517MHz

SDL

n76

N/A

1427MHz-1432MHz

SDL

n77

3300MHz-4200MHz

3300MHz-4200MHz

TDD

n78

3300MHz-3800MHz

3300MHz-3800MHz

TDD

n79

4400MHz-5000MHz

4400MHz-5000MHz

TDD

n80

1710MHz-1785MHz

N/A

SUL

n81

880MHz-915MHz

N/A

SUL

n82

832MHz-862MHz

N/A

SUL

n83

703MHz-748MHz

N/A

SUL

n84

1920MHz-1980MHz

N/A

SUL

n86

1710MHz-1780MHz

N/A

SUL

从表格中，我们不难看出，5G系统并没有完全占用FR1的所有频谱，同时FR1中还包含了各种其他的业务。与此同时，通过查阅公开资料，我也总结了国内四大运营商的频段信息。

运营商

频谱

对应频带

中国移动

2515MHz-2615MHz

n41

中国移动

4800MHz-4900MHz

n79

中国联通

3500MHz-3600MHz

n78

中国电信

3400MHz-3500MHz

n78

中国广电

4900MHz-5000MHz

n79

另外3300MHz-3400MHz的n78频带资源被中国电信、中国联通和中国广电用于5G系统的室内覆盖。综合以上的描述，对于国内四大运营商而言，目前5G系统的部署主要应用于n41、n78、n79三个频带。因此，在后续的博文中也会倾向分析和说明这三个频带。

三、用户信道带宽

信道带宽、保护带宽、传输带宽配置的关系如下图所示。

NBIOT设备接入 nrnet接入点_综合资源


从图中我们可以清晰地看出，信道带宽包含了频谱左右两侧的保护带宽（左右的保护带宽可能不相等），其中传输带宽配置以资源块的数量表示信道中资源块的最大数量，而传输带宽指的仅仅是传输时激活的资源块的带宽，它同样采用资源块的数量表示。

依据子载波间隔的和信道带宽的差异最大传输带宽的配置如下表所示。

子载波间隔\信道带宽

5MHz

10MHz

15MHz

20MHz

25MHz

30MHz

40MHz

50MHz

60MHz

80MHz

90MHz

100MHz

15kHz

25

52

79

106

133

160

216

270

N/A

N/A

N/A

N/A

30kHz

11

24

38

51

65

78

106

133

162

217

245

273

60kHz

N/A

11

18

24

31

38

51

65

79

107

121

135

从上表中我们不难看出信道带宽与传输带宽配置之间存在一定的关系，但是并不是完全的倍数关系，最小保护带宽的配置如下表所示。

子载波间隔\信道带宽

5MHz

10MHz

15MHz

20MHz

25MHz

30MHz

40MHz

50MHz

60MHz

80MHz

90MHz

100MHz

15kHz

242.5kHz

312.5kHz

382.5kHz

452.5kHz

522.5kHz

592.5kHz

552.5kHz

692.5kHz

N/A

N/A

N/A

N/A

30kHz

505kHz

665kHz

645kHz

805kHz

785kHz

945kHz

905kHz

1045kHz

825kHz

925kHz

885kHz

845kHz

60kHz

N/A

1010kHz

990kHz

1330kHz

1310kHz

1290kHz

1610kHz

1570kHz

1530kHz

1450kHz

1410kHz

1370kHz

上表中的最小保护带宽由以下的公式计算得出。
NBIOT设备接入 nrnet接入点_NBIOT设备接入_02

不同频带中用户信道带宽的支持情况如下表所示。（主要关注n41，n78和n79三个频带）

频带

子载波间隔

10MHz

15MHz

20MHz

40MHz

50MHz

60MHz

80MHz

90MHz

100MHz

n41

15kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

-

-

-

-

n41

30kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

n41

60kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

n78

15kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

-

-

-

-

n78

30kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

n78

60kHz

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

n79

15kHz

-

-

-

Yes

Yes

-

-

-

-

n79

30kHz

-

-

-

Yes

Yes

Yes

Yes

-

Yes

n79

60kHz

-

-

-

Yes

Yes

Yes

Yes

-

Yes

四、信道安排

1. 信道间隔

由于NR的信道带宽在FR1内最高能够支持高达100MHz，为了方便射频资源的调度，这些带宽需要严密地组织起来。
信道间隔主要指的是频带信号名义上的信道间隔，计算方法见下面的公式。
对于信道格栅为100k的频带
NBIOT设备接入 nrnet接入点_综合资源_03
对于信道格栅为15k的频带
NBIOT设备接入 nrnet接入点_文档资料_04
NBIOT设备接入 nrnet接入点_运营商_05

2.信道格栅

全局信道格栅的范围为从0到100GHz，全局信道格栅的分辨率表示为下式。
NBIOT设备接入 nrnet接入点_NBIOT设备接入_06

NR对频谱做了量化，定义了NR-ARFCN表示绝对频率，因此参考频率可由下式计算得出。
NBIOT设备接入 nrnet接入点_文档资料_07
参数可由下表给出

频率范围（MHz）

0-3000

5

0

0

0-599999

3000-24250

15

3000

600000

600000-2016666

从上表中可以看出，NR将整个频谱分成了两段，采用不同的分辨率做了量化。直觉上来说，低频部分，信道带宽较窄，较高的分辨率可以更加灵活的调度上下行链路的频谱资源，同时不给接收机带来过高的复杂度，而对于高频部分，信道带宽较宽，较低的分辨率能够显著降低接收机的复杂度，同时保证灵活调度。
信道格栅与射频资源的映射关系如下表所示。

RE

0

6

物理层资源块

从上表中不难看出频带信号的中心频率与基带信号的信道带宽对应的资源块相关，当系带信号带宽为偶数资源块时，中心资源块+1的0号载波与载频对齐，否则中心资源块的6号载波与载频对齐。

在具体的频带中，信道格栅会大于等于全局信道格格栅，在n41、n78、n79三个频带的情况如下表所示。

频带

上行范围

上行范围

n41

15

499200–<3>–537999

499200–<3>–537999

n41

30

499200–<6>–537996

499200–<6>–537996

n78

15

620000–<1>–653333

620000–<1>–653333

n78

30

620000–<2>–653332

620000–<2>–653332

n79

15

693334–<1>–733333

693334–<1>–733333

n79

30

693334–<2>–733332

693334–<2>–733332

由上表可以看出，虽然n41、n78、n79分属不同频段，但是在信道安排上是趋同的。

3.同步格栅

同步格栅被用于UE在显示的同步块位置未被指出时的系统信息获取。它将频谱进行了粗粒度的量化，为的是降低接收机解调信号时的复杂度。与此同时，在不同频段内的量化间隔也会有所差异，如下表所示。

频率范围

SSB频率位置

GSCN

GSCN范围

0-3000MHz

2-7498

3000-24250MHz

7499-22255

从表中不难发现同步格栅的粒度相较于信道格栅会大很多，这是因为不同频率范围信道带宽和同步块在信道中的资源占用和所需求的数量决定的。更大的粒度意味着更小的同步复杂度。同时SSB的120号RE总是与GSCN所表示的中心频率对齐。
不同频带的同步格栅如下表所示，我们同样将重点放在n41、n78、n79三个频带里。

频带

SSB子载波间隔

SSB模式

GSCN范围

n41

15kHz

Case A

6246-<3>-6717

n41

30kHz

Case C

6252-<3>6714

n78

30kHz

Case C

7711-<1>-8051

n79

30kHz

Case C

8480-<16>-8880

由上表不难看出国内四大运营商在各自的频带上的SSB配置存在一定的差异，因此无论是在gNB侧还是UE侧的实现都会存在一定的差异。

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了NR系统的射频部分的内容，主要侧重国内四大运营商的相关频段的使用状态。以上内容主要来标准文稿和个人理解，如有偏差，还请讨论指正！