劉詩蔚 陸偉繼 劉泳海 徐振飛

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著移動通信的發(fā)展，5G逐漸憑借其高速率、低時延、海量設(shè)備接入的優(yōu)勢，在社會各個角落得以應(yīng)用，5G技術(shù)應(yīng)用場景的復(fù)雜化和多樣化、海量設(shè)備接入與超高速率對于頻譜資源也提出了更高要求。在通訊領(lǐng)域，針對這樣一個復(fù)雜的射頻信號進(jìn)行測試是尤為重要的。本文從3 GPP規(guī)范切入，結(jié)合TS38.211與TS38.521-1/3終端一致性系列規(guī)范，并主要針對FR1射頻參數(shù)集進(jìn)行解析。

1 射頻測試規(guī)范

目前我國關(guān)于5G的SRRC認(rèn)證測試主要參考3 GPP協(xié)議法規(guī)，其5G NR（新空口）系列法規(guī)集中在38系列，其中TS為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。38系列按照順序又分為射頻規(guī)范系列、物理層規(guī)范系列、空中接口規(guī)范系列、接入網(wǎng)網(wǎng)口規(guī)范系列、終端一致性規(guī)范系列。本文主要從TS38.521-1規(guī)范中部分射頻參數(shù)入手，結(jié)合TS38.211中對于參數(shù)集的定義進(jìn)行研究。

2 5G無線終端設(shè)備特性

1）5G的工作與測試頻率高。劃分給5G無線終端設(shè)備的工作頻段分別為：FR1（410 MHz ～7 125 MHz），頻段號從1到85，通常叫做Sub-6 GHz，雖然頻率上限擴展到了 7 125 MHz。FR2（24.250 GHz～ 52.6 GHz） 頻段號從257到261，通常指的是毫米波mmWave。目前我國使用的時FR1頻段，工作頻率大多在2.5 GHz以上。在小于6 GHz頻段（FR1）下，5G NR的最大信道帶寬為100 MHz，在毫米波頻段（FR2），5G NR的最大信道帶寬達(dá)400 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE的最大信道帶寬20 MHz。

2）5G信號配置組合多。5G無線終端設(shè)備的組網(wǎng)方式分為獨立組網(wǎng)和非獨立組網(wǎng)兩種，不同的組網(wǎng)方式下分單載波和載波聚合、補充上行等工作方式，載波聚合又分為帶內(nèi)和帶間載波聚合。本文從射頻參數(shù)集切入僅討論獨立組網(wǎng)單載波工作方式。為了達(dá)到性能和應(yīng)用的要求，5G無線終端設(shè)備的技術(shù)參數(shù)較2G、3G、4G設(shè)備相比更多，參數(shù)設(shè)置也非常靈活復(fù)雜，存在多種不同參數(shù)設(shè)置和選擇。結(jié)合TS38.521-1可以看到，影響射頻性能的參數(shù)主要有6項：信道、信道帶寬、功率等級、調(diào)制方式、子載波間隔、資源塊數(shù)量。其中信道帶寬、子載波間隔、資源塊數(shù)量具有對應(yīng)關(guān)系。

3 參數(shù)集定義

在3GPP 38.211規(guī)范5.3章節(jié)中，參數(shù)集（Numerologies）的定義是由于子載波間隔（SCS，sub-carrier spacing）和循環(huán)間隔（CP，Cyclic Prefix）變化引起的各項時域和頻域相關(guān)參數(shù)的變化。LTE只有一個子載波間隔（即15 kHz子載波間隔），而在5G NR中目前3GPP定義了五種不同類型的子載波間隔，如圖1所示。

圖1 傳輸支持的參數(shù)集

為適應(yīng)多種不同子載波間隔的OFDM波形, 子載波間隔不再局限于LTE時代的15 KHz,而是根據(jù)不同的使用場景,進(jìn)行適配,這是5G NR的一個重要特性。子載波間隔的變化會對時隙和子幀產(chǎn)生影響。

循環(huán)前綴的類型分為兩種，一種為正常型（Normal），一種為擴展型（Extended），正常型CP下，一個時隙包括14個OFDM符號，而擴展型包括12個OFDM符號。其中擴展型CP只會出現(xiàn)在子載波間隔為60 kHz的情況下。圖2中分別對應(yīng)正常型CP和擴展型CP情況下的各參數(shù)關(guān)系。可以看出每個slot包含的符號數(shù)不變，但是一個子幀包含的slot發(fā)生了變化，也就是符號長度發(fā)生變化，導(dǎo)致可以容納的時隙數(shù)目發(fā)生變化。

圖2 正常型與擴展型循環(huán)前綴的每幀中時隙數(shù)量、每子幀中時隙數(shù)量和每個時隙中OFDM符號數(shù)量

4 靈活參數(shù)集的意義

5G NR應(yīng)用場景覆蓋了廣泛的頻率范圍，由于電磁波在不同頻段的特性不同，很難在不影響性能的情況下用一個單一子載波間隔覆蓋整個頻率范圍，一種numerology無法滿足所有場景的技術(shù)需求。

由于子載波間距與OFDM符號長度呈現(xiàn)倒數(shù)關(guān)系，窄子載波間隔對應(yīng)著長OFDM符號長度，這樣可以為循環(huán)間隔分配更多的抗衰落空間。在OFDM中，需要保持子載波之間的正交性，以幫助信號抵抗各種衰落信道引起的子載波的頻率漂移；使用的子載波間隔越窄，對衰落的容忍度就越弱；因此子載波間隔也并非越窄越好。如果子載波間隔太小，會導(dǎo)致較高的相位噪聲從而影響EVM，也對本地振蕩器產(chǎn)生較高的要求，同時物理層性能也容易受多普勒頻移的干擾。如果子載波間隔的設(shè)置過大，為了保持頻譜效率，CP的持續(xù)時間也要進(jìn)一步縮短，增加CP開銷。因此，CP時長決定了子載波間隔的最大值。

無線傳播特征主要取決于三個參數(shù)：多徑效應(yīng)的平均時延差異Td、最大多普勒頻偏fd，和小區(qū)半徑R。這三個傳播特征參數(shù)決定了循環(huán)前綴CP的時長TCP和子載波間隔△f。

循環(huán)前綴CP的時長TCP和子載波間隔△f的取值遵循三個原則：

1） 循環(huán)前綴CP的時長TCP必須大于或等于多徑平均時延差Td，以避免OFDM符號之間的干擾（ISI）；

2）子載波間隔△f必須遠(yuǎn)大于最大多普勒頻偏fd(max)，確保多普勒頻偏不會引起較大的載波間干擾（ICI）；

3）TCP和△f的乘積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，或者說TCP遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于OFDM符號的時長TU（因為TU=1/△f），以便提高頻譜效率。

根據(jù)三原則可以發(fā)現(xiàn)，多普勒頻移（以及其它相位噪聲）決定了子載波間隔的最小值（15 kHz），而循環(huán)前綴CP決定了子載波間隔的最大值（240 kHz）。子載波間隔是符號時間長度(Symbol Duration)與CP開銷之間的權(quán)衡——子載波間隔越小，符號時間長度越長；子載波間隔越大，CP開銷越大。

FR1對應(yīng)于sub-6 GHz, 在6 GHz以下頻段為了在有限的頻譜中放進(jìn)盡可能多的子載波，需要使子載波間隔盡可能窄，因此參數(shù)集使用較小的子載波間隔。此外，對于使用低于1 GHz或者幾個GHz載波頻率的基站來說，基站半徑比較大，因此多徑平均時延差Td也比較大，需要較長的循環(huán)前綴，這就意味著較長的OFDM符號時長，也意味著較小的子載波間隔。FR1可用的子載波間隔為15 kHz，30 kHz，60 kHz。

更寬的子載波間隔主要用于毫米波頻段，即FR2。由于毫米波使用了基于Massive MIMO的波束賦型，很難控制子載波間隔較窄的信號的相位。隨著頻率的增加，相位噪聲對于毫米波影響尤為顯著，會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的頻譜效率。子載波間隔越寬，相位噪聲估計和校正就越容易實現(xiàn)。FR2的數(shù)據(jù)傳輸只能使用60 kHz或120 kHz的子載波間隔。240 kHz的子載波間隔,不是為數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備的,而是用于同步信號塊SSB。頻率范圍FR1和FR2所支持的子載波間隔見表1。

表1 頻率范圍FR1和FR2所支持的子載波間隔

為了實現(xiàn)不同參數(shù)集之間的高復(fù)用率，3 GPP確定了Δf * 2^μ 的原則 （μ為參數(shù)集的序號），5G NR最小的子載波間隔與LTE一樣為15 kHz，但可根據(jù)15*（2^μ） kHz，μ ∈{0, 1,..., 4}靈活變化。不同的參數(shù)集可用于滿足不同的部署場景和實現(xiàn)不同的性能需求；比如，子載波間隔越小，小區(qū)范圍越大，可用于低頻段部署；子載波間隔越大，符號時間長度越短，時隙長度越小，因而數(shù)據(jù)調(diào)度粒度就更小，更適合于低時延場景部署。

5 波形與調(diào)制方式

5G NR的上行和下行使用CP-OFDM，LTE上行的DFT-s-OFDM波形與CP-OFDM波形互補用于低峰均比的上行信號。CP-OFDM波形可用于單流和MIMO傳輸，而DFT-S-OFDM波形只限于針對上行鏈路峰均比較低的情況的單流傳輸。

5G NR的 下行OFDM調(diào)制方式為QPSK、16QAM、64QAM和256QAM，上行DFT-s-OFDM調(diào)制方式為π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。相較于LTE,新增256QAM是為了提高系統(tǒng)容量。上行增加了π/ 2-BPSK，主要考慮在mMTC場景，提高小區(qū)邊緣的覆蓋。

表2為TS38.211第5.1章節(jié)給出的調(diào)制映射公式。公式中首個系數(shù)為各調(diào)制方式的歸一化因子。

表2 5G NR支持調(diào)制方式的映射公式

6 幀結(jié)構(gòu)

無論采用什么參數(shù)集，5G NR無線幀（frame）和子幀（subframe）的長度都是固定的。每個無線幀的長度固定為10 ms，分為10個子幀，每個子幀的長度固定為1 ms，每個時隙（slot）里有12或14個符號，視循環(huán)前綴類型而定。以上時域結(jié)構(gòu)都和LTE是相同的，這樣有助于保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR在NSA模式下時隙與幀結(jié)構(gòu)同步，簡化小區(qū)搜索和頻率測量。

上文提到5G NR的一個關(guān)鍵特征，便是子載波間隔的選擇性，其不僅可以采用一個與LTE相同的15 kHz，還可以是2的冪乘以15 kHz。由此，5G NR定義了靈活的時隙，其長度根據(jù)子載波間隔大小變化。一個子幀里時隙的個數(shù)會呈2^μ 倍數(shù)變化（Slot時域長度T slot =1/2^μ ）。與LTE 按子幀進(jìn)行調(diào)度不同的是，時隙是NR的基本調(diào)度單位，更高的子載波間隔會導(dǎo)致更小的時隙長度。

和LTE類似，NR的OFDM符號由符號加上其循環(huán)前綴組成，那么不同的參數(shù)集也會引起不同的符號時間長度計算方法如下所示：

3）符號長度：Tsymbol=Tdata+Tcp

以上參數(shù)匯總?cè)绫?。

表3 5個參數(shù)集的每幀時隙數(shù)量、每子幀時隙數(shù)量、子載波間隔、OFDM符號與包括cp前綴的OFDM符號時間

7 資源塊與帶寬

5G NR物理層資源的最小粒度和LTE一致，為一個時頻資源單元RE（Resource Element）.一個RE在頻域上為1個子載波，時域為1個OFDM符號。NR信道資源頻域基本調(diào)度單位RB（Resource Block）和LTE類似，在TS38.211中RB定義為頻域上連續(xù)的12個子載波，但頻域?qū)挾扰c子載波間隔有關(guān)。一個時隙上所有OFDM符號和頻域上12個子載波組成一個RB。NR中數(shù)據(jù)信道的基本調(diào)度單位PRB（Physical RB）定義為頻域上N個RB，控制信道的基本調(diào)度單位CCE（Control Channel Element）為6 PRB或6 REG（RE Group，1REG= 1PRB）。

TS38.521-1[2]中（如圖3），最大傳輸帶寬用RB數(shù)描述見表4，最大傳輸帶寬=RB數(shù)×子載波數(shù)（固定為12）× SCS。每個信道帶寬兩邊各有一個保護(hù)帶寬，以kHz為單位。OFDM調(diào)制器的FFT size和SCS共同決定了信道帶寬。

圖3 原文描述

表4 FR1頻段的最大RB數(shù)量和頻域利用率

5G NR在頻域上引入了一個新的概念載波帶寬分塊carrier bandwidth part（縮寫為BWP）。根據(jù)TS38.211 章節(jié)4.4.5，BWP定義為通過核心網(wǎng)為終端配置的連續(xù)的帶寬資源，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)的靈活帶寬配置。每個BWP可以對應(yīng)一個特定的參數(shù)集，即不同的子載波間隔、符號時間、循環(huán)前綴長度。UE可以在上下行鏈路中被配置多達(dá)四個BWP，但在特定時間內(nèi)只有一個BWP處于激活狀態(tài)。

在NR FDD的情況下，一個UE最多可以配置4個下行 BWP和4個上行BWP。NR TDD的一個UE最多配置4個BWP Pair。BWP Pair是指下行BWP ID和上行 BWP ID相同，且中心頻點一致，但是其帶寬和子載波間隔不必保持一致。

8 總結(jié)

3 GPP射頻一致性規(guī)范是行業(yè)內(nèi)標(biāo)桿級的要求，本文根據(jù)5G NR R16的3GPP TS38.211與TS38.521-1協(xié)議，主要對5G FR1頻段的無線設(shè)備摘要了射頻工程師測試終端射頻性能時會遇到的空中接口部分主要參數(shù)進(jìn)行研究，為5G無線終端射頻測試提供參考。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用和未來發(fā)展，必然導(dǎo)致5G類產(chǎn)品急劇增多，本文的解讀有助于相關(guān)企業(yè)和實驗室正確理解5G NR信號參數(shù)配置，使測試流程和方法更加嚴(yán)謹(jǐn)合理。