5G NR物理层概述

前面我们通过文章《5G|5G无线接入》了解了移动通信技术的演进过程，知道了5G通过新空口(New Radio,NR)进行无线接入，同时对5G标准的制定、5G频谱使用范围和5G商用情况有了一定的了解。接下来，我们一起学习5G NR物理层，了解无线协议架构、5GNR物理层的关键技术、物理时频资源、物理信道、物理信号、双工机制、帧结构、物理层面临的挑战等。

与任何无线技术一样，物理层是5G NR的核心基础,也是整个通信系统的最底层，硬件实现难度大。除了信道编解码和基带信号处理外，大规模天线技术和毫米波技术，成为了物理层实现的巨大挑战。

内容较长，耐心看完。

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5G NR无线协议架构

在3GPP术语中，基站是逻辑的无线接入网络节点的实现。在3G 和4G 中，网络节点分别是指Node B（NB）和演进的Node B（eNB）。5G NR无线接入网络节点被3GPP命名为下一代Node B（gNB）。

确保空口数传的可靠性和安全性是空口协议栈存在的价值，空口协议栈呈现三层两面的架构。NR的无线协议架构可以分为控制平面架构和用户平面架构。用户平面递交用户数据，而控制平面主要负责连接建立、移动性和安全。NR 协议栈如图所示。

NR 协议栈

协议分为物理（PHYsical，PHY）层、媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层和服务数据调整协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）层。

那么，各层的主要功能是什么，相互之间有何关系呢？我们以用户面为例，逐一了解。用户面协议栈如下图所示。

用户面协议栈

SDAP层：处理服务质量（QoS）流和无线承载之间的映射。根据无线承载的QoS要求将IP数据包映射到无线承载。

PDCP层：主要负责IP头压缩/解压缩、重排序和重复检测、加密/解密和完整性保护。头压缩机制可以减少空口传输的比特数。加密功能主要是保护用户不被窃听以及确保消息的完整性。重排序和重复检测机制允许数据单元按序递交并删除重复的数据单元。

RLC层：主要通过自动重传请求（Automatic Repeat Request，ARQ）机制进行纠错、（压缩了报头的）IP数据包的分段/重新分段，以及将数据单元按序递交到高层。

MAC层：主要负责通过混合ARQ（Hybrid ARQ，HARQ）机制进行纠错以及上行和下行的调度。调度器控制用于传输的上行和下行物理时频资源的分配。当采用载波聚合时，MAC层也需要处理跨多个分量载波的数据复用。

PHY层：处理编码/解码、调制/解调、多天线处理以及将信号映射到物理时频资源上。

控制平面主要负责针对连接建立、移动性和安全的控制信令。控制信令来自核心网或gNB的无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层。RRC层提供的主要服务包括系统信息广播、寻呼消息发送、安全管理（包括密钥管理）、切换、小区选择/重选、QoS管理以及无线链路失败的检测和恢复。与用户平面相同，RRC消息都是通过PDCP、RLC、MAC和PHY层进行发送。

5G和4G协议栈有何异同，下面做了一个对比：

要想深入理解协议栈，就去看5G协议吧。

根据协议栈图示，我们通常有层一（L1）、层二（L2）和层三（L3）的说法。对于无线通信协议工程师来说，L2和L3是他们需要进行开发的；对于FPGA工程师而言，重点在于L1的硬件实现。

5G NR系列，我们将重点放在物理层，干最累的活，挣最辛苦的钱。

NR物理层都有哪些关键技术，我们一起来看看。

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物理层关键技术

NR物理层的关键技术包括以下几个方面：调制、波形、多天线传输和信道编码。下面我们对关键技术做简要概述。

2.1 调制

关于调制的概念，我们在《信号与系统》、《通信原理》、《高频电路》等课程中都有学习。信号调制是使一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。在无线电通信中，利用电磁波作为信息的载体。通信系统中发送端的原始电信号通常具有频率很低的频谱分量，一般不适宜直接在信道中进行传输。因此，通常需要将原始信号变换成频带适合信道传输的高频信号，这一过程被称为调制。

调制可以形象地理解为：一个小伙子（原始电信号）为了到达远方去参加某个学术会议，从成都（发射端）乘上了飞机（高频载波），穿梭在大好河山或蓝天白云间（无线信道），经过一段时间后（传输延时），最后到达北京（接收端），成功见到了各领域学术大咖和技术专家。

好了，话说回来，我们看看5G NR中的调制。同LTE一样，NR上行和下行都支持正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、16阶正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）、64 QAM和256 QAM调制方式。另外，上行还支持Π/2-BPSK以进一步降低峰均比，从而在数据速率比较低的时候提高功放效率，这一特性对mMTC业务非常重要。因为NR支持的应用场景非常广泛，很可能所支持的调制方式在未来还需要进一步扩展。

与LTE相比，5G的调制方案中，调制阶数可达8阶。阶数越高，对于解调的要求也就越高。误差向量幅度（EVM）是衡量信号质量的重要指标，峰均比（PAPR）则会影响功率器件的非线性效应。我们通常希望PAPR和EVM在保证信号功率适当的前提下，尽可能小。

随着通信技术的不断发展，信道编码和调制技术也在不断演进。

2.2波形

在至少高达52.6 GHz的频率范围内，NR上行和下行都采用了循环前缀OFDM（Cyclic Prefix OFDM，CP-OFDM）。我们知道，5G NR的频率可达100GHz，即可使用太赫兹频段。与LTE相比较，CP-OFDM只用于LTE的下行传输，而上行传输则采用了DFT扩展OFDM（DFT-Spread OFDM，DFTS-OFDM）。上下行采用相同的波形会简化整体设计，尤其对无线回传以及设备对设备（Device-to-Device，D2D）通信而言。

NR具有可扩展的OFDM参数集来满足在宽广的频率范围内的多种服务需求。子载波间隔可扩展，定义为15×2^n kHz，其中n为整数，而15kHz是LTE所用的子载波间隔。在3GPP R15中定义了4种子载波间隔：15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz（即n = 1,2,3,4），而且和LTE一样CP开销都为7%。对于所有的参数集，激活子载波的数量是3300。对于3300个激活子载波，下表给出了不同参数集对应的最大带宽。可以通过载波聚合的方式支持更大的信道带宽。在R15中，最多可以支持16个分量载波，其中每个分量载波最多可以有3300个激活子载波。在LTE中，20M带宽的激活子载波数为1200。

OFDM信号的频谱在传输带宽之外衰减很慢。为了满足带外发射要求，LTE的频谱利用率为90%。对于NR，频谱利用率可以达到94%～99%。加窗和滤波操作是在频域中限制OFDM信号的可行方式。后面我们会学习关于加窗的OFDM（W-OFDM）和通用滤波的OFDM（UF-OFDM）。

2.3多天线

在4G时代，我们已经在使用多天线技术了。比如，在我们的手机中，一般就有LTE四天线，WIFI两天线等。对于5G NR而言，多天线技术同样十分重要。在低频段，LTE后期版本中多天线技术主要用于功能增强。受永无止境的数据速率增长和在拥挤的频谱中追求更高容量等需求的驱动，这些增强主要用来提高频谱效率。有源阵列天线技术的发展使得用数字控制大量天线单元成为可能，这有时也称为大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术。这种技术可以在多天线处理中实现更高的空间解析度，提供更高的频谱效率。

massive MIMO是多天线技术演进的高端形态，是5G网络提升速率、降低网络干扰的一项关键技术。

我们知道，对于空间的电磁波而言，频率越高，波长越短，传输损耗越大，穿透力受限，从而影响信号的覆盖范围。5G 引入了高频段频率，虽然可以提高传输速率，但是信号传输的距离不足。美国在5G发展技术路线上，就是前期主推高频段的毫米波应用于5G通信，而低频段被美国军方持有（最近的消息是，美国为了发展5G，美国防部考虑开放低频段给民用）。

对于高频，不仅仅是获得很高的频谱效率，主要的挑战是覆盖。这样做的原因是，当使用传统的传输技术时，高频信号的传输损耗相当高，而毫米波频谱中有大量的可用带宽。为了克服更高的传输损耗并提供足够的覆盖，波束赋形就发挥了作用，特别是在视距（Line of Sight，LoS）条件下，在gNB和UE中都可能会使用波束赋形。

说到这里，人眼视距根据个人情况而定，有的可能是千里眼，有的可能5米外男女不分。还有一种超视距，你猜拿来干嘛？感兴趣的同学，可以继续深入下去。

在当前的硬件技术下，预期在毫米波频率下将普遍使用模拟波束赋形。因此，NR开发了在gNB和UE中支持模拟波束赋形的过程。后面，我们将更为详细地讨论多天线技术。

2.4信道编码

NR将低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码用于移动宽带（Mobile BroadBand，MBB）的数据传输服务，并且采用极化(polar)码用于传输控制信令。

从实现角度来看，LDPC码更具吸引力，特别是在数据速率为每秒数千兆比特时。与其他无线技术中采用的LDPC码不同，用于NR的LDPC码使用速率兼容的结构，从而允许以不同的码率进行传输并且使用增量冗余进行HARQ操作。

关于5G信道编码方案的投票事件，应该也有所耳闻，这里就不说了。与其坐而“联想”，不如奋起“华为”。

与数据传输相比，物理层控制信令的信息块较小，并且不使用HARQ传输，因此NR采用了极化码。通过极化码连接一个外码（outer code），并通过执行串行抵消列表解码（successive cancellation list decoding），可在较短的码块长度上实现良好的性能。而对于最小的控制净荷，则使用Reed-Muller码。

在5G R15版本中，对于传输信道和控制信息的编码方案，如下表所示。

传输信道	编码方案
UL-SCH	LDPC码
DL-SCH
PCH
BCH	polar码

控制信息	编码方案
DCI	polar码
UCI	分组码
	polar码

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物理时频资源

在LTE、5G等通信标准中，物理时频资源对应于OFDM符号和OFDM符号内的子载波。最小的时频资源指OFDM符号内的一个子载波，被称为一个资源单元（resource element）。传输是以12个子载波为一组进行调度，子载波组称为物理资源块（Physical Resource Block，PRB）。NR的时频结构示例，如下图所示。横坐标为时域（OFDM符号），纵坐标为频域（OFDM子载波）。

在时域中，无线传输通过无线帧（radio frame）、子帧（subframe）、时隙（slot）和微时隙（mini-slot）来进行。NR 帧结构如下图所示，每个无线帧的长度为10 ms，包含10个子帧，每个子帧的长度为1 ms。

一个子帧由一个或者多个相邻的时隙组成，每个时隙含14个相邻的OFDM符号。一个微时隙，理论上可以短至一个OFDM符号，在R 15中，微时隙的长度限制为2、4和7个OFDM符号。一个时隙／微时隙的长度和所选参数集（子载波间隔）成比例，因为OFDM符号的长度和其对应的子载波间隔成反比。

物理层使用时频资源进行传输。和LTE一样，NR中的时频资源（资源单元）代表了物理信道或者物理信号。在3GPP术语中，物理信道对应于承载高层信息的一组资源单元，而物理信号对应于不承载高层信息的一组资源单元（用于物理层）。

有的同学可能已经蒙圈了，什么是物理信道，什么又是物理信号？下面我们分别来讲一讲着两个术语。

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物理信道

定义：承载高层（在物理层之上的各层）信息的时频资源被称为物理信道。

我们可以结合上面的时频资源来理解，相当于高层给传输数据和控制信息分配的一条通道。由于通过高频载波进行信号传输，因此，我们需要给所传输的符号分配对应的频率。我们可以在某一时刻，将某一个OFDM符号在12个子载波带宽上同时传输，而在下一个时刻，我们接着在同样的12个子载波带宽上传输接着的符号。不同的符号，可能携带着不同的信息。就好比在高速公路上，有12车道，在同一个观察点，在不同时刻，并行行驶的车辆有所不同。

在通信中，物理信号可以分为上行和下行两种：

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH），用于下行数据传输。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control CHannel，PDCCH），用于下行控制信息传输，下行控制信息包括：接收下行数据（PDSCH）所需的调度决策以及允许UE传输上行数据（PUSCH）的调度授权。

物理广播信道（Physical Broadcast CHannel，PBCH），用于UE接入网络所需的系统信息广播。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared CHannel，PUSCH），用于（UE进行）上行数据传输。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH），用于传输上行控制信息，上行控制信息包括：HARQ反馈确认（指示下行传输是否成功）、调度请求（向网络请求用于上行传输的时频资源），以及用于链路自适应的下行信道状态信息。

物理随机接入信道（Physical Random Access CHannel，PRACH），被UE用来请求建立连接，称为随机接入。

这里，我们有必要简单说一下，什么是上行信道，什么是下行信道。

在通信里面，上下行一般针对基站和用户终端而言。从基站到用户终端（比如你手里的手机）这条通道，我们叫它下行信道；而从用户终端到基站这条通道，我们叫它上行信道。

是不是很简单。那么对于设备到设备（D2D）互相通信，你说，上行和下行怎么区分？

接下来，我们讲讲什么是物理信号。

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物理信号

定义：由PHY层使用但不承载来自高层（即物理层之上的各层）信息的时频资源，被称为物理信号。

物理信号是用于不同目的的参考信号，例如解调、信道估计、同步和信道状态信息。上下行链路中有不同的物理信号。

下行物理信号包括：

• 解调参考信号（DM-RS）

• 相位跟踪参考信号（PT-RS）

• 信道状态信息参考信号（CSI-RS）

• 主同步信号（PSS）

• 辅同步信号（SSS）

上行物理信号包括：

• 解调参考信号（DM-RS）

• 相位跟踪参考信号（PT-RS）

• 探测参考信号（SRS）

我们简要讨论四个主要的参考信号：DM-RS、PT-RS、CSI-RS和SRS。

DM-RS用于估计解调的无线信道。DM-RS是UE特定的，可以进行波束赋形传输，仅针对调度资源，并且仅在必要时传输，包括下行链路和上行链路。DM-RS的设计考虑了提前解码的要求，以支持低时延的应用。对于低速场景，在时域上使用低密度DM-RS。对于高速场景，在时域上增加DM-RS的密度以跟踪无线信道的快速变化。DM-RS具有衡包络特征，可用于接收机粗同步和无线信道估计。

NR中引入PT-RS以补偿振荡器相位噪声。通常，相位噪声随振荡器载波频率的升高而增加。因此可以在高频（例如毫米波）使用PT-RS以抑制相位噪声。OFDM信号中的相位噪声引起的主要衰减之一是对所有子载波造成相同的相位旋转，称为公共相位误差。

CSI-RS是下行参考信号，主要用于获取CSI、波束管理、时间/频率跟踪和上行功率控制。它的设计非常灵活，以支持多样化的用例。用于获取CSI的CSI-RS用于确定信道的CSI参数，如用于链路自适应和确定预编码器的信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）、秩指示（Rank Indicator，RI）以及预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI）。

在上行链路中发送SRS来进行CSI测量，主要用于调度和链路自适应。在NR中，SRS也将用于基于互易性的大规模MIMO预编码器设计和上行波束管理。SRS采用模块化和灵活的设计以支持不同的过程和UE能力。

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双工机制

与LTE一样，NR支持TDD和FDD传输。双工机制通常取决于频谱分配。在较低频率，频谱分配大多是对称的，这意味着选择FDD传输。在较高频率下，频谱分配通常是不对称的，这意味着需要选择TDD传输。此外，NR支持动态TDD，上行和下行分配随时间动态改变。

此外，5G 还提出了灵活双工机制。首先我们来看看全双工和灵活双工的图示。

全双工

灵活双工

6.1 全双工技术

时分双工：上下行链路同频，分时。即：上下行链路使用同一频段，但是上行和下行在不同时刻进行。

分频双工：上下行链路同时，分频。即：上下行链路同时工作，但使用不同的频段。

全双工：上下行链路同频，同时。这应该才是真正意义上的全双工，不过，似乎实现难度较大，仰仗各位大佬了。

6.2 灵活双工技术

基本原理：随着在线视频业务的增加，以及社交网络的推广，未来移动流量呈现出多变特性：上下行业务需求随时间、地点而变化等，目前通信系统采用相对固定的频谱资源分配将无法满足不同小区变化的业务需求。灵活双工能够根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。

灵活双工技术主要应用于低功率节点的小基站和低功率的中继节点。

想想为什么不用在宏基站呢？

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物理层的挑战

5G NR是第一个工作在毫米波频率的蜂窝技术，支持GHz级别的带宽，并使用大规模天线。这些方面给NR物理层带来了许多挑战，主要原因是对无线电波在毫米波的传播特性以及硬件损伤（在基站和终端处）都缺乏了解。要实现高性能的NR，准确理解无线传播和硬件损伤的特性非常重要。

7.1 无线传播挑战

因为天线孔径与波长的平方成正比，因此对采用固定天线方向图的接收天线，当频率升高时，天线的传输损耗随着频率的平方而增加。随着频率升高穿透损耗会大幅增加，对于室外到室内的场景将面临挑战。使用波束赋形和窄波束传输的另一个影响是，由于波束的突然阻挡而造成的信道的动态变化会更大也更快。由于高频覆盖距离短，这也是毫米波不太被看好的原因之一，当然，在高流量短距离聚集场合（如体育馆、广场、大型会议等），可实现高速大容量通信。

NR的主要挑战是，与在较低频率使用的传统技术效果相比，新型多天线技术在多大程度上可以补偿在较高频率下的性能损失甚至获得增益。

目前，针对毫米波应用研究，美帝和韩国棒子处于前沿（前面提到，美帝在5G上，一开始就押宝在高频段的毫米波），我们国家也正在开展相关试验研究，部分毫米波技术开始商用。

7.2 硬件挑战

射频功率放大器（Power Amplifier，PA）作为无线收发机前端的重要构建模块之一，一直是主要的耗电模块。工作在密集和高度集成的天线阵列中，除非有足够的隔离，否则PA性能可能受到相互耦合的影响。

射频振荡器是模拟前端的另一个非理想源，尤其是工作于毫米波波段时，更成为一个限制因素。射频振荡器在非常高的频率下更难保持稳定的振荡，因为随着损耗的增加谐振回路的品质因数会降低，并且由于受限于晶体管技术的基本限制而无法产生功率。因此，随着相位噪声增加，相干传输可能变得越来越困难。

由于先进的信号处理硬件和算法可以补偿一些更突出的损伤问题，因此数字转换器，如模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）是连接模拟域和数字域的关键组件。不幸的是，因为数据转换器是混合信号器件，通常需要线性晶体管技术，因此并不遵循摩尔定律，不具有相同的比例效应。在这种情况下，缩小几何尺寸以增加可用的处理速度未必是一个好的选择，因为这样使得晶体管更像开关一样工作。

此外，使用大规模MIMO，可能会降低有效分辨率，这将造成越来越多的量化噪声，如果不加以抑制，可能会在很大程度上破坏信号。为了评估粗略量化的影响，我们可以基于确定性行为模型或随机过程的进行建模。

为了便于硬件实现，我们先通过MATLAB数学工具来评估无线器件随时间/频率和空间变化的非理想行为。具体来说，这是因为这些模型可作为高级补偿技术（如数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD）或相位噪声跟踪）的基础。然而，在实际通信系统中极为复杂，射频器件对信号损伤影响极大，一些信道模型可能并不适用。