5G无线技术基础自学系列 | 频域资源

Posted 2022-11-23 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

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看了5G NR的频域资源，想起了一句话：“无可奈何花落去，似曾相识燕归来”。LTE逐渐离开大众的话题，但看到了5G NR的频率资源，却又看到了LTE空口频率资源的影子。

OFDMA系统是从时域和频域两个维度来描述空口资源的。从时域上说，空口资源是包括多个OFDM符号周期的一段时间；从频域的角度说，无线资源是由多个子载波组成的频率资源。因此，子载波间隔（SCS）是OFDMA系统最基本的频率资源单位。

OFDMA的无线资源可以看成由时域和频域资源组成的二维栅格。我们把一个常规OFDM符号周期和一个子载波组成的资源称为1个资源单位（Resource Element，RE）。RE是OFDMA系统最小的资源单位。如图10-36所示。每个用户占用其中的一个或者多个RE资源单位。

图10-36 RE资源单位

5G NR和LTE的最小资源单位都是RE。不同的是，LTE的RE（时频资源单位）是固定的，子载波间隔为15kHz，OFDM符号周期约为71.4μs；5G NR的时频资源的大小是随着μ参数的不同而变化的。举例来说，μ=0的时候，RE的大小和LTE是一致的；μ=1的时候，RE的子载波间隔为30kHz，OFDM符号周期约为35.7μs。

每一个资源单位RE都可以根据无线环境选择QPSK、16QAM、64QAM、256QAM（5G NR）的调制方式。调制方式为QPSK的时候，一个RE可携带2bit的信息；调制方式为16QAM的时候，一个RE可携带4bit的信息；调制方式为64QAM的时候，一个RE可携带6bit的信息；调制方式为256QAM的时候，一个RE可携带8bit的信息。

10.3.1 频域资源基本单位

OFDM系统中，空口资源分配的基本单位是资源块（Resource Block，RB）。1个RB在频域上包括12个连续的子载波（SCS）。在时域上包括多少个符号周期，5G NR和LTE不同。LTE包括7个连续的常规OFDM符号周期。5G NR没有明确定义一个RB包括多少个符号周期，成为一个纯粹频率的概念。μ的取值不同，RB的大小不同。

μ=0时，RB的频宽为15×12kHz=180kHz（和LTE的RB频宽一样）。

μ=1时，RB的频宽为30×12kHz=360kHz。

μ=2时，RB的频宽为60×12kHz=720kHz。

μ=3时，RB的频宽为120×12kHz=1440kHz。

μ=4时，RB的频宽为240×12kHz=2880kHz。

时域上为1个子帧，频域上为传输带宽内所有可用RB资源组成物理层资源组RG（Resource Grid），如图10-37所示。1个RG包含NRB个RB的话，那么1个RG包含的子载波数目就是12·NRB。1个子帧包含14·2μ个符号。1个RG里的某个时频资源RE，可以用它的子载波序号和符号序号组成的二维序列（k,l）来表示。

图10-37 RB和RG

数据信道进行资源分配时，为了降低对应控制信道的开销，可以一次给数据信道分配多个RB资源，多个RB资源进行组合形成RBG（Resource Block Group）。RBG是数据信道资源分配的基本调度单位。5G NR的1个RBG可以包含在频域内可以包含2，4，8，16个RB。LTE的RBG根据系统带宽的不同可以包含1～4个RB，这和5G NR的RBG不同。

5G NR时域上的1个OFDM符号，频域上的12个子载波，定义为5G NR的1个PRB（Physical Resource Block，物理资源块）；LTE里的1个PRB是12个子载波，1个时隙。

控制信道资源分配的基本组成单位是REG（Resource Element Group，资源单元组）。5G NR的1个REG就相当于1个PRB。在LTE里1个REG是频域上连续的4个RE，5G NR的1个REG只有1个符号。

控制信道资源分配基本调度单位是CCE（Control Channel Element，控制信道单元），由多个REG组成。对于5G NR来说：1CCE=6REG=6PRB；对于LTE来说，CCE=9REG=36 RE。

多个CCE可以聚合起来使用，形成更大的控制信道资源分配级别。常见的CCE聚合等级有：1,2,4,8,16（16是5G NR新定义）。如图10-38所示。

图10-38 CCE的聚合

综上所述，5G NR和LTE频域资源都有RE、RG、RB、RBG、PRB、REG、CCE这些概念，它们的作用类似，但是资源组成有些区别，如表10-9所示。

表10-9 5G NR和LTE频域资源基本单位对比

10.3.2 BWP

5G支持多种信道带宽，最小可以是5MHz，最大能到400MHz。这么多的信道带宽，对于5G基站来说，这都不是个事。可是，如果要求所有终端UE都支持最大带宽400MHz，这相当于对终端的性能提出了过高的要求，不利于降低UE的成本。而且，一个终端即使支持了400MHz的带宽，并不是所有业务都有必要占满整个400MHz带宽。如果每个业务都采用400MHz带宽，大带宽意味着高采样率，高采样率意味着高功耗，无疑是对终端功率的浪费。

于是，BWP（Bandwidth Part,部分带宽）技术的出现解决了上述问题。BWP的设计更多是为了终端着想，而不是为了基站。

BWP是5G网络侧给终端分配的一段连续的带宽资源。BWP是个UE级的概念，可以理解为终端的工作带宽。不同UE可配置不同的BWP；UE的所有信道资源配置均在BWP内进行分配和调度。无BWP不业务，BWP是终端接入5G网络时的必备配置。

在LTE中，UE的带宽跟系统的带宽是一致的。在5G NR中，UE的带宽可以动态变化。

BWP的技术优势主要体现在以下5个方面。

1）支持UE的接收机带宽（如20MHz)小于整个系统带宽（如100MHz)，有利于终端降低成本，如图10-39所示。如果让UE实时进行全带宽的检测和维护，那么对终端的能耗将带来极大的挑战。在整个大的载波内划出部分带宽给UE进行接入和数据传输，UE只需在系统配置的这部分带宽内进行相应的操作，降低了能耗。

图10-39 BWP支持小带宽终端

2）通过不同带宽大小的BWP之间的转换来适应业务量的变化。如图10-40所示。

图10-40 BWP不同带宽转换

3）为了系统间的强干扰，可以在载波中配置不连续的频段。如图10-41所示。

图10-41 配置不连续带宽

4）带宽自适应（Bandwidth Adaptation，BA），为了适应业务量变化和无线环境变化，动态配置BWP，自动切换BWP，同时变换空口参数集（μ）。如图10-42所示。

图10-42 切换BWP变换空口参数集

为了说明带宽自适应，我们以图10-43为例。第一个时刻，UE的业务量较大，系统给UE配置一个大带宽BWP1（40MHz），μ=0；第二个时刻，UE的业务量较小，系统给UE配置了一个小带宽BWP2（10MHz），μ=0，满足基本的通信需求即可；第三个时刻，系统发现BWP1所在带宽内有较强干扰，或BWP1所在频率范围内资源较为紧缺，于是给UE配置了一个新的带宽BWP3（20MHz）,μ=2。下一个时刻，UE的工作带宽又回到了较低的频率范围内，新的带宽BWP4为20MHz，μ为1。每个BWP不仅仅是频点和带宽不一样，而且每个BWP可以对应不同的参数配置，如：子载波间隔、CP类型、周期等参数，以适应不同的业务。

5）为了保证5G技术前向兼容，载波中可以预留频段，如图10-44所示。当5G添加新的技术时，将新技术在新的BWP上运行。

载波带宽（Carrier Bandwidth）是系统的工作带宽，而BWP则是它的一些子集。如图10-45所示。CRB（Carrier Resource Block，载波资源块）可以理解为一种全局编号的频率资源块，它对整个工作带宽的RB进行编号。5G NR弱化了中心频点的概念，使用Point A作为频域上的参考点来进行其他资源的分配。CRB0是系统带宽编号为0的RB，也就是系统带宽中的第一个RB。CRB的中心也就是Point A，意思是系统带宽的起始位置，这是5G中新增的概念。5G的频域资源分配的灵活度增加，但很多频率资源的参考基准点是Point A。

图10-43 BWP不同带宽的切换

图10-44 预留带宽

图10-45 BWP位置和大小的描述

BWP定义为一个载波内连续的多个资源块(Resource Block，RB)的组合。每个BWP包含一段连续的物理资源块(PRB)。PRB(Physical Resource Block，物理资源块)可以理解为一种局部编号的资源块，它仅对BWP内的资源块进行编号。

一个BWP的描述可以用这个带宽的起始位置、和这个带宽的大小来描述。BWP的带宽起始位置，可以用相对于Point A的RB数目NstartBWP来表示，BWP的带宽大小就是用它所包含的RB数目sizeBWP来表示。

10.3.3 信道带宽和保护带宽

一个载波（CC）带宽可以支持多个信道带宽（Channel Bandwidth）。为了满足从LTE频谱演进的需求，5G仍然保留了20MHz以下的信道带宽，但是取消了5MHz以下的信道带宽。大带宽是5G的典型特征。如图10-46所示，FR1的带宽可以是5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、25MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、80MHz和100MHz；FR2的带宽可以是50MHz、100MHz、200MHz和400MHz等。在不久的将来，5G在高频段最大带宽有可能从400MHz升级到800MHz。

图10-46 LTE和5G支持的信道带宽

信道带宽是由传输带宽和保护带宽组成，如图10-47所示。传输带宽是用来传送业务数据和信令数据的，而保护带宽是为了避免信道之间的互相干扰。传输带宽两侧都需要有保护带宽，但两侧的保护带宽可以不一样。

传输带宽的大小是用RB数目来配置的。由于3GPP对于最大RB数的约束，在FR1频段子载波带宽必须要在30kHz以上才能实现100MHz以上的带宽，FR2频段子载波带宽必须要在120kHz才能实现400MHz的带宽。FR1不同信道带宽所配置的RB数目如表10-10所示，FR2不同信道带宽所配置的RB数目如表10-11所示。

表10-10 FR1传输带宽RB数

表10-11 FR2传输带宽RB数

图10-47 信道带宽和保护带宽

保护带宽就是信道带宽减去传输带宽RB所占的带宽。由于保护带宽分布在信道带宽的两侧，所以最小保护带宽计算方式如图10-48所示：

图10-48 保护带宽的计算方式

举一个例子，信道带宽是100MHz，子载波带宽SCS是30kHz时，从表10-10可知，传输带宽的RB数是273。于是，信道带宽一侧的保护带宽的计算为：

［（100×1000-273×30×12）/2-12/2］kHz=845kHz

按照上述方法，FR1信道带宽和最小保护带宽的关系如表10-12所示，FR2信道带宽和最小保护带宽的关系如表10-13所示。

表10-12 FR1 信道带宽和最小保护带宽的关系

表10-13 FR2 信道带宽和最小保护带宽的关系

多种配置集复用同一个信道带宽的时候，保护带宽应该和靠近这一侧的配置集μ对应的保护带宽要求一致。比如，如图10-49所示，UE的信道带宽为50MHz，由两种配置集的RB组成，X部分，μ=0时，SCS为15kHz，查表10-12对应的保护带宽为692.5kHz；Y部分，μ=1，SCS为30kHz,查表10-12对应的保护带宽为1045kHz。

图10-49 多种配置集复用的情况

信道的频谱利用效率是信道传输带宽和信道带宽之比，如图10-50所示。

图10-50 信道频谱利用率的计算

举例来说，信道带宽是100MHz，子载波SCS=30kHz时，信道的频谱利用率为98.28%。计算方式如下：

30×273×12/100000=98.28%

5G NR的保护带宽需求相对于LTE来说减少了很多，所以信道频谱利用率有所提高。5G NR的最大信道频谱利用率可达98.28%。