5G无线技术基础自学系列 | 频谱划分

Posted 2022-12-04 COCOgsta

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素材来源：《5G无线网络优化实践》

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5G先发频段是C-Band，频谱范围为3.3G～4.2GHz，4.4G～5.0GHz，对应的运营频段分别是n77、n78、n79；其次是毫米波频段，对应的频率分别为26GHz/28GHz/39GHz，对应的运营频段分别是n258、n257和n260。

1.2.1 频段定义

根据3GPP TS38.104协议定义，将5G NR的频率划分为FR1和FR2两个部分，其中FR1指Sub-6GHz频段，FR2则指毫米波频段，如表1-6所示。

表1-6　频率范围定义

FR1和FR2中NR工作频段分别如表1-7和表1-8所示。

表1-7　FR 1中NR工作频段（3GPP TS 38.104表5.2-1）

注：TDD为时分双工模式；FDD为频分双工模式；SUL为补充上行链路。-表示空。

表1-8　FR 2中NR工作频段（3GPP TS 38.104表5.2-2）

FR1频率范围一共定义了30个频段。理论上，这30个频段都可应用于5G的建设，但为了降低芯片成本，避免基带芯片支持的频段过多，厂家会有针对性地进行选择。另外，频段还受可用带宽资源限制。目前国内已分配的5G频段主要集中在频段n28（中国广电）、n41（中国移动）、n77/n78（中国电信和中国联通）、n79（中国移动和中国广电）。

此外，在FR1中引入了SUL（上行辅助频段），原因是用户终端（User Equipment，UE）的发射功率低，在使用高频段时5G网络的覆盖瓶颈受限于上行，而工作于更低频段的SUL则可以通过上下行解耦的方式与下行配合，从而补偿上行覆盖不足。

FR1支持的最大信道带宽为100MHz，子载波支持15kHz、30kHz、60kHz这3种类型；FR2支持的最大信道带宽为400MHz，子载波支持60kHz和120kHz两种类型。不同带宽可配置最大资源块（Resource Block，RB）数分别如表1-9和表1-10所示。

表1-9　FR1最大信道带宽CHBW可配置的RB数NRB（3GPP TS 38.104表5.3.2-1）

表1-10　FR2最大信道带宽CHBW可配置的RB数NRB（3GPP TS 38.104表5.3.2-2）

并不是所有FR1的频段都能支持100MHz带宽。对于不同的频率范围，系统支持的带宽和子载波间隔也会有所不同。FR1和FR2部分工作频段支持的信道带宽分别如表1-11和表1-12所示。

表1-11　FR1部分工作频段支持的信道带宽（参阅3GPP TS 38.104表5.3.5）

表1-12　FR2部分工作频段支持的信道带宽

1.2.2 频率栅格

5G引入频率栅格的概念，要求中心频点满足一定规律。频率栅格根据用途不同分为信道栅格和同步栅格，分别用于定义小区中心频点NR-ARFCN和同步信号块（Synchronization Signal Block，SSB）的中心频点GSCN。其中，信道栅格又分为全局信道栅格和信道栅格两种类型。

5G NR小区中心频点依据信道栅格进行定义。5G小区频点NR-ARFCN、频率FREF与全局信道栅格ΔFGlobal的关系如下面公式所示（参阅3GPP TS38.104）：

式中，NREF表示NR小区的频点编号，即NR-ARFCN；FREF表示NR的频率，单位为MHz；全局信道栅格ΔFGlobal、起始频率FREF-offs和起始频率编号NREF-offs的定义如表1-13所示。

表1-13　NR-ARFCN参数定义（3GPP TS 38.104表5.4.2.1-1）

信道栅格ΔFRaster是全局栅格的子集，而且必须是全局频率栅格粒度ΔFGlobal的整数倍。

FR1、FR2可适用的NR-ARFCN分别如表1-14和表1-15所示。

表1-14　FR1可适用的NR-ARFCN（3GPP TS 38.104表5.4.2.3-2）

表1-15　FR2可适用的NR-ARFCN

以频段n41为例，上行频率范围为2496MHz～2690MHz。根据NR-ARFCN公式计算，起始频点2496MHz对应的NR-ARFCN为499200。由表1-14可以知道n41信道栅格ΔFRaster有15kHz和30kHz两种。我们以15kHz为例，其对应步长为3（即全局信道栅格5kHz的3倍），则下一有效频点编号为499203，其对应的频率为2496.015MHz。

1.2.3 同步栅格

在NR网络中，由于信道带宽非常大，若UE按照信道栅格逐个频点进行同步信号搜索，则完成同步和小区搜索耗时太长，并且增加UE耗电，因此引入全局同步信道号（Global Synchronization Channel Number，GSCN），并设置较大步长，根据频段不同分别设置为1.2MHz、1.44MHz和17.28MHz 3种类型，专门用于小区搜索和同步，目的是加快UE小区搜索和同步的速度。NR全局同步信道栅格如表1-16所示。

表1-16　NR全局同步信道栅格（3GPP TS 38.104表5.4.3.1-1）

在NR中，NR-ARFCN（NREF）、GSCN和PointA三者的关系如图1-13表示。

PointA：频域的参考点，对应公共资源块CRB 0的第0个子载波的频率，是一个参考位置，可位于传输带宽外面的保护带内，由参数absoluteFrequencyPointA定义。该参数配置在信元FrequencyInfoDL和FrequencyInfoUL-SIB中，其中FrequencyInfoUL-SIB由SIB1发送给UE（Point A定义参阅3GPP TS38.2114.4.4.3节）。

OffsetToCarrier：小区传输带宽起始载波PRB 0位置和Point A的频率偏差值，单位为RB，其子载波带宽由参数subcarrierSpacing定义。该参数设置为0时表示小区传输带宽起始位置和PointA相同。该参数由SIB1发送给UE。

SSref：SSB的频域位置，表示SSB的中心频率，对应SSB第10个RB（从0编号）的第0个子载波的频率，由信元absoluteFrequencySSB或ssbFrequency下发UE。

OffsetToPointA：SSB的第1个RB的第0个子载波和PoinA相差的RB数量。注意，OffsetToPointA的单位是RB。OffsetToPointA参数由SIB1中信元FrequencyInfoDL-SIB发送给UE（参阅TS38.211 4.4.4.2节）。

Offset：表示以RB为单位的偏移量，根据IE可以确认当前SSB所处频域范围内是否包含了CORESET，即配置了Type0-PDCCH公共信道，并由此可判断小区当前SSB所处频域是否配置了SIB1。该参数包含在MIB消息pdcch-configSIB1中。

KSSB：以x kHz为单位的偏移量，通过MIB中SSB-subcarrier offset广播给UE。对于FR1频段，x =15；对于FR2频段，x的值由MIB中的subCarrierSpacingCommon字段指定（参阅TS38.211 7.4.3.1节）。

图1-13　信道栅格、同步栅格和Point A示意图

（示例，虚线对应的均为子载波中心频点，CRB0表示公共资源块的起始RB编号，PRB0为BWP（n）的起始RB编号）

图1-14　KSSB示意图（3GPP TS 38.211第7.4.3.1节）

SSB的第0个子载波和PoinA相差的频率等于OffsetToPointA（RBs）+KSSB，SSB的第0个子载波和CORESET 0的频域起始位置相差的频率等于Offset（RBs）+KSSB。

在NSA场景下，基站会通过RRC重配置消息通知UE关于NR频点的信息，帮助UE快速搜索到目标小区，示例如下。

相关参数详细描述可参阅规范3GPP TS38.211、3GPP TS38.213。

1.2.4 BWP

概念BWP（Band Width Part）是5G新引入的概念。这是因为5G带宽较大，为了减少UE的功耗，设置了BWP的概念。BWP是整个带宽上的一个子集，每个BWP的大小、使用的子载波带宽（SCS）和循环前缀（CP）都可以灵活配置。上、下行最大可独立配置4个BWP，BWP的带宽必须不小于SSB，但是BWP不一定包含SSB。对同一个UE来说，上行或下行同一时刻只能有一个BWP处于激活的状态。PDSCH、PDCCH或者CSI-RS在有效BWP中传输，UE在这个BWP上进行数据的收发和PDCCH检索。BWP定义如图1-15所示。

图1-15　BWP定义

注：Nstart表示BWPi起始位置；Nsize表示BWPi的带宽

BWP的相关配置由SIBI和RRC重配置消息下发给UE。每个服务小区都会配置一个初始BWP，包含一个默认下行BWP参数配置和一个默认的上行BWP参数配置。如果UE没有通过高层参数initialDownlinkBWP获取下行初始BWP配置信息，则UE将认为下行初始BWP占用一系列连续PRB资源，起始位置和终止位置对应CORESET的Type0-PDCCH CSS集合，同时子载波间隔SCS、循环前缀CP模式与Type0-PDCCH CSS集合中PDCCH信道一致，否则按照高层参数initialDownlinkBWP确定下行BWP相关参数配置。对于上行初始BWP的配置，UE需要通过高层参数initialUplinkBWP获取。BWP信息单元（TS38.331　6.3.2节）如下。

BWP参数配置包含BWP频域的起始位置和工作带宽（locationAndBandwidth）、子载波带宽（subcarrierSpacing），以及循环前缀格式（cyclicPrefix，CP）。

1．BWP的分类

在NR FDD系统中，一个UE最多可以配置4个专用DL BWP和4个专用UL BWP。在TDD系统中，一个UE最多配置4个BWP Pair。BWP Pair是指DL BWP ID和UL BWP ID相同，并且DL BWP和UL BWP的中心频点一样，但是带宽和子载波间隔可以不一致。

BWP间切换示意图如图1-16所示。

图1-16　BWP间切换示意图

从BWP占用时机上来看，BWP分为两类：初始BWP（Initial BWP）和专用BWP（Dedicated BWP）。专用BWP主要用于数据业务传输，一般大于初始BWP的带宽。

（1）初始BWP：用于UE接入前的信息接收，如接收SIB1、OSI、发起随机接入等，一般在空闲态时使用。

（2）专用BWP：UE专有BWP，UE可在这个BWP上进行数据的收发和PDCCH检索。

（3）默认BWP（Default BWP）：UE默认BWP，通过RRC Reconfiguration消息通知UE。如果没有配置，则将初始BWP认为是默认BWP。在占用专用BWP状态时，若BWP-inactivityTimer超时之后，UE仍没有被调度，则将UE切换到默认BWP。

根据应用场景划分，BWP可以分为3类，如图1-17所示。

图1-17　BWP应用场景分类

场景1用于小带宽能力UE接入5G系统，使用和监测较小带宽有利于降低UE功耗；场景2适用于可变业务，UE根据业务带宽需求在大小BWP间进行切换；场景3中的不同BWP分别占用不同频带资源，可以配置不同参数集（Numerology）、承载不同业务，如eMBB、mMTC和uRLLC等。

UE在对应的BWP内只需要采用对应BWP的中心频点和SCS配置即可。每个BWP不仅仅是频点和带宽不一样，还可以对应不同的配置。例如，每个BWP的子载波间隔SCS、循环前缀CP类型、SSB周期等都可以差异化配置，以适应不同的业务需求。

2．BWP自适应

BWP自适应调整示意图如图1-18所示。第1时刻，UE的业务量较大，系统给UE配置一个大带宽（BWP1）；第2时刻，UE的业务量较小，系统给UE配置了一个小带宽（BWP2），满足基本的通信需求即可；第3时刻，系统发现BWP2所在带宽内有大范围频率选择性衰落，或者BWP2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）。