5G终端模拟器下行RSRP测量的设计与实现

摘要
当前信息数据处于爆发式增长，通信网络更加复杂多变，LTE已经满足不了未来无线数据的增长情况，基于此5G移动通信应运而生。

在5G移动通信系统研发、生产、部署，网络优化过程中，接入网及核心网的各项性能测试指标需要通过终端侧进行一系列可控可调的测试，这个测试由5G终端模拟器来实现。

5G终端模拟器支持5G终端模拟测试，5G空中接口测试，增强移动宽带场景测试，从而评测5G接入网和核心网的功能和性能参数，最终提升5G网络的使用体验，对于5G网络，这些测试是必要的，也是普通用户终端无法完成的，因此对5G终端模拟器的研发显得尤其重要。

本课题的研究依托于2018年重庆市重点项目“5G终端模拟设备的研发及应用”，该项目是重庆市重点产业共性关键技术创新重大主题专项项目，是项目中一个必须的功能模块；课题深入而全面地研究参考目前主要算法，设计出满足本项目需求的下行信道RSRP测量方案，并进一步对其进行基于FPGA的设计与实现，最后测试功能。

5G网络中，小区切换会变得非常频繁，只有UE驻留在信号更好的小区中，用户才能获得更好的服务体验。

参考信号接收功率(RSRP)是小区是否优质的重要指标之一。

本课题从5G终端模拟器测量需求出发，设计RSRP测量算法。

先对5G系统中参考信号的分布和资源映射进行研究分析，并分别对均值算法、共轭相乘算法和子集共轭相乘算法等进行仿真，对仿真结果进行比较分析，得出三种算法的优劣势；其中均值法计算复杂度最低，最易于实现和验证；共轭相乘的测量算法更适合在低信噪比的场景，但是在5G系统高信噪比特点下性能不如均值算法；子集共轭相乘的测量算法将I个承载参考信号的RE划分成M个N大小的子集集合，再把子集进行共轭相乘，避免了只进行共轭相乘带来的信道影响的累积，但是需要在不同的信噪比情况下选择不同的子集数。

综合考虑5G终端模拟器的测试实现要求，算法仿真结果和算法的FPGA实现难易度，参考信号的资源粒子分布较为稀疏且相邻，在带宽较大和信噪比较高的情况下，均值算法最具有优势。

基于均值算法进行测量整体框架设计，首先完成下行接收端架构设计，根据测量模块在下行接收端的位置进行RSRP测量算法的同频和异频小区的流程设计，然后完成RSRP测量算法架构的设计，最后完成LS模块、RSRP测量模块和RSRQ 测量模块的设计，针对整体架构进行FPGA实现方案设计。

最后，使用Modelsim对实现模块进行仿真验证，仿真结果满足课题指标要求；然后，基于终端模拟器的整机采用标准仪表测试，5G宏站现场测试两种方式进行验证测试，验证了本模块实现结果满足本课题的实现要求。

关键词：5G终端模拟器，RSRP，参考信号，FPGA
Abstract
The current information data is undergoing explosive growth, the communication network is more complex and changeable, and LTE cannot meet the future growth of wireless data. Based on this, 5G mobile communication came into being. In the process of 5G mobile communication system R&D, production, deployment, and network optimization, various performance test indicators of the access network and core network need to undergo a series of controllable and adjustable tests on the terminal side. This test is performed by the 5G terminal simulator achieve. The 5G terminal emulator supports 5G terminal simulation test, 5G air interface test, and enhanced mobile broadband scenario test to evaluate the functions and performance parameters of the 5G access network and core network, and ultimately improve the experience of 5G network use. For 5G network, these tests It is necessary and impossible for ordinary user terminals, so it is particularly important for the research and development of 5G terminal emulators.
The research of this subject relies on the key project of Chongqing in 2018 "R&D and application of 5G terminal analog equipment". This project is a special project of Chongqing Municipality's key industry common key technology innovation major theme, and a necessary functional module in the project; While comprehensively researching and referring to the current main algorithms, we design a downlink channel RSRP measurement scheme that meets the needs of this project, and further implement FPGA-based design and implementation of it, and finally test the function.
In 5G networks, cell switching will become very frequent. Only when the UE resides in a cell with a better signal can users get a better service experience. Reference signal received power (RSRP) is one of the important indicators of whether the cell is of high quality.This issue is based on 5G terminal device measurement demand development, design RSRP measurement calculation method. Ahead 5G system Intra-signal reference distribution Japanese resource projection shooting research analysis, parallel division comparison equalization method, co-coincidence calculation method Wako collection co-coordination calculation method equi-
progressive movement, comparison result comparison comparison analysis, obtained three kinds calculation method Superiority and inferiority; among them, the lowest degree of calculation and calculation, the simplest and most effective method; the coexistence of the measurement method, the adjustment, the low confidence ratio, the 5G system, the high confidence ratio, and the performance under the special features; Children's collections Coordinated measurement algorithm General I Individual reference signal-like RE divisions M's N Large and small children's collections, Re-collection collections Mutual cooperation, evasion The number of shadows, but the number of non-constant demands and disparities in demand and prehensively consider the test implementation requirements of the 5G terminal simulator, the algorithm simulation results and the difficulty of the FPGA implementation of the algorithm, the resource particles of the reference signal are relatively sparse and adjacent, and the average algorithm is under the condition of large bandwidth and high signal noise The most advantageous.
Based on the mean value algorithm, the overall frame design of the measurement is completed. First, the downlink receiver architecture design is completed. According to the location of the measurement module at the downlink receiver, the process design of the co-frequency and inter-frequency cells of the RSRP measurement algorithm is completed, and then the RSRP measurement algorithm architecture is designed. Finally Complete the design of the LS module, RSRP measurement module and RSRQ measurement module, and design the FPGA implementation scheme for the overall architecture.
Finally, use Modelsim to simulate and verify the implementation module, and the simulation results meet the requirements of the subject index; then, the terminal simulator-based machine adopts standard instrument testing and 5G macro station field testing to verify the implementation results of the module. Meet the realization requirements of this subject.
Key words: 5G Terminal Simulator, RSRP, Reference signal, FPGA
目录
图录 (VIII)
表录 (X)
注释表...................................................................................................................................... X I 第1章绪论 (1)
1.1 研究背景、目的和意义 (1)
1.1.1 研究背景 (1)
1.1.2 研究目的和意义 (2)
1.2 国内外的研究现状 (2)
1.3 课题来源及研究内容 (4)
1.4 论文组织架构 (5)
第2章5G关键技术及5G终端模拟器概述 (7)
2.1 5G物理层概述 (7)
2.2 5G物理层关键技术 (10)
2.3 5G终端模拟器概述 (11)
2.4 下行基带板架构 (14)
2.5 5G终端模拟器中的RSRP测量 (15)
2.6 RSRP相关指标 (16)
2.7 本章小结 (17)
第3章RSRP测量算法研究 (18)
3.1 参考信号的特点与分析 (18)
3.2 参考信号位置的信道估计 (20)
3.2.1生成CSI-RS序列 (20)
3.2.2映射到物理资源 (21)
3.2.3信道估计 (25)
3.3 RSRP测量算法设计 (26)
3.3.1 均值算法 (26)
3.3.2 共轭相乘算法 (27)
3.3.3 子集共轭相乘算法 (28)
3.4 测量算法比较分析 (29)
3.4.1 仿真链路设计 (29)
3.4.2 仿真参数的设定 (30)
3.5 测量算法性能对比 (31)
3.5.1 均值算法 (31)
3.5.2 共轭相乘算法 (32)
3.5.3 子集共轭相乘算法 (33)
3.5.4 算法结果分析 (35)
3.6 本章小结 (35)
第4章RSRP测量算法的架构设计与实现 (37)
4.1下行接收端设计 (37)
4.2 RSRP测量流程设计 (40)
4.2.1 同频小区 (40)
4.2.2 异频小区 (41)
4.3 RSRP测量算法的架构设计 (42)
4.4 具体模块设计 (45)
4.4.1 LS模块 (45)
4.4.2 RSRP模块 (47)
4.4.3 RSRQ模块 (50)
4.5 本章小结 (52)
第5章功能测试及结果分析 (53)
5.1 仿真验证 (53)
5.1.1 LS信道估计模块仿真 (53)
5.1.2 RSRP测量模块仿真 (54)
5.1.3 RSRQ测量模块仿真 (56)
5.1.4 结果精度验证 (57)
5.2 仪表测试 (58)
5.3 现场测试 (59)
5.4 本章小结 (61)
第6章总结与展望 (62)
6.1 工作总结 (62)
6.2 研究展望 (62)
参考文献 (64)
致谢 (68)
攻读硕士学位期间从事的科研工作及取得的成果 (69)
图录
图1. 15G终端模拟器的接收平台架构 (5)
图2. 15G系统帧结构 (7)
图2. 25G系统子载波间隔类型 (8)
图2. 3 下行链路的资源网格结构 (9)
图2. 45G接收样机硬件平台 (12)
图2. 55G终端模拟器整机 (13)
图2. 6 物理层基带信号处理流程 (14)
图2. 7 测量流程 (15)
图3. 1 天线端口1资源图 (23)
图3. 2 天线端口2资源图 (23)
图3. 3 天线端口3资源图 (23)
图3. 4 天线端口4资源图 (24)
图3. 5 测量仿真链路 (30)
图3. 6 基于均值法测量RSRP (31)
图3. 7 基于均值法测量性能 (32)
图3. 8 基于共轭相乘法测量RSRP (32)
图3.9 基于共轭相乘法测量性能 (33)
图3. 10 基于子集共轭相乘法测量RSRP (34)
图3. 11 基于子集共轭相乘法测量性能 (35)
图4. 1 下行接收端架构 (37)
图4. 2 同频测量流程 (41)
图4. 3 异频测量流程 (42)
图4. 4 测量算法架构 (43)
图4. 5LS算法硬件框架 (45)
图4. 6 参考信号生成框图 (46)
图4. 7LS估计定点实现图 (46)
图4. 8RSRP模块框图 (47)
图4. 1 求均值定点实现图 (48)
图4. 10 平均功率定点实现图 (49)
图4. 11RSRQ模块框图 (50)
图4. 12定点实现图 (50)
图5. 1 模块通用测试验证框图 (53)
图5. 2 参考信号生成仿真图 (54)
图5. 3LS估计仿真图 (54)
图5. 4 求和仿真图 (55)
图5. 5 去直流仿真图 (55)
图5. 6FFT旋转仿真图 (55)
图5. 7 筛选仿真图 (56)
图5. 8RSRP结果仿真图 (56)
图5. 9 循环前缀判断仿真图 (56)
图5. 10 均值输出仿真图 (57)
图5. 11RSSI仿真图 (57)
图5. 12RSRQ仿真图 (57)
图5. 13RSRP误差 (57)
图5. 14RSRQ误差 (58)
图5. 15 验证部署 (58)
图5. 16 预期与实际测量功率 (59)
图5. 17 现场测试 (60)
图5. 185G模拟器和路测仪测量功率 (60)
表录
表2. 1 正常CP每帧的时隙数和每子帧的时隙数 (8)
表2. 2 扩展CP每帧时隙数和每子帧时隙数 (9)
表2. 3 下行链路的资源块数量 (9)
表2. 4 参数指标 (16)
表3. 1 CSI-RS在时隙中位置 (21)
表3. 1 (续) (22)
表3.2 仿真参数 (30)
表5. 1 发射功率及测量结果 (59)
表5. 2 现场测试结果 (60)
注释表
LTE Long Term Evolution，长期演进
5G 5th Generation Mobile Networks，第五代移动通信技术RSRP Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率FPGA Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列
LS Least Square，最小二乘
RSRQ Reference Signal Receiving Quality，参考信号接收质量OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用3GPP 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划UE User Equipment，用户设备
RSSI Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示CP Cyclic Prefix，循环前缀
UL Uplink，上行链路
DL Downlink，下行链路
TDD Time Division Duplexing，时分双工
FDD Frequency Division Duplexing，频分双工
MIMO Multiple Input Multiple Output，多输入多输出
DSP Digital Signal Processor，数字信号处理器
RF Radio Frequency，射频
CPU Central Processing Unit，中央处理器
ARM Advanced RISC Machines，高级精简指令集机器
PDCCH Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道PDSCH Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道CSI Channel State Information，信道状态信息
DDR Double Data Rate，双倍数据速率
PBCH Physical Broadcast Channel，物理广播信道
MIB Master Information Block，主信息块
FFT Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换
CSI-RS Channel State Information Reference Signal，信道状态信息参考信号LDPC Low-density Parity-check，低密度奇偶校验
RRC Radio Resource Control，无线资源控制
CRS Cell Reference Signal，小区参考信号
RE Resource Element，资源粒子
RAM Random Access Memory，随机存取存储器
ROM Read Only Memory，只读存储器
AWGN Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声
DPRAM Double Port Random Memory，双端口随机寄存器
AGC Automatic Gain Control，自动增益控制
第1章绪论
1.1 研究背景、目的和意义
1.1.1 研究背景
随着当前社会人们对移动通信各方面需求逐步提高，通信网络系统逐渐实现了宽带化、IP化，移动终端用户的网络需求不断提高，5G通信技术也随之出现，也就是第五代移动通信网络[1]。

目前对于5G系统的相关协议和标准正由国际电信联盟(ITU)主导展开，同时确定IMT(国际移动通信系统)-2020的相关研究，ITU通过一系列决定要求标准的前期研究需要在2015年中完成[2]，在2016年完成5G系统的性能要求和系统评估研究，同时在2017年需要开展5G系统候选方案，最后标准的确定会在2020年底完成[3]。

5G的需求指标有：一、对于场景的相关测试，在场景测试方面对天线有一定要求，如果是单终端情况下，最少需要8根天线，而且也支持多终端同时进行测试[4]。

二、对于射频方面：在6GHz以下的低频段情况，需要在400MHz至6GHz都是允许的频率，单终端的带宽要求在100MHz以上，射频输入要求在60dB(-25dBm至-85dBm)以上，而输也要求在60dB以上，电的分辨率需要达到0.1dB的要求[5]。

三、支持L1/L2/L3 信令实时解析和生成[6]。

四、支持5G 终端物理层和高层协议的模拟，包括小区搜索、测量、接入、用户反馈机制、纠错重传机制、多种高阶调制功能、多天线、D2D和LAA 功能[7]。

五、支持空口测试，包括新型多址接入、新型多载波、先进调制编码[7]。

六、支持OFDM/FBMC/F-OFDM/UFMC/OFDMA/SCMA/PDMA/MUSA等新技术场景验证选择[8]。

七、支持测试例动态添加、支持测试过程重现、支持测试结果数据处理等功能。

3GPP根据ITUIMT-2020的需求来进行标准的定制，R15所侧重的方面主要是增强移动宽带业务和基础的低时延高可靠业务，R16对于物联网方面要求更多[9]。

小区切换在5G通信中占据重要地位，5G通信中的用户服务质量就是由小区切换所决定的。

因为UE在大多数情况下是移动的，所以就需要不停地在各个小区进行切换，而UE端能否得到更好的网络体验就需要UE在切换中选择信号最好的小区进行驻留，因此小区切换就需要做到低延迟和高成功率[10]。

参考信号接收功率(RSRP)作为小区切换中的重要评测标准，所测量的信号功率是否可以在当前小区向优质小区切换，同时为能
否驻留优质小区提供参考[11]；参考信号接收质量(RSRQ)可以对当前所在小区和相邻小区的信号质量进行一个评测[12]；接收信号强度指示(RSSI)定义为UE探测带宽内一个OFDM符号所有RE上的总接收功率[13]，同时也包含了许多噪声。

因为在5G系统中，小区切换变得十分频繁，所以更加凸显了RSRP和RSRQ测量的重要性[14]。

当前的RSRP和RSRQ测量研究多是基于LTE系统，而5G在该方面地研究还没有深入，所以国内外对5G系统中RSRP和RSRQ的测量少之又少。

5G系统的性能有很大程度上都和测量的结果有关，而各种算法的准确性和算法复杂度的矛盾问题对于整个算法能否在实际情况下应用也是一项需要均衡的重要标准。

1.1.2 研究目的和意义
在5G终端模拟器中，参考信号是在物理层产生的，经过资源映射、IFFT运算、添加循环前缀和一系列采样后可以通过天线发送。

而RSRP测量模块是属于下行接收端部分的，下行接收端接收到参考信号后，经过多次采样、滤波、去直流、信道估计和加权平均等处理，来计算出RSRP和RSRQ的值并确定CP类型，排序完成后发送给上层。

5G系统中的小区切换的优质率和网络的掉话率都是关键指标，所以影响这些指标的RSRP、RSSI和RSRQ测量就尤其重要。

RSRQ测量被定义为RSRP测量和RSSI测量的比例：RSRQ =N*RSRP/RSSI 。

对于信道质量差的主要有2个原因：信号强度不足和SINR较差，因此就需要一个指标来明确下行信道的信号强度，而RSRP就是承担了这个职责，RSSI参数提供的是关于干扰情况的信息。

如果要了解5G系统下会影响到信道质量的情况，就需要知道信号强度、干扰情况以及通过RSRP的测量来确定两者关联情况[15]。

这些测试数据对5G终端模拟器的总体设计是十分有用且必要的，它直接影响了终端模拟器能否正常准确地工作。

1.2 国内外的研究现状
目前世界各国相关组织都在积极地研发5G 技术，其中比较重要的5G 活动有METIS、5GPPP、IMT-2020、5GForum 和NGMN。

其中IMT-2020的研究是在中国进行的。

为了在5G的研究中先行一步，我国在2013年2月组建了IMT-2020(5G)推进组[16]，IMT-2020(5G)的主要成员有运营商、制造商、高校和研究机构。

5G系统中的通信场景主要有以下几种：(1)连续广域覆盖场景：着重于移动性和连续性，同时在高速通信中速率可以达到100Mbit/s以上[17]。

(2)热点高容量场景：该场景着重于速率达到了1Gbit/s的场景，目的是当流量密度非常高时也可以达到用户的要求。

(3)低功耗大连接场景：主要针对物联网服务，因为物联网要求大量的终端，该通信场景需要网络的负荷极大，达到了千亿设备。

(4)低时延高可靠场景：该场景通信的要求十分严苛，对于延时和可靠性几乎要达到毫秒级和100%的完全可靠[18]。

在LTE系统中空闲模式中小区切换对于用户终端来说非常重要，文献[19]针对空闲模式的小区切换进行了研究，如果终端位于某一个小区时，就一直准备着进行小区切换，但是切换要求终端对当前所在小区和相邻小区进行测量来获取当前小区和相邻小区的信号质量，通过比较后选择是否进行切换。

文献[20]提出新的小区切换算法，新的算法综合考虑了RSRP对于算法的影响，对于小区切换的成功率和次数得到改进，并使得RSRP对于小区切换更为重要。

文献[21]提出在5G网络中小区切换需要满足小于1ms的延迟要求，参考信号接收功率测量和接收信号强度对于小区切换是重要指标，而参考信号接收质量测量进一步降低掉话率，提高小区切换的成功率。

RSRP对于同频和异频的切换也非常重要，其中对于当前所在小区和同频带的相邻小区的测量，这是同频测量的目的。

文献[22]说明在同频小区时，系统在进行信号能量测量时，用户终端需要在小区同步状态，而且还需要得到同频带相邻小区的小区标识号，但是LTE系统中并不会给与同频带相邻小区的列表，那么系统就必须进行小区搜索。

异频小区对于终端来说同样是可以选择的。

如果终端需要进行异频切换，那么用户终端就需要调整RF做出一些频移，这样就可以在异频小区测量时进行中心频率的调节。

用户对于搜索到的异频小区和同频小区需要进行切换时，需要一个测量空隙来确保有充足的时间，这个时间一般会是6ms。

因为测量空隙有很多个，所以可以将不同的空隙来进行测量，以确保测量空隙不被浪费，也确保了终端的数据和资源有更高的利用效率。

对于RSRP算法文献[23]基于均值算法进行了测量研究，并对算法进行仿真链路的搭建，最后对均值算法进行了相关仿真，得到在信噪比较大时均值算法受噪声影响较小。

文献[24]基于共轭相乘算法对RSRP进行测量研究，并针对频域和时域对不同的信噪比和测量带宽进行比较，最后得出信噪比越高精度越高，带宽越宽测量精度越高，频域中算法在相同的情况下得出的结果是差不多的，时域中算法在相同的情况下的测量精度也是差不多的。

文献[25]对均值、子集均值和共轭相乘算法进行了一系列比较，均值算法
适合在带宽不是特别大的情况下，可以提高频带利用率，并且在实现上更加简单；子集均值算法必须要在测量带宽内将所有的子集都进行计算，因此对于实现过于繁琐；共轭相乘算法受信噪比的影响较大，且在实现上较为复杂。

5G通信和当前LTE系统下行的发送方式是相似的，都是OFDM的多址方式。

由于OFDM的特性，参考信号就不需要再根据特定情况来放置，而是可以不受约束地放置在时频域上。

文献[26]阐述了5G系统中参考信号在时频域上的分布，通常有以下几种：块状分布，梳状分布，矩形分布和菱形分布。

块状分布承载参考信号的方式是将其中几条OFDM 符号全部占用，而没有参与的符号则是通过内插或者直接取相邻符号上信道信息来估计信道情况。

梳状分布方式就是将参考信号分布在时域上，和块状分布正好相反，承载参考信号的方式是将其中某些子载波全部占用，没有参与的子载波和块状分布也是一样的，通过内插或者直接取相邻子载波信道情况来估计信道。

矩形和菱形两种分布的插入方式类似，是将资源子块均匀插入到时频域中。

1.3 课题来源及研究内容
本课题来源于2018年重庆市重点项目“5G终端模拟设备的研发及应用”，该项目的立项经由重庆市科委，而项目经费来自于市科技经费。

5G终端模拟器可以进行终端的模拟测试和空中接口的测试，同时对于增强移动宽带场景的测试也可以进行，在单终端情况下，最少需要4跟天线，也支持8个以上的终端同时进行测试工作[27]，支持5G 频段为3300MHz-3600MHz，工作方式为时分双工TDD，UE信道带宽为20-100MHz[28]。

5G终端模拟器的开发将依据3GPP 标准R13版、LTE-A-Pro国家行业标准及后续的5G标准，开发5G终端模拟设备。

根据5G终端的无线收发技术特点，研究5G终端模拟器的特性和测试方法，提出和构建5G测试方案，开发出5G终端模拟系统。

5G终端模拟器的接收平台架构如图1.1所示，可以分为很多个基础技术模块，包括帧结构、双工、波形、多址、调制编码、天线、协议等模块，为了将各个模块灵活地结合起来，就需要整合每个技术模块所拥有的共性技术内容，各模块之间可相互衔接，协同工作。

在5G环境下各个场景所需要的技术要求不尽相同，因此终端模拟器会对各个模块进行配置来达到优化的效果，并形成相应的接收技术方案。

图1. 15G终端模拟器的接收平台架构
1.4 论文组织架构
本文基于5G终端模拟器项目并结合3GPPR15版本协议以及国内外研究现状，进行5G终端模拟系统中的RSRP测量算法研究，设计和实现，并完成5G终端模拟器中相关测量的基本功能。

全文分为6章，论文组织架构如下：
第1章：绪论。

介绍了本课题的研究背景，研究意义，描述了当前国内外研究现状，并对论文结构安排作了简述。

第2章：5G关键技术及5G终端模拟器概述。

介绍了5G物理层的概念和相关的关键技术，并简单介绍了5G终端模拟器，最后引出5G终端模拟器中RSRP的测量需求。

第3章：RSRP测量算法研究。

介绍了RSRP测量中参考信号的特点和性质，并对参考信号的生成的资源映射进行了研究。

然后提出几种可行的RSRP测量算法，并对几种算法进行仿真分析，最后根据当前的实际情况选择合适的算法进行后续设计，实现和测试。

第4章：RSRP测量算法的架构设计与FPGA实现。

根据第3章的仿真结果的分析和比较，最终选择合适的算法进行框架设计。

首先设计了测量的整体框图，再根据各个功能设计详细的模块，然后在FPGA上面的功能实现。

第5章：功能测试及结果分析。

根据上一章的架构设计和实现，进行测试，最终得到测试数据及其分析结果。

第6章：总结与展望。

对全文工作内容进行总结，并为下一阶段需要进一步开展的研究指明方向。

第2章 5G 关键技术及5G 终端模拟器概述
5G 系统作为LTE 系统的升级已经开始了大规模的商业化应用，而5G 终端模拟器也将依据标准协议进行研究和开发。

本章首先对5G 系统的物理层结构、关键技术等进行研究，并简单介绍5G 终端模拟器的整体架构，然后根据5G 终端模拟器的工作要求和模块功能进行相关分析，完成物理层测量部分的流程设计。

2.1 5G 物理层概述
5G 系统中的协议效率是十分重要的，提高效率和时隙波束传输也是十分重要的， 5G 系统在参考信号的发送时机上和LTE 系统是不相同的，5G 系统只有在必要时才发送。

在LTE 中，子载波间隔是15KHz [29]，而5G 系统中加入了不同的子载波间隔。

虽然5G 系统中有多种子载波间隔，但是无线帧和子帧的长度是不会随着子载波的不同而变化的，无线帧长度为10ms ，子帧长度为1ms 。

CP 是正常值时，每个时隙都有14个符号[30]。

5G 系统帧结构如图2.1所示。

根据子载
波间隔的灵活框架
固定框架
图2. 1 5G 系统帧结构
在3GPP 38.211中定义了子载波间隔类型，如图2.2所示：
图2. 2 5G 系统子载波间隔类型
3GPP 38.211定义了许多不同的时隙格式。

5G 系统中时隙格式与LTE 系统有很多相似性，同时也有差异：5G 系统时隙格式中，上下行与LTE 系统是不同的，在LTE 系统中上下行的转换点是子帧，而5G 系统中的转换点是符号。

5G 系统中时隙格式的上下行子帧配置相比于LTE 系统有更多的配置类型。

而时隙的长度也是有所不同的，时隙的长度是根据相关参数配置而决定的，子载波间隔越大，而时隙的间隔也会越短。

表2.1为正常CP 每帧的时隙数和每子帧的时隙数。

表2. 1 正常CP 每帧的时隙数和每子帧的时隙数
μ slot symb N ,frame slot N μ ,subframe slot
N μ 0
14 10 1 1
14 20 2 2
14 40 4 3
14 80 8 4 14 160 16
在扩展CP 的情况下，每时隙OFDM 符号数，每帧时隙数和每子帧时隙数如表2.2所示：
表2. 2 扩展CP 每帧时隙数和每子帧时隙数
μ
slot symb
N
,frame slot
N μ ,subframe slot
N μ
2 12 40 4
下行链路的资源块数量如表2.3所示：
表2. 3 下行链路的资源块数量
μ
min,,RB DL
N μ
max,,RB DL
N μ
min,,RB UL
N μ
max,,RB UL
N μ
0 24 275 24 275 1 24 275 24 275 2 24 275 24 275 3 24 275 24 275 4
24
138
24
138
下行链路的资源网格结构如图2.3所示：
一个下行时隙
slot
T 0
=l 1
DL
symb −=N l R B
D L RB sc N ⨯资源粒子
1
RB
sc −N 资源粒子
图2. 3 下行链路的资源网格结构
2.25G物理层关键技术
在5G 系统中有几个重要指标在物理层中非常重要，这些指标有：工作频段可以得到更加广泛的应用，同时这些工作频段也承载了多种信道和配置选项；应用在物理层的延迟极低，这类服务要求传输在短子帧方面有特殊要求，同时具有抗短突发干扰功能；动态共享频谱提供上行链路(UL)、下行链路(DL)、侧链路和回程链路；多天线包括多输入多输出，这些多天线作用是保证了在频谱上具有更高的效率；在时间操作上更加密集，同时在确保了在频率使用上有更高的效率，保证这些的作用是为了在TDD和FDD上的配置更便捷[31]；需要在DL和UL达到对称，这么做是为了保证小型基站在毫米波频率下也可以工作。

1. 帧结构及信道：由于当前的场景并不是一成不变，而且各种服务也是多种多样，所以就需要5G系统在帧结构上可以根据当前情况进行不同的配置。

频段的差异，同时工作场景和当前的信道环境也不可能完全一样，对于帧结构配置方面，具体包括带宽、子载波间隔、循环前缀(CP)、传输时间间隔(TTI)和上下行配比等。

当前也出现了像大规模天线、新型多址等这些新型技术，在这些新技术的应用场景下同样可以改变参考信号配置和控制信道配置来实现。

2. 双工技术：对于传统的TDD和FDD技术是可以适用于5G系统中的，同时还有相关的增强技术等，5G系统也有可能在未来的发展和完善中进一步实现灵活双工和全双工等更加先进的技术。

低频段和高频段所应用的技术也是不相同的，对于低频段来说，更多地使用FDD和TDD技术，而高频段则更多地使用TDD技术。

对于那些新型技术来说，适用的场景可能更广，例如灵活双工可以对上下行的时间和频率相关资源更好地进行配置，进而对动态变化的业务分布更好地完成[32]。

而全双工技术可以在频率和时间相同的情况下同时完成收发。

3. 波形技术：5G系统不仅支持和LTE系统一样的OFDM，同时出现了一些新波形，包括滤波器组多载波(FBMC)、基于滤波的OFDM(F-OFDM)和通用滤波多载波(UFMC)等[33]。

这些新波形的出现很大程度上解决了LTE系统的一些问题，比如带外泄露就有了很大的提升，新技术也改进了零散频谱的利用，同时和其他波形的共存也有一定的改进。