5G 基本原理与技术

帧结构
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
• 一个无线帧长度为10ms； • 每个无线帧由10个长度为1ms的子帧构成；
One radio frame, Tf = 10 ms One subframe, Tsf = 1 ms
#0
#1
#2
#3
#8
#9
FDD无线帧和子帧分布及长度和LTE保持一致，毎子帧时隙的个数根据子载波宽度配置
Codebook =
pp 01
p n
UE根据CSI-RS信息，从Codebook中有限个Beam中 挑出最好的多个正交beam，并反馈BeamId给基站
预编码加权依据于基站对于SRS信号的计算或UE的PMI反馈
MIMO多流预编码加权
多流Beam forming
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
多流空分原理
3GPP协议定义了从Sub3G，C-band到毫米波的5G目标频谱 3GPP协议已经定义用于上下行解耦的SUL频谱
5G目标网频谱分布
Dense Urban
Urban
Suburban
Rural
mmWave (TDD)
容量补充层
C-Band (TDD) 2.6GHz (T+F) 1.8GHz / 2.1GHz (FDD)
用户 CRC 码块
编码
码块 速率
交
加
QAM
功控
资源 天线0
数据 添加 分段
连接 匹配
织
扰
调制
调整
MIMO
映射
输出
编码
用户 CRC 码块
编码
码块 速率
交
加
QAM
功控
数据 添加 分段
连接 匹配
织
扰
调制
调整
资源 映射
天线1 输出
MAC控制信息 (ACK/CQI/PMI/PC命令…)
5G物理层基本流程保持和LTE一致，但是在编码，调制，资源映射等具体过程存在差别
QPSK 16QAM 64QAM
5G
QPSK 16QAM 64QAM 256QAM
调制基本原理：一个符号可以根据振幅和相位表示多 个bit，倍数级提升频谱效率，如16QAM，一个符号 可以承载4个bit
下行
Fra Baidu bibliotek
QPSK 16QAM 64QAM 256QA M
QPSK 16QAM 64QAM 256QAM 1024QAM
1400MHz (SDL) 700MHz/800MHz/900MHz (FDD)
基础容量覆盖层 基础覆盖层
5G的目标网将是多层次组网结构，包括Sub3G，C-band和毫米波
C-band 和高频G30/G40将成为5G的全球可获得频谱
Sub6GHz
Europe USA
China Japan Korea
mmWave
5G NR 技术演进
新空口
✓ 新频谱
引入C-band，毫米波频段
✓ 新编码
Polar码，LDPC码
✓ 新的高阶调制
DL 1024QAM，UL256QAM
✓ 新的帧结构
新子帧结构，Self- contain
✓ Soft AI
灵活Numerology
✓ 新的物理信号设计
CRS-Free，新DM-RS
KOR MSIP
30 3.25 GHz
3.25 GHz
0.85GHz
2 GHz 3 GHz
1.6 GHz Confirmed Likely TBD
40 3 GHz
3 GHz
45 GHz
6.5 GHz
WRC-19 candidate, global primary Mobile Service band WRC-19 candidate, not global primary Mobile Service Nbaontdin scope of WRC-19 AI1.13
加权形成定向窄波束，集中接收能量。接收方享有分集增益，通道数越多，分集增益越大
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
MIMO预编码加权— 波束成型原理
UE2接收 = S*ω1*X1 + S*ω2*X2 +
S*ω3*X3 + S*ω4*X4 =0
Xn表示数据传播路径 2
1
UE1接收 = S*ω1*Y1 + S*ω2*Y2 +
mmWave
3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.0
GHz
G30
G40
20
RSPG candidate pioneer bands FCC R&O bands
WRC-19 AI 1.13 studies concentrate on JPN MIC
ACK/NACK
– 上行自包含时隙/子帧：包含对UL的调度信息和UL 数据；
DL control
D
U
UL grant
自包含时隙/子帧设计的目标：
5G兼容LTE调制方式，同时引入比LTE更高阶的调制技术，进一步提升频谱效率
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
MIMO预编码加权— 波束成型理论
波束成型应用了干涉原理，图中弧线表示载波的波峰，波峰与波峰相遇位置叠加增强，波峰与波谷相遇位置叠加减弱。 未使用BF时，波束形状、能量强弱位置是固定的，对于叠加减弱点用户，如果处于小区边缘，信号强度低。 使用BF后，通过对信号加权，调整各天线阵子的发射功率和相位，改变波束形状，使主瓣对准用户，信号强度提高。
目的：为各流形成独立的发射波束，将能量对准目标 天线，各流到达目标天线时信号叠加最强，而在其他 天线处叠加趋0
过程：使用SRS信道估计或PMI反馈，对各个通道发 射信号进行相位加权，使得特定用户的数据加权后经 过传输路径到达用户的指定天线时，达到最大强度
接收天线1: 各天线发送的S1的强度叠加到最大，各
<1Mbps
10Mbps
100Mbps >1Gbps 速率
Source: GSMA & 华为无线 X Labs
4G/4.5G/5G支撑的网络能力对比
端到端时延 1/5x 1~5ms
移动数据流量 1,000x 10Tb/s/km2
峰值速率 100x 10Gbps
可靠性 99.999%
25ms
99.99% 90 days
8 Antennas Pattern beamforming
TX
RX
8TRX
干扰抑制增益
天线越多，波束越窄，干扰更小，且通过协同， 干扰可控
Coordination
空分复用增益 天线越多，波束越窄，相关性低的流数越多
16TRX
32TRX
Beams have lower correlation
64TRX
BLER
-1
10
-2
10 0
控制信道 ：Polar码
Info. Bits Len =100,QPSK
1
2
3
4
5
6
Eb/No(dB)
T,R=1/5(100/500) T,R=1/3(100/300) T,R=2/5(100/250) T,R=1/2(100/200) T,R=2/3(100/150) T,R=3/4(100/134) T,R=5/6(100/120) T,R=8/9(100/113) P,R=1/5(100/500) P,R=1/3(100/300) P,R=2/5(100/250) P,R=1/2(100/200) P,R=2/3(100/150) P,R=3/4(100/134) P,R=5/6(100/120) P,R=8/9(100/113) L,R=1/5 (100/500) L,R=1/3 (100/300) L,R=2/5 (100/250) L,R=1/2 (100/200) L,R=2/3 (100/150) L,R=3/4 (100/134) L,R=5/6 (100/120) L,R=8/9 (100/113)
7
8
Polar码在小数据块情况下，性能最优，更低的 解调门限，计算复杂度低，时延低
5G采用全新信道编码，相比Turbo码，LDPC码更适合大数据块（数据面），Polar码更适用于小数据块（控制面） 5G新编码相对LTE，降低了误码率，可提升覆盖
调制
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
LTE
上行
C-band（3.4GHz — 4.9GHz）可以提供至少200M的全球带宽，将成为5G网络的主力频谱
5G 小区带宽定义
5M 10M 15M 20M 40M 50M 60M 80M 100M
Sub6G
50M 100M 150M 200M 400M
5G取消了5M以下的LTE小区带宽，大带宽是5G的典型特征 20M以下带宽定义主要是满足既有频谱演进需求
新架构
✓ NSA/SA架构
✓ 新接口
F1，NG
✓ 新协议层
SDAP
✓ 上下行解耦
包含上下行频段组合定 义
✓ 切片
✓ QoS架构
5G继承了一部分LTE的技术（如OFDM），但相对LTE改进了空口和架构，来进一步提升频谱效率和支撑多种业务应用
目录
1 5G总体介绍 2 5G物理层介绍 3 5G频谱
物理层基本过程
天线发送的S2数据叠加趋0
接收天线2: 各天线发送的S2的强度叠加到最大，各
天线发送的S1数据叠加趋0
多流数据通过加权，形成不同的定向波束，在同一时频资源上实现空间复用
Massive MIMO的增益
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
阵列增益 天线越多，同向叠加，接收信号强度越高
1 Antenna Pattern
5G 基本原理及关键技术介绍
目录
1 5G总体介绍 2 5G物理层介绍 3 5G频谱
5G网络核心诉求：高吞吐率、低时延
时延
不同业务对5G网络性能要求差异巨大
1ms 10ms 100ms
>1s
灾难预警
自动驾驶
触觉互联网 增强现实
实时游戏
v 虚拟现实
多人视频会议
车载紧急电话 远程控制
传感器
私有云
办公云 移动视频
S*ω3*Y3 + S*ω4*Y4 = S +S +S +S
Yn表示数据传播l路径
SRS
B1=
ss 01
s n
TDD下，依据上下行互易性原理，基站根据SRS信息， 从无穷个Beam中挑出最好的多个正交beam
CSI-RS
经过预编码加权后，UE1收到的数据是多天线能量的叠加， 而其它UE收到的多天线能量则互相抵消
基线
单用户平均吞吐率提升~20%
单用户平均吞吐率提升~35%
单用户平均吞吐率提升~45%
资源映射之物理资源总述
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
时隙-slot
子帧
物理资源
无线帧
OFDM符号
基本时间单位Ts
物理信道和信号
NR采用和LTE相同OFDMA多址方式，物理资源的主要描述维度基本上相同
编码
Slot定义：自包含时隙/子帧（Self-contained）
返回
3GPP 协议中未明确定义自包含时隙/子帧类型 业界/文献中讨论的自包含时隙/子帧特点：
– 同一时隙/子帧内包含DL，UL和GP – 下行自包含时隙/子帧：包含对DL数据和相应的
HARQ反馈
UL control or SRS
D
U
Self-contained slot有两种结构，DL-dominant slot和UL-dominant slot
DL-dominant slot中的上行传输可以用于上行控制以及SRS信号传输 UL-dominant slot的下行传输可以用于下行控制的信号传输
5G新引入的帧结构，用于缩短下行反馈时延以及上行调度时延，用于满足超低时延业务需求
Self-Contain帧结构
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
DL Type 1: DL-only slot
UL Type 2: UL-only slot
Uplink Control or SRS Downlink Control
DL DL-dominant
UL UL-dominant
Type 3: Mixed DL and UL slot
信道编码
编码
调制
MIMO编码
资源映射
天线输出
数据信道 ：LDPC(low-density parity-check)码
同样BLER下，LDPC码需要的SNR更低
LDPC码在大数据块情况下，相比turbo码，码峰值速 率更高、译码速度更快、功耗更低，更适合5G高吞 吐率数据译码需求，并且有更低的误码平台；
10Gb/s/ km2
4G 4.5G
100Mbps
350km/h 1K/km2
移动性 1.4x 500km/h
业务上线时间 1/1,000x 90 min.
5G
设备数量 1,000x 1M/km2
能效 1/10x
3GPP协议定义的5G频谱
Sub6G频谱定义
毫米波频谱定义
SUL：Single UpLink，用于上下行解耦
调制
MIMO编码
时域资源：帧，子帧，时隙，符号的概念
资源映射
天线输出
无线帧
基本的数据发送周期
子帧
子帧
……
子帧
时隙 时隙
……
时隙
符号 符号 符号…… 符号
部分控制信息的发送周期，上下 行子帧的分配单位
数据调度和同步的最小单位
最小时间单元，调制的基本单位，
空口时域的通用结构，在不同的制式下，满足数据传输及带内控制的需求