为什么5G这样设计空口物理层？

donnar

       在很多行业，常识更新比较缓慢，甚至有从业人员越老越吃香的现象。通信行业则没有这份幸运。从1G到2G到3G到4G到5G，通信技术差不多10年左右就有一次更新。1G用的是频分复用技术（FDM）；2G改为时分复用（TDM）；3G是码分复用（CDM）；4G兜了一圈，采用了升级版的频分复用技术，即正交频分复用技术（OFDM）。通信技术人员，不管是年轻人还是中老年人，都只能不停地重新培训、重新考试，为了在这个行业呆下去而疲于奔命。因此，当5G最终确定沿用OFDM技术时，很多人都松了口气。

       当然，尽管没有颠覆性的改变，和4GLTE相比，5G的空口物理层还是复杂了许多。

       如果不考虑扩展CP和MBMS（广播多播业务），4G LTE空口只有一种物理层波形，即子载波间隔只能是15KHz。而去年底出炉的3GPP Release 15协议则为5G空口规定了5种物理层波形，对应的子载波间隔分别为15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz。

1， 规定这么多物理层波形是出于什么考虑呢？

       5G业务使用的频段的跨度很大，部署方式也多种多样，因此需要一个可以灵活扩展的OFDM numerology。5G NR的子载波间隔为15X2^nKHz，其中n为整数，而15KHz是4G LTE使用的子载波间隔。扩展系数2^n意味着不同的numerology的时隙和OFDM符号在时域是对齐的，这对于TDD网络有着重要的意义。参数N的选择取决于很多因素，包括部署的方式（FDD或者TDD）、载频、业务需求（时延、可靠性和数据速率）、硬件品质（本地晶振的相位噪声）、移动性，以及实现复杂性。比如，设计大的子载波间隔的目的是支撑时延敏感型业务（URLLC）、小面积覆盖场景，和高载频场景，而设计小的子载波间隔的目的是支撑低载频场景、大面积覆盖场景、窄带宽设备，和增强型广播/多播（eMBMSs）业务。

       在15KHz的子载波间隔的基础上，设计出更多的大子载波间隔的numerology后，5G NR就能为用户提供对时延有苛刻要求的业务，如URLLC业务——这种能力是LTE无法提供的。OFDM符号的持续时间与子载波间隔成反比。由于在所有的numerology中，每个时隙中的OFDM符号数量都一样（14 OFDM符号/时隙），这意味着随着子载波间隔变大，时隙的持续时间变短。将所有numerology中的“OFDM符号数量/时隙”参数固定为14，简化了调度机制和参考信号设计。而更重要的是，使用大子载波间隔时，时延减少了。

       另外，OFDM调制器的最大FFT采样数和子载波间隔决定了信道带宽，因此大子载波间隔的numerology需要较大的信号带宽，小子载波间隔的numerology则相反。5G NR使用的频段可大致分成两段：小于6GHz的频段（sub 6GHz），频率范围是450MHz——6000MHz，和毫米波频段（mmWave），频率范围是24250MHz——52600MHz。在sub6GHz频段，最大带宽是100MHz；在mmWave频段，最大带宽可以达到400MHz。因此，子载波间隔为15KHz和30KHz的numerology只能用在sub6GHz频段，子载波间隔为120KHz的numerology只能用在毫米波频段，而子载波间隔为60KHz的numerology则两类频段都能使用。

2， 为什么子载波间隔的下限是15KHz，而上限是240KHz？

       简单地说，相位噪声和多普勒效应决定了子载波间隔的最小值，而循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值。

      大家当然希翼子载波间隔越小越好，这样在带宽相同的情况下，能够传输更多的数据。但如果子载波间隔太小，相位噪声会产生过高的信号误差，而消除这种相位噪声会对本地晶振提出过高要求。如果子载波间隔太小，物理层性能也容易受多普勒频偏的干扰。为什么子载波间隔为15KHz时，不需要担心相位噪声和多普勒效应呢？3GPP设计Release 8 LTE规范时曾做过详尽的研究比较，这里就不赘述了。

       如果子载波间隔的设置过大，OFDM符号中的CP的持续时间就越短。设计CP的目的是尽可能消除时延扩展（delay spread），从而克服多径干扰的消极影响。CP的持续时间必须大于信道的时延扩展，否则就起不到克服多径干扰的作用。因此，CP时长（或者说信道的时延扩展）决定了子载波间隔的最大值。

       对sub 6GHz频段和毫米波频段的实际测量发现，不同频段的时延扩展差不多，受频率高低的影响不大；而且，与非视距（NLOS）场景相比，视距（LOS）场景下的时延扩展小得多。时延扩展的最大均方根值（RMS）是0.2微秒，这决定了最大子载波间隔是240KHz，因为根据OFDM的技术特点，当子载波间隔是240KHz时，CP时长是0.2915微秒，刚好大于0.2微秒。

3， 为什么用LTE的numerology（15KHz的子载波间隔）作为5G NR物理层的基准numerology？

       3GPP选择LTE numerology作为5G NR物理层的基准numerology，即子载波间隔为15KHz，OFDM符号持续时间66.67微秒，CP持续时间4.69微秒（第一个OFDM符号的CP持续时间是5.2微秒）。其它numerology都是从这个基准numerology衍生出来的。为什么用LTE的numerology（15KHz的子载波间隔）作为5G NR物理层的基础numerology？理由有很多，其中最重要的理由是兼容NB-IoT，因为3GPP已经规定，NB-IoT使用LTE的numerology（15KHz的子载波间隔）。

       3GPP已经规定，NB-IoT使用LTE numerology。NB-IoT被设计成只依靠电池就能够工作10年甚至更长的时间。在NB-IoT设备被大量部署后，以LTE numerology作为基准numerology意味着，NB-IoT设备占用的频率资源（180KHz）可以随时被重耕给5G网络。否则，一旦将来NB-IoT退网，其占用的一小段带宽（只有180KHz）很可能无法使用，造成资源浪费。

       而且，5G NR能部署在4G LTE频段。如果LTE TDD使用了相邻的载频，5G NR必须采用和LTE TDD相同的UL/DL切换模式。每个子帧的时长都是1毫秒的设计，就能够匹配4G LTE的子帧。在LTE TDD中，duplex切换发生在特殊子帧，为了确保5G NR中特殊子帧的传输方向，必须在5G NR中使用和LTE一样的numerology.

       另一个原因是，3GPP制定第一个LTE标准（Release 8）时，对numerology做过彻底的研究，因此选择LTE numerology作为5G NR物理层的基准numerology，是一个稳健的选择。