S^2:5G频谱相对于4G有哪些提升？

溯溪而上

这么多提升，倒底哪升了？

……，……，……

当然这都是表象，实际反映的是5G相对于4G的深度变革，也是无数标准人员在追求5G极限速率和容量上不懈努力的一个缩影。向标准人员致敬，谢谢大家搞了这么复杂的协议，让小编可以和大家一起来回顾和讲解。

言归正传，回到大家的主题上来，从频谱的角度，小编认为5G相对于4G有三大提升，频谱资源提升，频谱利用率提升和终端频谱扫描速度提升。看到这里有人不禁在想，不就是增加了新频谱，减小了保护带嘛，有啥好说的呢？别着急，保护带为啥可以减小，扫频为啥能够加快，这里面有故事…

1. 频谱资源提升

5G相比于4G，不仅扩展了低频频谱，同时也增加了高频频谱。由于低频和高频差异很大，特别是对于24GHz以上的毫米波波段，无论是射频器件和实现，或是射频指标的测量方法（全空口测试），都与低频相差很大。因此3GPP标准将5G频谱化分为了两段，具体如下表所示。

表1 5G频率范围定义

3GPP更具体的频谱划分是通过数字命名的，用来表示不同的频带（Band），3G采用的是罗马数字，4G采用的是阿拉伯数字，5G延续4G的表示方法，只不过在前面加了字母n。截止到目前为止，协议38.104 v15.3.0版本规定的5G频谱如下表所示。需要注意的是，NR的频带号码设计最大支撑512个，其中n1到n256用来定义表2中低频FR1，n257-n512用来定义表2中的高频FR2。

表2 NR频带定义

更多关于频谱划分的背景先容可以参考历史文章《 S^2：三分钟带你解读5G频谱定义》。

2. 频谱利用率提升

说到频谱利用率，就要先提一下信道带宽相关的定义：信道带宽限定了允许通过该信道的频率通带范围，也就是通常所说的Band带宽（5MHz、10MHz、15MHz……）。不是所有的信道带宽都可以用来传输数据资源，由于信道外的辐射要求限制，实际有效的传输资源带宽是小于信道带宽的，这里大家把最大的传输资源带宽称作传输带宽配置(Transmission Bandwidth Configuration, TBC)，这个诡异的缩写曾多次出现在标准讨论文稿中。显而易见，存在于信道带宽和传输带宽配置之间的这部分频谱则称之为保护带，带宽利用率即为TBC在信道带宽的占比。具体如下图所示。

图1 信道带宽和传输带宽配置的定义

对于LTE，除了1.4MHz带宽以外，其余带宽的利用率都为90%，以20MHz带宽为例，对应的TBC则为18MHz，即100RB。说到这里不禁有人要问，为啥LTE的带宽利用率是90%，怎么来的呢？这……要追溯到很久很久以前LTE诞生的时候，小编翻阅了标准讨论的历史文稿，自行脑补了当时的场面：为了与WiMAX竞争，3GPP加速了LTE的标准化过程，90%的频谱利用率在物理层设计的时候就已经由各个企业的标准大佬们统一敲定，然后这个讨论又到了射频频谱会场，频谱的专家们一测量发现除了1.4MHz不行，需要更大的保护带，其余都可以满足射频指标要求，并且还有点余量，余量就留给后面接着提高吧……于是就有了5G对于带宽利用率的进一步提升，最高可达98.28%。NR FR1的TBC定义和对应的保护带以及带宽利用率如表3和表4、5所示。

表3 NR FR1 TBC定义

表4 NR FR1最小保护带

表5 NR FR1 带宽利用率

这里需要注意的是5G定义了最小保护带，而4G保护带则是固定的，这是因为5G保护带在某些情况下是非对称的。比如在BS侧物理层的设计有两点要求：

1.    信道中心DC要与子载波的中心重合。（为什么要重合？小编猜测是因为载波泄露就让这个重合的子载波来承担，这个子载波表示压力很大）

2.    对于不同子载波间隔(SCS)传输的场景，传输资源之间的零号子载波要对齐。（为什么要对齐？高阶SCS的资源位置可以通过低阶参考SCS作为刻度来衡量）

这里以5MHz，15kHz SCS和30kHz SCS的场景为例，对应关系如下图所示。

图2 不同SCS的频域资源对应关系

图中15kHz SCS为参考SCS，30kHz SCS的传输资源在满足零号子载波对齐的要求的前提下，可以有多种平移方式，最小保护带要求则限制了其中的某一种或经过优化以后为合规方案。

3. 终端频谱扫描速度提升

终端需要通过频段扫描来搜索信号，从而完成频率的锁定和注册接入网络，当然为了实现这一过程，需要对扫描的载波频点和扫描粒度进行定义。在某些情况下，载波频点可以理解为大家在文中第二节提到的信道带宽的中心DC，由于载波频点是一个浮点数，与整形类型相比，不便于空口的传输，因此在标准中规定使用载波频点号来表示对应的载波频点。

5G的载波频点号定义为NR-ARFCN，全称是NR Absolute Radio Frequency Channel Number，即绝对无线频率信道号，范围为[0…3279165]，可以表示0-100GHz的频率范围。无线频率信道号定义了全局射频参考频率，而全局频率栅格则定义了射频参考频率的粒度，可以理解为频谱的最小刻度。其对应的关系如下图所示。

  图3无线频率信道号与参考频率对应关系

实际上对于很多频段，特别是小于3GHz的频段，5kHz的全局频率栅格太小了，不利于频谱的快速扫描。进一步，为了表示在文中第一节给出的各个频带的频率粒度，在全局频率栅格的基础上又引入了信道栅格ΔFRaster。信道栅格是全局频率栅格的一个子集，其颗粒度大于等于全局频率栅格。表6给出了5G各频带的无线频率信道号和信道栅格，其中<>所定义的步长即为信道栅格相对于全局频率栅格粒度扩展的倍数。

表6 NR FR1各频带的无线频率信道号和信道栅格

看到这里，大家会发现5G信道栅格和3G/4G差不多（3G/4G的信道栅格固定为100kHz） ，甚至有的还比3G/4G 小，按照这样的栅格扫频，怎么会有提升呢，因为5G独立系统不再按照信道栅格扫频，而是通过更大粒度的同步栅格扫频同步块（同步块可以简单理解为终端接入网络的大门，在频谱上呈稀疏分布的一段频带资源）。

与前面描述的全局频率信道号和信道栅格定义方法类似，为定义同步块的载波频点和频率粒度，标准上给出了全局同步信道号和同步栅格，明确了全局同步信道号与同步块载波频点的唯一对应关系。具体对应关系如表7和表8所示。实际的换算有些复杂，感兴趣的读者可以参考文稿R4-1808269，里面有详细的计算excel。

表7 全局同步信道号

表8 NR FR1各频带的同步信道号和同步栅格

转自：S2微沙龙