引入

课程Part2主要内容

本课Part2主要介绍5G相关技术。主要内容有:

  • 移动通信的标准化与4G回顾
  • 5G总览与无线接口架构
  • 5G传输结构、信道测量与传输信道处理
  • 5G控制信令、多天线传输与波束管理
  • 6G技术研究
  • 上行链路与功率控制、寻小区与系统信息、随机接入
  • IoT,侧链通信,非地面网络

通信标准化

电信行业的生态系统

电信行业由这些机构构成:

机构 作用 机构 作用
供应商(Vendors) 制造网络设备、移动设备 行业论坛(Industry Forums) 作为联盟促进特定群体的利益
运营商(Mobile Network Operators) 提供网络服务 标准开发组织(Standards Development Organisations) 制定行业标准,确保互操作性
监管机构(Regulatory Bodies) 划分频谱、监管设备 测试&测量(Test & Measurement) 为供应商提供测试设备

区域标准化组织(National Standards Developing Organizations, SDOs)

全球各地区主要的电信标准化组织是:

组织 地区
Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) 日本
Telecommunication Technology Committee (TTC) 日本
China Communications Standards Association (CCSA) 中国
Telecommunications Technology Association (TTA) 韩国
Telecommunications Standards Development Society, India (TSDSI) 印度
Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS) 北美
EuropeanTelecommunicationsStandards Institute (ETSI) 欧洲

国际标准化组织

  • 国际电联(International Telecommunication Union,ITU):全球频谱协调与标准发布
  • 3GPP:由7个国家或区域电信标准组织组成的联盟,制定了 3G UMTS、4G LTE、5G NR技术规范
  • IEEE:世界最大的技术专家组织,指定了以太网与无线局域网标准(802 系列)。
  • 下一代移动网络联盟(NGMN):运营商联盟,为移动运营商提供指导以及促成信息和经验共享。
  • 全球移动通信系统协会(GSMA)代表全球移动网络运营商和供应商。目标在推动全球移动通信的互通,下一代移动网络技术演进等。是Mobile World Congress (MWC)的主持者

国际电联

ITU是联合国负责信息和通信技术事务的机构,承担着协调全球无线电频谱法规、制定不同代蜂窝通信系统要求、从符合要求的候选规范中发布建议(标准)等职能。

ITU有三大部门:无线电通信部门(ITU-R)、电信标准化部门(ITU-T)、电信发展部门(ITU-D)。ITU-R是负责4G,5G,6G等代际标准的部门。

针对无线通信ITU-R,其下设有多个研究组(分别涉及无线电波传播、卫星服务、地面服务等领域)。负责移动通信术语制定的,是地面服务组的Working Party 5D,负责国际移动通信(International Mobile Telecommunications)系统

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国际移动通信系统(IMT)(ITU WP5D)

每代标准约 10 年周期,由 ITU-R WP5D 工作组推动。IMT System的内容包括技术趋势报告、性能要求、评估方法等。

  • 3G:IMT-2000
  • 4G:IMT-Advanced
  • 5G:IMT-2020
  • 6G:IMT-2030(制定中)

WP 5D对地面接口的标准化历史

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与5G相关的IMT2020文档比4G复杂多了,因为涉及到IoT,延迟等等诸多场景。6G标准的制定与5G的时间线差不多。

IMT2000到IMT2030的演进

在IMT2020(5G)中,提出了三大应用场景:

  • Enhanced Mobile Broadband(eMMB):带来了更高的速度,更多的连接设备数量。
  • Massive Machine Type Communications(mMTC):为医疗电子、交运、环境监测、智能电网等物联网应用赋能。
  • Ultra-Reliable and Low Latency Communications (uRLLC) :服务于车联网、自动化、智能工厂等。

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5G 的 eMBB、mMTC、uRLLC 是基础场景分类,而 IMT-2030 在此基础上衍生出更具前瞻性的融合场景:

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  • Hyper Reliable and Low-Latency Communication(超可靠低时延通信):在 5G uRLLC 的 “毫秒级时延、99.999% 可靠性” 基础上,向 “微秒级时延、99.9999% 可靠性” 进阶,满足工业控制、远程手术等更严苛的场景。
  • Massive Communication(广义海量通信):在 5G mMTC 的 “大规模连接” 基础上,拓展至 “空天地一体化(卫星 + 地面 + 海洋)” 的全域海量连接,支持万亿级设备的跨域协同。
  • Immersive Communication(沉浸式通信):在 5G eMBB 的高速率基础上,进一步支持元宇宙、全息通信等 “全感官沉浸式” 应用,对速率、时延、交互实时性的要求更极致。
  • Ubiquitous Connectivity(全域泛在连接):突破 5G 的 “地面网络为主” 限制,实现 “天空地海” 全空间的无缝连接,让偏远地区、海洋、太空设备都能稳定接入。
  • Integrated Sensing and Communication(通感一体化):将 “通信” 与 “感知(如雷达、定位)” 功能深度融合,例如智能交通中 “基站既传数据又做环境感知”,是 5G 未充分覆盖的新方向。
  • AI and Communication(智联一体化):把人工智能深度嵌入通信系统,实现 “通信网络的智能决策、自优化、自适应服务”,超越 5G 对 AI 的 “辅助应用” 定位,走向 “系统级融合”。

3GPP标准化

3GPP主要有3个技术规范组(Technical Specification Groups,TSGs),每一个TSGs下设多个Work Group(WG),架构图如下:

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  • RAN(无线接入网技术规范组):负责无线接入网(如基站、终端的无线侧技术)的标准制定。
  • SA(业务与系统架构技术规范组):负责系统架构、业务需求、服务能力等层面的标准
  • TSG CT(核心网与终端技术规范组):负责核心网(如 5G 核心网架构、协议)和终端(如终端一致性测试)的标准

工作组(WGs)每年大约召开 6 次会议,技术规范组(TSGs)的全体会议(Plenaries)每年召开 4 次(每 3 个月一次)。

标准化的步骤

3GPP的标准化,通常遵循如下进程:

  1. Requirements(需求阶段):明确技术需要满足的业务、性能等需求(如速率、时延、连接数目标)。
  2. Architecture(架构阶段):设计网络的整体架构。
  3. Detailed Specifications(详细规范阶段):制定各协议层、网元的具体技术规范(如物理层帧结构、RRC 信令格式)
  4. Testing and Verification(测试与验证阶段):定义终端、基站等设备的测试方法与验证标准,确保设备符合规范

在这4个进程中,有两类主要的文档:

  • Technical Report (TR,技术报告):属于研究类文档,用于记录技术研究成果、可行性分析等,不具备强制规范性。
  • Technical Specification (TS,技术规范):是具备强制约束力的标准文档,明确设备、协议必须遵循的技术要求。

3GPP 将各类技术主题按 “系列(series)” 编号归类:

Series 主题
21 Requirements(需求)
22 Services aspects (“stage 1”)(业务层面,阶段 1)
23 Technical realization (“stage 2”)(技术实现,阶段 2)
24 Signalling protocols(信令协议)
25 Radio aspects(无线层面,用户设备到网络)
26 CODECs(编解码器)
27 Data(数据业务)
28 Signalling protocols(信令协议,RSS-CN/I 及 OAM&P、充电流程等)
29 Signalling protocols(信令协议,固定网内部)
30 Programme management(项目管理)
31 SIM/UICC 测试规范等
32 OAM&P and Charging(运维、管理与计费)
33 Security(安全)
34 UE 和 USIM 测试规范
35 安全算法
36 LTE 及演进技术的无线技术规范
37 多无线接入技术层面的主题
38 LTE 之外的无线技术(如 5G NR)

3GPP规范下4G与5G的频谱资源

4G(3GPP LTE)的频谱信道包含 成对频段(FDD,频分双工)和非成对频段(TDD,时分双工) 两种模式。频谱覆盖分为低于 1GHz和高于 1GHz两个区间,且由 ITU(国际电信联盟)统一规划,同时存在区域频段(Regional bands)和本地频段(Local bands)的细分,以适配不同地区的频谱资源情况。

5G NR(新空口)在 4G LTE 的基础上新增了一系列工作信道,为了与 LTE 频段区分,5G 频段前缀标注为 “n”(如 n1、n28 等)同样覆盖低于 1GHz和高于 1GHz区间,且在高频段(如毫米波)有更多拓展,以支撑 5G 大带宽、高速率的技术需求。

5G 新增了一系列专属频段,以支撑其高速率、低时延、大连接的技术需求。5G 频谱主要分为两个主范围:

  • Frequency Range 1 (FR1):频率低于 7.125 GHz,属于中低频段,涵盖了原有 4G 的部分频段并进行了拓展,可提供较好的覆盖范围和穿墙能力,用于满足基础的移动宽带和广域物联网需求。
  • Frequency Range 2 (FR2):频率在 24.25 GHz 到 71 GHz 之间,属于毫米波频段,带宽极大,能实现超高的数据传输速率,但覆盖范围较小、穿墙能力弱,主要用于热点区域的高速数据传输(如城市核心区、大型场馆)。

R2在实际应用中部署极少。

还有一个正在规划中的频段:Frequency Range 3 (FR3),频率在 7.125 GHz 到 24.25 GHz 之间,是 5G 规划拓展的新频段区间,旨在填补 FR1 和 FR2 之间的频谱空白,平衡覆盖与速率。

Recap: 4G LTE

4G技术总览

长期演进(Long Term Evolution,LTE)是由 3GPP 从 Release 8 版本开始为 4G 开发的一系列技术,也被称为 Evolved UMTS(演进的通用移动通信系统)和 E-UTRA。

它的核心功能有:

  • 载波聚合(Carrier Aggregation):允许设备联合使用多个分量载波(Component Carriers, CCs)进行数据收发,每个载波的带宽为 1-20 MHz。从 Release 13 版本开始,最多可聚合 32 个载波,最大带宽可达 640 MHz,理论峰值速率可达 25 Gbps。

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  • 多天线传输(Multiple Antenna Transmission):从 Release 8 版本开始支持 MIMO(多输入多输出),Release 10 版本升级为下行 8 层、上行 4 层的传输能力。支持波束赋形(Beamforming)和多用户 MIMO(Multi User-MIMO)
    • SU-MIMO(单用户 MIMO):基站向单个用户同时发送多个数据流,提升该用户的速率。
    • MU-MIMO(多用户 MIMO):基站向多个用户同时发送不同的数据流,提升系统整体容量。
  • 协作多点传输(Coordinated Multipoint, CoMP):允许不同的基站传输数据给同一用户,提升小区(cell)边缘的覆盖和吞吐量。
    • 协调波束赋形 (Coordinate Beamforming):用户数据仅在一个Transmission Point(TP)可用,多个 TP 协调调度或波束方向
    • 动态点选择(Dynamic Point Selection):为用户动态选择最优的TP进行数据发送。
    • 联合传输(Joint Transmission):用户数据从多个TP同时发送,提升信号质量

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  • 双连接(Dual Connectivity): 允许用户设备(UE)同时连接到不同站点的两个小区。支持同时使用不同技术的两个载波(如 LTE+WiFi、LTE+NR),提升速率和连接稳定性。

  • 设备到设备通信(D2D):分为 “网络辅助型”,“无覆盖型”和“设备中继型”,支持设备间直接通信(如近距离数据共享)

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  • 车联网(Vehicle-to-X,V2X):涵盖车对车(V2V)、车对基础设施(V2I)、车对行人(V2P)等场景,支撑智能交通应用。

  • 机器类通信(Machine Type Communication):针对物联网(IoT)有两类主要规范:

    • LTE-M:下行速率最高 4 Mbps、上行 7 Mbps,带宽 5 MHz,适合中速率物联网场景(如智能电表、可穿戴设备)。
    • NB-IoT(窄带物联网):下行速率最高 127 kbps、上行 159 kbps,带宽 180 kHz,以超低功耗、广覆盖为特点,适合海量低速率物联场景(如远程抄表、环境监测)。
  • LTE 语音(VoLTE)与电路域回落(CSFB):VoLTE 基于 IP 多媒体子系统(IMS)的 IP 协议传输语音;若不支持 VoLTE,将触发 CSFB,回落至 2G/3G 网络进行语音通话。(而在VoLTE广泛部署前, Circuit Switched Fall Back(CSFB)是过渡方案。它通过将语音业务“回落”到传统的 2G/3G 网络来完成通话。当来电或拨号时,LTE网络会释放连接,重定向至2G/3G网络并在电路交换域完成语音通话。)

4G架构细节

4G网络可以被分为无线接入网(Radio Access Network, RAN)和演进型分组核心网(Evolved Packet Core, EPC)。

无线接入网:RAN 是用户设备与核心网之间的 “桥梁”,专注于无线侧的技术实现,确保用户设备能高效、稳定地接入网络。负责整个网络中所有与无线相关的功能,例如:

  • 调度(scheduling):决定何时、向哪个用户分配无线资源。
  • 无线资源处理(radio-resource handling):管理频谱、功率等无线资源,保证通信质量。
  • 重传协议(retransmission protocols):通过重传机制保证数据传输的可靠性。
  • 编码(coding):对数据进行编码,提高抗干扰能力。
  • 多天线方案(various multi-antenna schemes):如 MIMO(多输入多输出),提升数据速率和传输稳定性。

演进型分组核心网:责与无线接入无关但为提供完整移动宽带网络所需的功能,例如:

  • 认证(authentication):验证用户身份,确保网络接入的安全性。
  • 计费功能(charging functionality):记录用户的网络使用情况,用于计费。
  • 端到端连接建立(setup of end-to-end connections):建立用户设备与外部网络之间的通信链路。

将EPC的功能独立于 RAN 之外,好处是可以让同一个核心网服务于多种无线接入技术,实现了无线接入技术和核心网的解耦,提升了网络的灵活性和兼容性

4G演进分组核心网(Evolved Packet Core,EPC)

EPC中包含多个网元,每个网元各司其职,并使用不同的接口沟通信息。下图中间就是EPC的网元及其沟通的接口。

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1.移动管理实体(Mobility Management Entity, MME)

  • 为用户设备(UE)选择服务网关(SGW);
  • 执行用户认证;
  • 为 UE 生成并分配临时身份(如 GUTI);
  • 支持漫游功能,管理用户在不同网络间的移动。

2.服务网关(Serving Gateway, SGW):路由和转发用户数据分组;在eNodeB(基站)间切换时,作为用户面的移动锚点,保证数据传输的连续性。

3.分组数据网网关(Packet Data Network Gateway, PGW):核心网与外部数据网的 “边界网关”,为 UE 提供与外部分组数据网络( packet data networks , PDNs)的连接。

4.归属签约用户服务器(Home Subscriber Server, HSS):存储用户相关信息(如身份、签约业务、权限等);

5.通信接口:

  • MME 与 HSS 通过S6a 接口交互用户签约数据;
  • MME 与 SGW 通过S11 接口传递控制信令;
  • SGW 与 PGW 通过S5/S8 接口转发用户数据(S5 用于同运营商网络,S8 用于漫游场景);
  • PGW 通过SGi 接口连接外部数据网(PDNs);
  • eNodeB(属于 RAN)与 MME/SGW 通过S1 接口(S1-MME 为控制面,S1-U 为用户面)连接

4G接入网(RAN)

RAN由数个基站构成。LTE的基站叫做eNodeB(演进型 NodeB)。负责无线侧的信号处理、用户接入和资源管理。

1. eNB功能:

  • 控制一个或多个小区的无线相关功能(如无线资源调度、调制解调、多天线处理等);
  • 实现用户设备(UE)的无线接入,保障空口通信的可靠性。

2.接口与连接

  • S1 接口:eNodeB 与核心网(CN)连接,分为S1-C(控制面)和S1-U(用户面),分别传递信令和用户数据。
  • X2 接口:eNodeB 之间的互联接口,用于基站间的协调(如切换、CoMP 协作多点传输),保障用户在基站间移动时的业务连续性。
  • Uu 接口:eNodeB 与 UE 之间的空口接口,即用户设备与基站通信的 “无线信道”。

4G无线协议架构与信道

不考,只是为后续5G做铺垫

  • 分组数据汇聚协议(Packet data convergence protocol PDCP):执行 IP 头压缩、加密和验证完整性。在切换(Handover)场景下,保证数据按序到达,且移除重复的数据包(避免数据冗余)。每一个UE都对应一个 PDCP 实体,实现 “一对一” 的精细管理。
  • 无线链路控制(Radio-link control RLC):将上层 PDCP 的大数据包分割成小分段 或 重新拼接。负责重传处理、重复检测以及向高层的按序交付。RLC 为 PDCP 提供服务。每一个UE也都对应一个 RLC实体。
  • 媒体接入控制(Medium-access control MAC)处理逻辑信道的复用、混合ARQ(HARQ)以及上下行链路的调度(什么时候用什么射频资源发送上行/下行数据)。调度功能在eNB中实现。HARQ请求协议部分在 MAC 协议的发送端和接收端均存在。
  • 物理层(PHY)处理编码 / 解码、调制 / 解调、多天线映射以及其他典型的物理层功能。负责讲比特流在天线上传输出去。

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MAC 层与 RLC 层之间通过逻辑信道(Logical Channel)进行连接(上图中MAC和RLC之间的多个箭头);MAC 层与 PHY 层之通过传输信道(Transport Channel)进行连接;不同设备之间通过物理信道(Physical Channel)进行实际数据传递。

逻辑信道相当于相当于 “快递分类筐”;来自上层的不同业务数据(如语音、视频、上网数据),会被RLC 层按业务类型 “分类” 到不同的逻辑信道里(比如 “语音筐”“视频筐”“数据筐”)。每个逻辑信道只装一类业务的数据包,确保业务的独立性。

传输信道相当于 “快递运输单”;MAC 层会把多个逻辑信道里的数据包(不同 “筐” 的包裹),按照 “运输规则”(如传输块大小、资源分配方式)打包成 “运输单”(传输信道),告诉PHY 层“这些包裹用什么方式运、走哪些路线”。

物理信道相当于 “货车车厢”。PHY 层根据传输信道的 “运输单”,对数据进行编码、调制、多天线映射等操作,最终把数据放到 “物理车厢”(物理信道)里,通过无线空口实际发送出去。

4G逻辑信道(Logical Channel)

4G的逻辑信道有这些类型:

  • 广播控制信道(Broadcast Control Channel, BCCH):用于网络向小区内所有设备广播系统信息。设备在接入网络前,需通过 BCCH 获取系统配置信息(如小区带宽、无线参数、业务支持能力等),从而明确在该小区内的通信规则和行为方式。
  • 寻呼控制信道(Paging Control Channel, PCCH):用于网络向小区内处于空闲态的设备发送寻呼信息(如被叫通知)。设备通过监听 PCCH,及时获取入网呼叫、系统通知等信息,是保障设备在空闲态下业务可达的关键逻辑信道。
  • 公共控制信道(Common Control Channel, CCCH):用于与随机接入过程相关的控制信息传输。当设备发起随机接入(如初次入网、信号中断后重连)时,通过 CCCH 交互信令,完成接入请求、资源分配等流程。
  • 专用控制信道(Dedicated Control Channel, DCCH):用于向单个设备(或从单个设备)传输控制信息。实现设备的个性化配置,例如切换消息(设备在基站间移动时的信令)、专用资源分配信令等,保障设备的差异化业务需求。
  • 专用业务信道(Dedicated Traffic Channel, DTCH):用于单个用户的数据传输。是承载所有上行和非多播广播单频网(non-MBSFN)下行用户数据的逻辑信道,比如上网、语音、视频等业务的实际数据都通过 DTCH 传输。
  • 副链路广播控制信道(Sidelink Broadcast Control Channel, SBCCCH):用于副链路(Sidelink)同步。支持设备与设备之间的直接通信(如车联网 V2V、设备直连),通过 SBCCCH 实现设备间的同步,保障直连通信的稳定性。
  • 副链路业务信道(Sidelink Traffic Channel, STCH):用于副链路通信的数据传输。STCH 负责承载设备直连时的用户数据,例如车联网中车辆之间的实时信息交互。
  • 多播控制信道(Multicast Control Channel, MCCH):用于传输多播业务的控制信息。在多媒体多播业务(如手机电视)场景中,网络通过 MCCH 向订阅用户发送多播会话的配置、更新等信令,保障多播业务的有序开展。
  • 多播业务信道(Multicast Traffic Channel, MTCH):用于传输多播业务的用户数据。例如手机电视的视频流、组播消息等多播内容,都通过 MTCH 进行传输,实现同一内容向多个订阅用户的高效分发。

4G传输层信道

4G的传输信道有这些类型:

  • 广播信道(Broadcast Channel, BCH):采用固定传输格式(由协议规范定义),用于传输逻辑信道中BCCH的主信息块(master information block MIB)。
  • 下行共享信道(Downlink Shared Channel, DL-SCH):大部分的用户数据和部分控制信令都通过DL-SCH向UE传输。它支持 LTE 的关键特性,如时间和频率域的动态速率自适应,信道相关调度(在时间和频率资源上灵活调度),带软合并的HARQ(重传和软合并技术),以及空间复用(基于MIMO)。
  • 上行共享信道(Uplink Shared Channel, UL-SCH):用于传输上行数据。设备向基站发送的数据都通过UL-SCH承载。
  • 随机接入信道(Random-Access Channel, RACH):用于设备发起随机接入流程(如初次入网、信号恢复后重连),传递随机接入前导码,实现设备与基站的初始同步和资源请求。

4G物理信道

4G 的物理信道有这些类型:

  • 物理广播信道(Physical Broadcast Channel, PBCH):承载系统信息的一部分,是设备接入网络必需的基础配置信息(如小区带宽、系统帧号等),设备开机后首先通过它获取核心系统参数。
  • 物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel, PDSCH):是用于单播数据传输的主要物理信道,同时也传输寻呼信息(如被叫通知),承载绝大多数下行用户数据(如上网、视频的下行流量)。
  • 物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH):用于传输下行控制信息,主要包括调度决策(告知设备何时、在哪些资源块上接收 PDSCH 数据)和调度授权(为设备上行传输 PUSCH 分配资源),是控制 PDSCH 和 PUSCH 资源调度的 “指挥信道”。
  • 物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel, PUSCH): 是 PDSCH 的上行对应信道,用于上行数据传输,每个设备最多有一个 PUSCH(单载波场景下通常为一个),承载用户上行数据(如语音、上传文件的流量)。
  • 物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH):设备用于发送上行控制信息,包括混合 ARQ 确认(告知基站下行数据是否成功接收)、信道状态报告(反馈上行信道质量,辅助基站调度)、资源请求(申请上行传输资源),每个设备最多有一个 PUCCH。
  • 物理随机接入信道(Physical Random-Access Channel, PRACH): 用于随机接入流程,设备发起入网、重连时,通过它发送随机接入前导码,实现与基站的初始同步和资源请求。

信道之间的关系

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上图中,DCI表示Downlink Control Information,下行控制信息;CFI表示Control Format Indicator,控制格式指示;HI表示HARQ Indicator,HARQ 指示(用于基站向 UE 反馈下行数据的传输是否成功)。UCI表示Uplink Control Information。他们都是来自PHY层,因此是在传输信道之后出现的。

4G 物理层传输技术与帧结构

引入:OFDM

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)与传统的频分复用不同的点在于,它不需要将子信道完全分开,而是让一个子信道在另一个子信道的监测点为0(即,2子信道正交)。例如下图,在粉色箭头的采样提取点,深蓝色子载波在此有最大振幅,而其他颜色子载波在此振幅为0。

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在时域,将这么多个子载波和在一起,那么它产生的时域信号振幅特别高,即OFDM的“峰均比”特别高。所需的射频传输功率也就特别大。

4G物理传输

4G在下行和上行均采用 OFDM 技术,将宽带信道划分为多个正交子载波。上行 OFDM 符号采用DFT 扩频 OFDM(DFTS-OFDM),通过离散傅里叶变换(DFT)预处理,降低上行信号的峰均比(PAPR),减少终端功耗。每个子载波间隔为15 kHz。

时域资源切割

每一帧数据为10ms,每个子帧(Subframe)时长为1 ms(子帧是调度的基本单元,也称为传输时间间隔(Transmission Time Interval TTI)),每一个时隙(slot)为0.5ms,每个时隙包含7 个 OFDM 符号(如果采用拓展循环前缀,则是6个OFDM符号)。

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OFDM符号是时间域的最小传输单元,时长由有效符号时长$T_u$和循环前缀$T_{CP}$组成(如普通 CP 下,单个 OFDM 符号总时长约 71.4 μs)。有效符号时长是OFDM 符号中用于承载实际数据的部分;循环前缀是在每个 OFDM 符号的有效符号时长前,添加一段 “复制的符号尾部”,这是为了消除ISI和保持子载波正交性。

频域资源切割

在频域视角,一个OFDM的子载波被称为一个“资源颗粒(resource element )”。一个子载波,是 4G 物理层最小的资源颗粒。

时频联合视角:资源块

一个资源块(Resource Block RB)在频域上有12个子载波,在时域上是一个时隙(即,包含7个OFDM符号)。下图横轴是时域轴,可见7个OFDM符号构成一个时隙;纵轴是频域轴,可见一个OFDM符号内有12个子载波。

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资源块是资源调度的基本单位(网络向用户分配资源时,以 “资源块” 为最小调度单元)。由于每个子载波间隔 15 kHz,因此 1 个 RB 的频率宽度为 (12 \times 15\ \text{kHz} = 180\ \text{kHz})。

载波带宽与资源块

一个载波(Carrier)可承载的资源块数量为6~100 个,具体取决于载波带宽(如 1.4 MHz 带宽对应 6 个 RB,20 MHz 带宽对应 100 个 RB)。

对于不同的载波带宽,其进行OFDM调制的FFT点数是固定的,每个FFT点对应一个频率分量,即一个可能的子载波位置。例如如果使用256点FFT,那么这个载波上就有256个子载波。实际用于传输的子载波数量通常小于或等于FFT点数,因为要预留一些子载波作为 保护子载波(guard subcarriers) 和 DC子载波(直流分量)。

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DC子载波是是指 频谱中心处的子载波,其频率为零偏移(即相对于载波中心频率为0 Hz),在FFT输出中,它对应于第0频率分量,位于频谱的正负频率交界处,故称其为DC子载波。

它通常不用于数据传输,而是作为频率参考和保护带的一部分,如上图所示。因为在实际射频系统中,模拟前端(如DAC、ADC)和混频器难以准确处理直流分量,容易引入 DC偏移(DC offset)。DC偏移会导致频谱中心处的信号失真,影响解调性能。

一个例子:有50个资源块,其占用的下行带宽是多少

50个资源块,一个资源块内有12个子载波,DL的中心子载波是空缺的,因此共有$12\times50+1=601$个子载波。每个子载波15kHz,总共占用$601\times15=9.015MHz$