1.2.1 5G灵活的系统参数设计

移动通信系统接入网（无线网）中最关键的技术就是调制和多址接入技术，这也是从1G到5G推动无线通信技术变革的核心。这里首先需要进行概念澄清，所谓的GMSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM可以认为是“狭义”的基带符号调制技术，通过这些调制技术可以将信源原始码流“转变”成通信系统中传输效率更高的“符号”。在无线信道传输中，基站通过动态适配调制方式以期获得信道传输效率和对抗信道衰落鲁棒性之间的均衡。而在3G中的扩频技术，4G的OFDM技术可以看作更“广义”的调制技术，在硬件算法实现的维度，也往往看作是信号处理技术。这些调制技术从单用户角度来看，是某种“特性”的增强，例如3G中的直接序列扩频技术通过扩频增益实现了软覆盖的提升，使得信号在较差的信道环境下（载干比较低）也能够被成功解调。对于多用户而言，这就成了一种多址技术，通过正交的扩频因子，可以成功区分同小区下不同的接入用户，并且可以一定程度规避邻小区用户的干扰。4G中的OFDM技术作为一种多载波调制技术，其提出的主要目的是消除信道环境中的多径效应带来的符号间干扰（ISI），因此利用傅里叶变换的数字处理技术实现了频域小数据并发传输并结合循环前缀（CP）规避了符号间干扰，同时也保持了子载波之间的正交性。4G中采取OFDM技术能够很好地抑制频域选择性衰落，提升接收机信噪比。诸如此类的“广义”调制技术不仅需要考虑对于单用户信号传输的可靠性，同时也要兼顾系统容量的平衡。换句话说，这一类信号处理技术对于单用户是调制复用，而对于系统中的多用户而言就是多址接入技术，通信系统中关键的调制/多址接入技术在设计选择阶段就需要兼顾组网中覆盖、质量以及容量等综合因素。

4G网络中的关键无线接入技术之一是OFDM多载波调制技术，5G依然承接这一基于傅里叶变换的信号处理技术框架，同时也具有很多的改变，在系统帧结构及参数设计方面就具备相当的灵活性，通过如下的一些具体特点可以进一步明确认知。

1）灵活多样的子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）与CP开销，这些子载波间隔都是某一子载波间隔的整数倍（例如可以从15～240kHz，如图1-7所示）。但是对于较高的频段，由于多普勒效应，不建议采取较低的子载波间隔设置。协议定义了FR1频段中（Frequency range 1，业界一般认为6GHz以下频段可以代指FR1可用频段）SSB（SS/PBCH block）的SCS可以配置为{15kHz，30kHz}，初始BWP（Bandwidth Part）的SCS可以配置为{15kHz，30kHz}，非初始BWP的SCS可以配置为{15kHz，30kHz，60kHz}；同时，协议还定义了FR2频段中（Frequency range 2，业界一般认为属于毫米波频段）SSB的SCS可以配置为{120kHz，240kHz}，初始BWP的SCS可以配置为{60kHz，120kHz}，非初始BWP的SCS可以配置为{60kHz，120kHz}。

2）R15中进行了规定，对于NR（New Radio）载波带宽在FR1频谱范围（410～7125MHz）最大的可配置带宽为100MHz，而在FR2频谱范围（24250～52600MHz，毫米波）最大的可配置带宽达400MHz，NR的最大子载波配置数可以是3300。NR的信道设计需要考虑潜在的版本功能演进需求，使R15的终端兼容相同频段未来系统的版本演进。

3）一个NR的无线帧长度与LTE的无线帧都是10ms，每个无线帧都可分为两个5ms长度的半帧，NR与LTE的系统子帧长度固定为1ms，LTE中一个子帧包含两个时隙，每个时隙固定0.5ms，一般CP模式下一个时隙包含了7个OFDM符号；而NR中一个子帧可以包含多种时隙配置，目前协议规定可配置个数为1～16，一般CP模式下一个时隙包含14个OFDM符号。子载波间隔越大，一个时隙可容纳的时域采样越少，因而一个子载波可划分的时隙个数就越多。如果基站将来采用毫米波频段进行工作，随着芯片器件处理能力的提升，越来越小的时隙长度结构就可能适配这样的能力提升，从而进一步缩短处理调度时延，这也是毫米波从帧结构角度观察的一个应用特点。LTE中最小的时间调度单位是一个子帧，而NR则从子帧为调度基础转移到了以时隙为调度基础，随着协议版本的演进，为了适配URLLC中对于超低时延的要求，甚至还会有以OFDM符号为最小调度颗粒度的方案。

4）类似LTE，NR在3GPP的R15版本中也规定了系统配置时可以支持扩展CP模式，目前只规定在子载波间隔为60kHz时可选配置扩展CP，扩展CP的类型可以通过网络侧以UE专属RRC信令半静态配置。

5）通信系统中信号传输带宽的中心频率可用来进行模拟信号调制/解调中的上变频/下变频处理，这也是所谓的直流分量（Direct Current，DC）。为了避免零中频接收机产生的直流分量自调（影响子载波正交性），LTE系统中下行信道中DC直流子载波并不传输数据，而上行信道中基于SC-FDMA技术实现的信号传输本质上可以归类为单载波调制技术，如果“挖取”一个子载波作为DC直流分量会人为造成频率选择性衰落，因此LTE为上行信道传输采取了一个折中方案，将基带数字的DC与模拟的DC错开半个子载波宽度（即7.5kHz），这样本振泄漏在模拟DC部分产生的干扰，不会影响到基带DC处的信号。事实上，从终端的发射机来看，基带DC信号被调制在了载频偏移7.5kHz的地方，而基站侧接收机一般采用一次变频方案（零中频或二次变频性能较差，基站侧较少采用），通过7.5kHz频偏的方式，基站侧接收机在对直流分量进行处理时由于本振泄漏所带来的噪声影响对接收信号的平均信噪比微乎其微，（通常此噪声功率比总接收功率低20dB以上）。NR在最初协议设计阶段没有为上下行预留明确的DC子载波，尽管设计初衷不是针对DC子载波进行具体约束，完全取决于厂商自身通信设备（基站/终端）的射频收发信机能力实现，不过仍然规定了发射机中出现DC分量情况下的一些处理原则，接收机需要知道DC子载波的位置或者通过协议/信令解码得知具体位置或者确认是否出现在接收机带宽中。对于下行传输，UE假定gNB发射机的DC分量被调制，而上行传输，UE对于直流分量进行调制，但无须进行速率匹配和打孔，但是需要满足RAN4关于信号质量需求（如EVM），同时还要避免与DMRS的碰撞。对于上行DC分量，协议需要为DC直流分量规定至少一个子载波作为DC子载波的候选位置，例如DC子载波可以配置在PRB的边缘。同时在上行需要规定DC子载波位置的检测方案（可通过标准协议确定位置以及半静态信令通知）。4G中下行采取DC子载波预留，上行采取频偏的方式实现，相比而言5G采取发射机（上下行）可通过DC子载波传输数据，一般对接收机的处理机制协议不做明确规定，取决于具体工艺实现的能力，例如将接收到的DC子载波数据打孔掉。目前协议对DC子载波的设计思路采取SSB不保留DC直流，完全留给主设备和终端的收发信机功能实现，而下行BWP可以选择性地配置小区级DC直流参数txDirectCurrentLocation，配置范围0～3299意味着在载波带内，3300意味着DC直流分量在带外实现，其他配置值则可忽略，如果该参数不配置则认为采取默认值3300。每一个服务小区的上行工作BWP可以独立配置DC直流分量参数txDirectCurrentLocation，该参数可由UE通过RRC重配/恢复完成信令携带并上报基站（注：这点不同于LTE，LTE上下行信道涉及的参数都由基站侧进行配置管控），配置范围0-3299意味着在载波带内．3300意味着DC直流分量在带外实现，3301表征载波带内位置不确定，与此同时，NR为了实现与LTE共频谱动态调度，UE还可以选择将上行DC直流分量的中心频率偏置7.5kHz，以便降低基站侧接收机的EVM。

NR仍然支持FDD与TDD两种类型频谱的工作模式，为了适配物联网传输应用，FDD还包含半双工方式。NR的主流双工类型是TDD频谱模式，而仅仅为FDD分配了一些频率较低、带宽较小的频谱以适配现有一部分4G频谱的未来演进。在TDD频谱下，理论上也可以划分出各自独立的上行BWP和下行BWP，但这样的划分可能造成频谱割裂，损失一些边际频谱效率。值得一提的是，对于TDD这种双工模式，从4G中以子帧为基本调度单位变成了以符号为基本调度单位（注：可以将FDD时隙及符号看作是TDD的一个配置特例）。时隙中的符号类型包含下行符号、上行符号和特殊符号三种。5G中配置时隙和符号的方式相当灵活，可以通过小区级tdd-UL-DL-ConfigurationCommon消息体进行静态配置，也可以通过RRC专属信令中的tdd-UL-DL-ConfigurationCommon消息体实现半静态配置，如图l-8所示。这个消息体中通过参数referenceSubcarrierSpacing提供了参考子载波间隔μ _ref 以及时隙配置参数集patternl(pattern2)，patternl包含如下信息。

dl-UL-TransmissionPeriodicity：时隙配置周期 P ms。

nrofDownlinkSlots：仅包含下行符号的时隙个数 d _slots （下行时隙）。

nrofDownlinkSymbols：下行符号个数 d _sys （针对特殊时隙）。

nrofUplinkSlots：仅包含上行符号的时隙个数 u _slots （上行时隙）。

nrofUplinkSymbols：上行符号个数 u _sym （针对特殊时隙）。

其中有些时隙配置周期取值与参考子载波间隔有一定的约束条件关系，例如 P =0.625ms仅适用于 μ _ref =3（SCS120kHz）， P =1.25ms仅适用于 μ _ref =2（SCS60kHz）或 μ _ref =3（SCS120kHz）， P =2.5ms仅适用于 μ _ref =1（SCS30kHz）或 μ _ref =2（SCS60kHz）或 μ _ref =3（SCS120kHz）。

时隙配置周期设置 P ms，表明时域周期基于参考子载波间隔 μ _ref 包含 S = P ·2 ^{μ ref} 个时隙。在这 S 个时隙之内，前 d _slots 个时隙作为下行时隙，后 u _slots 个时隙作为上行时隙，在下行时隙之后的 d _sym 个符号作为特殊时隙中的下行符号，在上行时隙之前的 u _sym 个符号作为特殊时隙中的上行符号，剩余的 个符号一律作为灵活符号，如图1-9所示。

如果tdd-UL-DL-ConfigurationCommon同时提供了pattern1和pattern2两套时隙配置参数集，UE将轮流按照pattern1和pattern2所规定的时隙结构进行配置，其中pattern2同样提供了如下信息。

dl-UL-TransmissionPeriodicity：时隙配置周期 P ₂ ms。

nrofDownlinkSlots：仅包含下行符号的时隙个数 d _slots，2 （下行时隙）。

nrofDownlinkSymbols：下行符号个数 d _sym，2 （针对特殊时隙）。

nrofUplinkSlots：仅包含上行符号的时隙个数 u _slots，2 （上行时隙）。

nrofUplinkSymbols：上行符号个数 u _sym，2 （针对特殊时隙）。

其中 P ₂ 应该与 P 取值一致，时隙配置周期（ P + P ₂ ）ms包含pattern1的 S = P ·2 ^{μ ref} 时隙和pattern2的 S ₂ = P ₂ ·2 ^{μ ref} 时隙，对于 S ₂ 时隙，上下行时隙涉及的参数含义与前述pattern1中大体一致，具体可参考TS 38.21311.1，这里不做赘述。关于参考子载波间隔，值得一提的是，这只是一种UE计算时隙结构的假设辅助条件，UE预期 μ _ref 应该小于或等于实际配置的下行BWP或者上行BWP的子载波间隔 μ ，因此每个由pattern1或者pattern2所配置的时隙（符号）应该分别严格映射为2 ^{（ μ - μ ref）} 个连续的时隙（符号）。

如果UE额外通过tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated（参见图1-8）消息体修改时隙结构配置，那么该专属配置消息体只能修改tdd-UL-DL-ConfigurationCommon消息体中所定义的灵活符号的属性，tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated与tdd-UL-DL-Configuration⁃Common一样，对于时隙结构的配置在服务小区中每一个BWP都生效，并且其参考子载波间隔仍然沿用tdd-UL-DL-ConfigurationCommon消息体中的 μ _ref ，tdd-UL-DL-Configura⁃tionDedicated提供了如下信息。

slotSpecificConfigurationsToAddModList：需要修改属性的一系列时隙列表。

slotIndex：时隙列表中每个时隙的索引。

symbols：时隙中灵活符号所要修改的属性，如果取值为allDownlink，时隙中所有的符号都变更为下行符号，如果取值为allUplink，时隙中所有的符号都变更为上行符号，如果取值为explicit，结合子参数nrofDownlinkSymbols意味着提供了时隙中前部的下行符号数量，子参数nrofUplinkSymbols意味着提供了时隙中后部的下行符号数量，如果这两个子参数不出现，就意味着没有对应设置上（下）行符号，没有设置意味着符号属性为灵活符号。灵活符号意味着符号的使用属性可以根据PDCCH或者高层调度灵活变化为上行符号或者下行符号，但在实际高层参数配置以及调度策略配置中应遵循一个基本准则，即灵活符号的使用属性不出现冲突（不能同时配置或调度为上行和下行符号）。

除此之外，时隙的结构还可以通过解码PDCCH中的DCI格式2_0实现动态配置。为了实现这样的动态时隙结构配置，网络侧应该预先通过高层消息体SlotFormatIndicator进行一系列调度相关的参数配置，其中涵盖sfi-RNTI提供的解扰相应PDCCH格式所需要的RNTI，另外还明确了根据SFI-RNTI加扰后的DCI载荷大小，如图1-10所示。

针对NR多服务小区需要动态时隙结构调度的情况，网络侧还需要针对每一个服务预先配置消息体SlotFormatCombinationsPerCell，如图1-11所示，其中包含如下参数（详见TS 36.21311.1.1）。

servingCellId：服务小区标识。

positionInDCI：DCI格式2_0载荷中针对SFI索引（slotFormatCombinationId）的起始比特位置标识。

slotFormatCombinations：时隙格式组合集，其中每一个时隙格式组合包含一个或者多个时隙格式slotFormats以及提供了时隙格式slotFormats与DCI格式2-0中相应的SFI索引条目映射的标识slotFormatCombinationId（SFI-index）。

subcarrierSpacing：TDD模式下参考子载波间隔 μ _SFI ，FDD模式下该参数为下行信道参考子载波间隔 μ _SFI，DL 。

subcarrierSpacing2：TDD模式上行增补信道SUL参考子载波间隔 μ _SFI，SUL ，FDD模式下该参数为上行信道参考子载波间隔 μ _SFI，UL 。

NR中设计特殊符号这种类型的目的就是为了使时域资源调配更加灵活，通过RRC半静态专属信令或PDCCH DCI格式2_0可以重新配置特殊符号的类型，实现下行传输或者上行传输。值得一提的是，通过PDCCH DCI格式2_0进行符号的动态调配时，一个重要原则就是不与tdd-UL-DL-ConfigurationCommon或tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated所配置的上下行符号冲突，同时所调配的上下行符号也不应与其他通过高层信令配置的上下行信道或者PDCCH动态配置的上下行信道资源产生冲突。

NR通过动态、多样的系统级基础参数配置凸显其灵活性，丰富了运营商网络运维的手段。NR系统甚至提供了一种更激进的方式，即不通过高层信令tdd-UL-DL-Configura⁃tionCommon和tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated（如果系统提供）预先配置系统时隙结构，完全依赖于PDCCH DCI格式2_0实现动态调度，当然这对于设备研发而言复杂性大大提升，而极度灵活的系统级参数为组网规划带来更多可能性的同时也带来了不小的挑战，需要对这些灵活机制设计的初衷、内涵有比较深刻的认知，同时也要结合属地环境进行恰当的参数优化设置。 4/5t5IzI0xSDvXGbUyoqfX+gwUW0CVPB+Ly3YeCvEciGBSCySV/+FIfqM5Sndjey