4.1　BWP（带宽分段）的基本概念

BWP的核心概念是定义一个比小区系统带宽和终端带宽能力都小的接入带宽，终端的所有收发操作都可以在这个较小的带宽内进行，从而在5G大带宽系统中实现更灵活、更高效、耗电更低的终端操作。LTE的最大单载波系统带宽为20 MHz，终端的单载波带宽也为20 MHz，所以不存在终端能力小于小区系统带宽的情况。而在5G NR系统中，最大载波带宽将大幅提高（如400 MHz），而终端带宽能力的提升幅度明显赶不上网络侧（如100 MHz）。另外，终端也并不需要总以最大带宽能力工作，为了省电和更高效的频域操作，可以工作在一个更小的带宽下，这就是BWP（如图4-1所示）。

但在BWP概念明确之前，不同公司从不同的角度出发提出了类似的概念，但主要的考虑来自资源分配和终端省电两个方面。另外，BWP客观上也可以用来实现“前向兼容”（Forward Compatibility）等效果 ^[36] 。当然，BWP作为NR中定义的一个灵活的“标准工具”，其用途是不会写在3GPP标准中的。

4.1.1　从多子载波间隔资源分配角度引入BWP概念的想法

BWP的概念首先是从资源分配的角度考虑而提出的。NR的一个重要创新是支持多种子载波间隔的传输，但不同子载波间隔的物理资源块（PRB）大小不同，资源分配的颗粒度也不同，如何实现多种子载波间隔的频域资源的有效调度，是一个需要解决的问题。在2016年底、2017年初的3GPP会议中，一些公司 ^{[2] , [3]} 提出了多子载波间隔的资源分配方案，其中核心的方法是采用“先粗后细”的两步法资源分配。

如表4-1所示，以20 MHz带宽（实际可用带宽为18 MHz）为例，不同子载波间隔对应的PRB大小和20 MHz带宽内包含的PRB数量均不同，资源分配的颗粒度和PRB索引（PRB Indexing）也不同，无法直接套用LTE的资源分配方法。

在2016年10月的RAN1#86bis会议上 ^[1] ，提出了两种多子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）的PRB Indexing方法。

●　方法1：各种SCS的PRB均在整个系统带宽内索引，如图4-2所示，3种SCS分别在不同的子带（Subband）内使用，但PRB Indexing的起点（PRB#0）均起始于系统带宽起点，终止于系统带宽终点。这种方法可以实现PRB的“一步法”直接指示，并可以将各种SCS的PRB动态调度在系统带宽内的任意频域位置（当然，不同SCS的频域资源之间要留有一两个PRB避免干扰），不受限于Subband的边界。但是这种方法需要定义多套PRB Indexing，且每个PRB Indexing都在整个系统带宽内定义，造成调度频域资源的DCI开销过大。如果要降低DCI开销，就需要新设计一套比较复杂的资源指示方法。

●　方法2：各种SCS的PRB分别独立索引，如图4-2所示，PRB Indexing的起点（PRB#0）起始于Subband起点，终止于Subband终点。这种方法首先需要指示某种SCS的Subband的大小和位置，才能获得这种SCS的PRB Indexing，而后再在Subband内采用相应的PRB Indexing指示资源。可以看到，这种方法的优点是可以在Subband内部直接套用LTE成熟的OFDM资源分配方法。但需要采用Subband PRB“两步法”指示。

经过讨论和融合，在RAN1#88会议上，最终决定采用类似上述方法2的先粗后细的“两步法”资源分配 ^{[4] - [5]} ，但在命名第一层分配对象时，为了避免既有概念对未来的设计造成“先入为主”的限制，没有采用Subband等熟知的名词，而现场讨论命名了一个新的概念—“Bandwidth Part”，后续明确缩写为BWP。而且由于存在不同意见，暂时没有将BWP与子载波间隔之间进行关联，只是强调可以将这种方法用于终端带宽能力小于系统带宽的场景。这是“Bandwidth Part”概念第一次出现在5G NR的讨论中，但其内涵还很不清晰，随着后续研究的展开，这个概念不断变化、扩展，逐渐变得清晰、完整起来。

4.1.2　从终端能力和省电的角度引入BWP概念的想法

如第4.1.1节所述，在RAN1#88会议形成“Bandwidth Part”概念的讨论中，之所以有公司将Bandwidth Part与终端带宽能力联系起来，是因为这些公司想将这个概念用于描述小于系统带宽的终端带宽能力及用于终端省电的“带宽自适应”（Bandwidth Adaptation）操作。

首先，由于5G NR的载波带宽变得更大（单载波可达到400 MHz），要求所有等级的终端都支持这么大的射频带宽是不合理的，需要支持终端在某个更小的带宽（如100 MHz）中工作。其次，虽然5G的峰值速率会进一步提高，但终端在大部分时间仍然只会传输低速率的数据。即使终端具有100 MHz射频能力，也可以在没有被调度高速率数据时仅工作在较小带宽，以实现终端省电操作。

2016年10月至2017年4月的RAN1#86bis、RAN1#87、RAN1#88bis等会议陆续通过了5G NR支持的Bandwidth Adaptation功能的基本概念 ^{[6] , [7] , [12] , [13] , [21] , [22]} ，即UE可以在不同的射频带宽内监测下行控制信道和接收下行数据。如图4-3所示，UE可以在一个较窄的射频带宽 W ₁ 内监测下行控制信道，而在一个较宽的射频带宽 W ₂ 内接收下行数据。

这一问题在LTE系统中是不存在的，因为UE总是在整个系统带宽内监测PDCCH的（如20 MHz）。但在5G NR系统中，为了获得更高的数据率，接收数据的带宽会大幅提升（如100 MHz），而PDCCH的监测带宽并不需要大幅提升（如20 MHz甚至更小），因此在不同的时刻，根据不同的用途调整UE的射频带宽就变得有必要了，这就是Bandwidth Adaptation的初衷。此外， W ₁ 和 W ₂ 的中心频点也不一定要重合，即 W ₁ 和 W ₂ 的频域位置不需要绑定在一起。从 W ₁ 转换到 W ₂ 时，可以在原有中心频点不变情况下只扩展带宽（如图4-3（a）所示），也可以转移到一个新的中心频点（如图4-3（b）所示），以实现整个系统带宽内的负载均衡，充分利用频域资源。

上行的情形与下行类似，在没有大数据量业务需要发送时，gNB（5G基站的代称，g没有什么明确含义，因为4G基站称为eNodeB，按序排列，fNodeB不好看不好读，因此5G基站称为gNodeB，简称gNB）可以在保证频率分集增益的条件下，将PUCCH的频域调度范围限制在一个较小的带宽 W ₃ 内，节省终端耗电。当有较大数据量业务需要发送时，再在一个较大的带宽 W ₄ 内调度PUSCH的频域资源，如图4-4所示。

各公司对Bandwidth Adaptation带来的终端省电效果进行了研究 ^{[4] ~ [10]} 。一般来讲，下行控制信息的容量远没有下行数据那么大，而UE需要长期监测下行控制信道，却只是偶尔接收下行数据。因此如果UE始终工作在一个固定的射频带宽（为了满足数据接收要求，只能是 W ₂ ），在大部分时间里UE的射频带宽都超出了所需的大小，可能带来不必要的终端耗电（模数转换（ADC和DAC）的耗电与工作带宽（直接影响是采样率）成正比，基带操作耗电与处理的时频资源数量成正比） ^{[8] , [9]} 。估计在LTE系统中，有60%的终端耗电来自PDCCH解调、同步跟踪和小数据率业务。尽管在实际能节省的耗电量上有不同的分析结果 ^{[9] , [10]} ，但Bandwidth Adaptation可以在宽带操作中显著降低终端耗电，这一点是有共识的。

需要注意的是，Bandwidth Adaptation由于涉及射频器件的参数调整，因此不能瞬间完成，需要一定的时间，即射频重调时间（RF Retuning Time），这一时间包括接收Bandwidth Adaptation指令的时间、用来重调频点和射频带宽的时间，以及ADC、DAC、AGC（自动增益跟踪）等器件调整需要的时间 ^[9] 。对BWP切换时延（BWP Switching Delay）的研究由3GPP RAN4（负责射频和性能指标的工作组）负责，这项研究和RAN1（负责物理层设计的工作组）对BWP的研究是并行开展的。2017年年初，RAN4给出的初步研究结果见表4-2 ^[11] ，其中给出了RF Retuning Time的研究结果，没有给出基带部分的研究结果。3GPP RAN1基于这一结果开展了Bandwidth Adaptation和BWP研究。RAN4对RF Retuning Time的完整研究结果是在2018年年初给出的，我们将在第4.3.4节具体介绍。

从表4-2可以看到，RF Retuning Time是一个不可忽略的过渡期，可能长达几个或十几个OFDM符号，而包含基带参数重配置在内的BWP Switching Delay更大，在此期间UE无法进行正常的收发操作。这对后续BWP的设计也产生了很大影响，因为在BWP切换（BWP Switching）过程中，UE是无法传输的，很多信道、信号的时序（Timeline）设计必须考虑到这一点。

4.1.3　BWP基本概念的形成

虽然各公司是基于上述两种技术考虑中的一种提出BWP概念的，但随着这两种考虑的碰撞和融合，大多数公司觉得可以用一个BWP概念实现上述两种效果 ^[33] 。在2017年4月和5月的3GPP RAN1#88bis和RAN1#89会议上陆续通过了一系列定义BWP基本概念的提案 ^{[21] , [23] ~ [26]} ，其中确定的BWP重要特征包括以下几个方面。

●　gNB可以半静态地配置给UE一个或多个BWP，分成上行BWP和下行BWP。

●　BWP带宽等于或小于终端的射频带宽能力，但大于SS/PBCH Block（同步信号块，包含SS（同步信号）和PBCH（广播信道），具体见第6章）的带宽。

●　每个BWP内至少包含一个CORESET（控制资源集，具体见第5.4节）。

●　BWP可以包含SS/PBCH Block，也可以不包含SS/PBCH Block。

●　BWP由一定数量的PRB构成，且绑定一种参数集（包括一个子载波间隔和一个循环前缀（CP）），BWP的配置参数包括带宽（如PRB数量）、频域位置（如中心频点）和参数集（包括子载波间隔和CP）。

●　在一个时刻，一个终端只有一个激活的BWP（Active BWP），对同时多个激活BWP的情况需要继续研究。

●　终端只运行在激活BWP内，不在激活BWP之外的频域范围内收发信号。

●　PDSCH、PDCCH都在下行激活BWP中传输，PUSCH、PUCCH都在激活的上行BWP中传输。

4.1.4　BWP的应用范围

在BWP概念形成的早期阶段，这个概念的适用范围是比较有限的，主要用于控制信道和数据信道，但在后续的标准化过程中逐渐扩展，最后形成了一个几乎覆盖5G NR物理层各个方面的普适概念。

首先，上述BWP的基本概念既包括从“资源分配角度”的考虑，也包含从“终端省电角度”的考虑。从“资源分配角度”出发设计的BWP方案只考虑对数据信道采用BWP，且BWP与子载波间隔有密切的关系，并未考虑对控制信道也采用BWP；从“终端省电角度”出发设计的BWP方案只考虑对控制信道采用BWP，并未考虑与子载波间隔的关系，也未考虑对数据信道也采用BWP（数据信道仍在终端带宽能力范围内调度即可）。而最后形成的BWP不仅作用于数据信道、控制信道，而且作用于各种参考信号和初始接入过程，形成了一个5G NR标准最基础的概念，这是从上述两个角度提出BWP概念的人们都始料未及的。

在对数据信道调度是否引入BWP的问题上，至少有一个共识是终端带宽能力可能小于小区系统带宽，这种情况下无论如何都需要指示终端的工作带宽在系统带宽中的位置或相对某个参考点的位置（这一问题在第4.2节中介绍）。而只要将BWP用于数据信道资源分配，采用图4-2所示的PRB Indexing方法二，就需要将BWP与一种子载波间隔关联，这样才能体现方法二的优势，即在BWP内可以重用LTE的资源指示方式。

在是否针对控制信道引入BWP概念的问题上，也存在一定的争议。理论上，在控制信道收发阶段的终端省电完全可以由其他物理层概念来实现。例如，对PDCCH监测的频域范围，可以直接配置PDCCH资源集（CORESET），对PUCCH发送的频域范围，可以直接配置PUCCH资源集（PUCCH Resource Set），只要将这两个资源集的频域范围配置得明显小于数据信道收发的频域范围，一样可以实现终端省电的效果。但不可否认，引入一个单独的BWP概念是更为直观、清晰、结构化的方法，统一基于BWP指示CORESET和PUCCH Resource Set等各个信道、信号的资源也更高效、更具有可扩展性。采用BWP来定义PDCCH监测过程中的工作带宽的另一个好处是可以配置一个比CORESET更宽一点的BWP，从而使UE在监测PDCCH的同时也可以接收少量的下行数据（如图4-5所示）。5G NR系统强调低时延的数据传输，希望在任何时刻都可以传输数据，这种设计可以有效地支持PDCCH和PDSCH在任何时刻的同时接收（关于PDCCH和PDSCH的复用问题将在第5章中详细介绍）。

另外，在上述初步确定的BWP基本概念中，BWP只用于RRC连接（RRC Connected）状态，BWP是通过UE特定的（UE-specific）RRC信令来配置的。但在后续的研究中，BWP的使用扩展到了初始接入过程，此阶段内BWP的确定遵循另外的方法，具体见第4.4节。

4.1.5　BWP是否包含SS/PBCH Block？

在是否每个BWP都应该包含SS/PBCH Block（SSB，同步信号块）的问题上，有过两种不同的观点。每个BWP都包含SSB的好处是UE可以在不切换BWP的情况下进行基于SSB的移动性测量和基于PBCH的系统信息更新 ^[15] ，但缺点是会对BWP配置的灵活性带来很多限制 ^[16] 。如图4-6（a）所示，如果每个BWP都必须包含SSB，则所有BWP都只能被配置在SSB的两侧，远离SSB的频域范围很难被充分利用。只有允许不包含SSB的BWP配置（如图4-6（b）所示），才能充分利用所有频域资源以及实现灵活的资源分配。

4.1.6　同时激活的BWP数量

一个具有争议的问题是是否支持UE同时激活多个BWP。激活多个BWP的初衷是支持UE同时传输多种子载波间隔的业务，如SCS=30 kHz的eMBB业务和SCS=60 kHz的URLLC业务，由于每个BWP只绑定一种SCS，这样就必须同时激活两个BWP。

如图4-7所示，如果某一时刻在一个载波内只能激活一个下行BWP和一个上行BWP（即Single Active BWP），则UE只能在两种子载波间隔之间切换，且还要经过RF Retuning Time才能切换到另一种子载波间隔（虽然从理论上说，只改变参数集不改变带宽和中心频点，不需要RF Retuning Time，但目前的5G NR标准对所有BWP Switching都假设要留出RF Retuning Time），因此UE既不可能在一个符号内同时支持两种子载波间隔，也不可能在两种子载波间隔快速切换。

如果可以同时激活多个BWP（Multiple Active BWPs），则UE可以同时被分配多种子载波间隔的频域资源 ^{[44] , [51] , [52]} ，或者在两种子载波间隔之间快速切换（不需要经过RF Retuning Time就可以切换到另一种子载波间隔），如图4-8所示。简单的情况是两个同时激活的BWP互不重叠（如图4-8（a）所示），但也可以同时激活两个频域上全部或部分重叠的BWP（如图4-8（b）所示）。在重叠部分，gNB可以基于两种子载波间隔中的任何一种为UE调度资源，只是在两种PRB之间要留有一定的频域保护，以防止子载波间隔之间互相干扰。

综上所述，是否支持Multiple Active BWPs主要取决于是否有一个5G UE同时支持多种子载波间隔的需求。经过讨论，大部分公司认为对于R15 5G NR，UE同时运行两种子载波间隔还是过高的要求，例如一个UE要同时运行两个不同的FFT（快速傅里叶变换）模块，这可能增加终端基带的复杂度和计算量。另外，同时激活多个BWP会使UE的省电操作变得复杂，UE需要计算多个BWP的包络来确定射频器件的工作带宽，如果多个激活BWP的相对位置不合理，则可能无法达到终端省电的效果。所以，最终确定在R15 NR中只支持Single Active BWP的设计 ^[57] ，R16 NR中也未作扩展，Multiple Active BWPs是否被未来的版本支持，还要看未来的研究情况。

4.1.7　BWP与载波聚合的关系

载波聚合（Carrier Aggregation，CA）是从LTE-Advanced标准就开始支持的一种带宽扩展技术，可以将多个成员载波（Component Carrier，CC）聚合在一起，由一个UE同时接收或发送。按照聚合载波的范围分，CA又可以分为频带内CA（Intra-band CA）和跨频带CA（Inter-band CA）。Intra-band CA的一个主要用途是用于小区载波带宽大于UE的单个载波带宽能力的场景，这种情况下，UE可以用CA方式来实现在“宽载波”（Wide Carrier）中的操作。例如，基站支持300 MHz一个载波，而UE只支持最大100 MHz的载波，此时UE可以用CA方式实现大于100 MHz的宽带操作，聚合的载波可以是相邻的载波，也可以是不相邻的载波。eNB直接对载波进行激活／去激活操作，如图4-9所示，3个载波中，载波1和载波2被激活，载波3没有被激活，此时UE进行的是2个CC（200 MHz）的载波聚合。

在NR CA和BWP的研究中，一种考虑是将这两种设计合并。因为Carrier和BWP的配置参数有一定的相似性，都包括带宽和频率位置。既然NR引入了BWP这种比Carrier更灵活的概念，就可以用BWP操作代替Carrier操作，用Multiple BWP来代替CA操作，即可以采用Multiple BWP方式统一实现CA（为了实现大带宽操作）或BWP（为了实现终端省电和多子载波间隔资源分配）的配置与激活。如图4-10所示，激活了2个BWP，分别为100 MHz和50 MHz，相当于激活了2个载波，此时UE进行的是2个CC的载波聚合（100 MHz+50 MHz=150 MHz），在没有激活BWP的频域范围则没有激活载波。这相当于通过激活BWP来激活CC。

用BWP替代描述CA过程的一个理由，是BWP可以采用DCI激活，相对CA中的载波用MAC CE（媒体接入控制层控制单元）激活，激活／去激活的速度更快 ^[46] 。但是这种方法必然支持Multiple Active BWPs，而如上所述，R15 NR决定暂不支持Multiple Active BWPs。

NR最终确定采用“载波+BWP两层配置与激活”的方法，BWP只是一个载波内的概念，载波的配置与激活／去激活和BWP的配置与激活／去激活分开设计。载波的激活仍采用传统的方法，每个激活载波内可以激活一个BWP，即首先要激活载波才能激活这个载波内的BWP。如果一个载波去激活了，这个载波内的激活BWP也同时被去激活。如图4-11所示，3个载波中，载波1和载波2被激活，即UE进行2个CC（200 MHz）的载波聚合，CC 1中激活了一个100 MHz的BWP，CC 2激活了一个50 MHz的BWP。载波3没有被激活，因此载波3内不能激活BWP。当一个CC被去激活时，很自然地，这个CC中的所有BWP都同时被去激活。

反过来的问题是：是否能用BWP的去激活来触发CC的去激活？一些观点认为，CC的激活与BWP的激活固然应该是各自独立的机制，但BWP的去激活和CC的去激活却可以关联起来。如果一个CC中的唯一激活BWP被去激活了，这个CC也应该同时被去激活，这有利于进一步节省终端耗电。但是在用于动态调度的数据传输的BWP被去激活后，不意味着CC中不再需要任何收发操作，如PDCCH监测、SPS（半持续调度）数据收发等收发行为仍可能存在。正如在第4.3节将介绍的，实际上，由于始终要有一个BWP处于激活状态，因此不需要设计专门的BWP去激活机制。也就是说，只要一个CC处于激活状态，就始终会有BWP处于激活状态，不存在“激活的CC中不存在激活BWP”的情况。

NR的CA设计仍基本沿用LTE CA的设计，包括载波激活仍采用MAC CE激活方式，基于DCI的载波激活方式在R15和R16 NR中没有支持。如上所述，在R15 NR系统中，每个载波内只能激活一个BWP，但在进行 N 个CC的载波聚合时，实际上可以同时激活 N 个BWP。

至此，本节介绍了BWP概念形成的过程，BWP设计中还有很多细节将在本章后半部分逐步介绍。BWP的频域特性是由BWP的RRC配置定义的，BWP的时域特性是由BWP的激活／去激活过程定义的，分别在第4.2节和第4.3节中介绍。在第4.4节、第4.5节中，我们将分别介绍初始接入过程中的BWP和BWP对其他物理层设计的影响。在3GPP规范中，BWP的核心物理过程在TS 38.213 ^[1] 的第12.1节定义，而BWP相关的内容分布在物理层和高层协议的各个规范当中。 amsNqGKR3pCTGQtIUHJIJEJRUrbl2B65BV6cRNqQSXQLWWZcmax9m5lvd/9BPVCz