英语原文共 8 页
5G新空口：波形 帧结构 多路存取 初始接入
摘要
与旨在优化一种特定服务（例如，流式语音/视频）的传输效率的传统移动网络不同，业界和学术界正在达成协议，预计5G移动网络将支持多种无线要求，包括更高的移动性，更高 数据速率和更低的延迟。为此，3GPP已发布第15版第一阶段5G系统的标准化活动，名为New Radio（NR）。为了充分理解这一关键技术，本文全面概述了NR的最新发展，包括部署方案，数字学，帧结构，新波形，多址，初始/随机接入过程和增强型载波 资源请求和数据传输的聚合（CA）。 因此，所提供的见解有助于NR的进一步特征的设计和实践知识。
介绍
蜂窝移动网络已经部署了几十年。 在过去，这些网络被开发以主要优化特定服务（例如，语音/视频流），而另外支持其他服务（例如，因特网浏览和物联网部署）。 然而，在未来几十年中，迫切需要多种应用（仅举几例，无人驾驶车辆/机器人，智能交通系统，智能电网/建筑/城市，虚拟/增强/感知现实，移动社交服务和无处不在的遥控）。 为了赋予这些具有各种流量特性的新兴应用，在第五代（5G）移动网络的开发中需要进行工程范式的转变。
国际电信联盟无线电通信标准化部门（ITU-R）已经宣布了称为国际移动通信2020（IMT-2020）的5G移动网络的多重设计目标，而不是单独提高数据速率以优化少数流量模式的传输[1] ，2]，其中包括20 Gb / s峰值数据速率，100 Mb / s用户体验数据速率，10 Mb / s / m2区域流量容量，106个设备/ km2连接密度，1 ms延迟，移动速度高达500 km / h，向后兼容LTE / LTE-Advanced（LTE-A），以及向潜在的未来演进的前向兼容性。 为了实现这些设计目标，第三代合作伙伴计划（3GPP）于2016年启动了规范性工作计划。在2018年部署第一阶段（第一阶段）系统，在2020年部署“准备”系统，5G新无线电的标准化活动 （NR）已经启动，第一个5G规范在第15版中构建，范围如下。
国际电信联盟无线电通信标准化部门（ITU-R）公布了5G移动网络的多重设计目标，称为独立和非独立NR运营，而不是单独提高数据速率以优化少数流量模式的传输：独立运营意味着在NR中提供完全控制平面和数据平面功能，而非独立操作指示LTE和LTE-A的控制平面功能用作NR的锚。
低于和高于6 GHz的频谱：根据现有的固定频谱分配政策，在6 GHz以下的频率范围内获得具有足够宽带宽的可用频谱是一项挑战。因此，6 GHz以上的频谱变得至关重要。另一方面，仍然需要访问低于6 GHz的无线电资源来满足运营商所需的各种部署方案。
增强型移动宽带（eMBB），超可靠和低延迟通信（URLCC）和大规模机器类型通信（mMTC）：提供具有超低延迟和大规模数据包传输的紧急数据传输对NR至关重要。在第15版中，强调了三个主要用例。 eMBB支持高容量和高移动性（高达500 km / h）的无线接入（4 ms用户平面延迟）。 URLCC提供紧急和可靠的数据交换（0.5毫秒用户平面延迟）。 NR还支持mMTC的不频繁，大规模和小型数据包传输（延迟时间为10秒）。
要集成这些功能，敏捷无线电资源管理对于实现优化的网络性能至关重要。在开发高级资源管理之前，部署方案，数字学，帧结构，新波形，多址，初始/随机访问和增强载波聚合（CA）应该是不可避免的基础。在本文中，因此提供了对NR的最新标准化的深刻了解。还证明了增强型CA的随机访问（RA）延迟性能，作为促进未来工程实践的性能基准。
部署方案，数字学和nr的框架结构
部署方案
为了与LTE / LTE-A向后兼容，NR的架构需要与LTE / LTE-A紧密互通。 对于此要求，LTE / LTE-A和NR的小区可以具有不同的覆盖范围（图1a）或相同的覆盖范围，并且以下部署方案是可行的。 LTE / LTE-A eNB是主节点：LTE / LTE-A eNB提供锚载波（在控制和用户平面中），而NR gNB提供增强载波。 数据流通过演进分组核心（EPC）在eNB和gNB上聚合（图1b）。NR gNB是主节点：独立的NR gNB通过下一代核心提供无线服务（在控制和用户平面中）。 并置增强型LTE（eLTE）eNB能够另外提供用于双连接的增强载波（图1c）。eLTE eNB是主节点：独立的eLTE eNB通过下一代核心提供无线服务（在控制和用户平面中），或者并置的NR gNB能够提供增强载波，如图1d所示。（e）LTE / LTE-A eNB与NR gNB之间的无线电接入技术（RAT）切换：LTE / LTE-A eNB连接到EPC，并且NR gNB连接到下一代核以支持eNB之间的切换 和gNB。 eLTE eNB还可以连接到下一代核心，并且可以通过下一代核心完全管理eNB和gNB之间的切换（图1e）。
上述场景揭示了具有不同覆盖范围的NR的异构部署。 进一步考虑高达500km / h的用户设备（UE）移动性，NR中应采用多个循环前缀（CP）长度。 实际上，载波频率和子载波带宽也可能影响所采用的CP长度。 因此，NR中可以存在物理传输参数的多种组合，例如子载波间隔，正交频分复用（OFDM）符号持续时间，CP长度等。 这些物理传输参数在NR中统称为数字学。
NR小小区（与LTE / LTE-A并置）
NR小小区（未与LTE / LTE-A并置）
NR和LTE / LTE-A具有相同的覆盖范围
图1 NR部署方案
NR的数字学
在NR中，发射器和接收器可以在高频带处享受更宽的带宽。在这种情况下，子载波间隔可以被扩展（大于15kHz，如LTE / LTE-A所采用的,并且可能高达960kHz）。 另外，高载波频率也易受多普勒效应的影响，并且大的子载波间隔可以促进载波间干扰（ICI）缓解。 另一方面，NR还应支持窄带子载波间隔，如窄带物联网（NB-IoT）[3]支持的3.75 kHz，以便在低频段享受更好的功率效率。因此，NR中的子载波间隔可缩放为15kHz的子集或超集。可行的子载波间隔可以是15kHztimes;2m，其中m可以是正/负整数或零。对于每个子载波间隔值，可以插入多个CP长度以适应不同载波频率和移动性的不同级别的符号间干扰（ISI）。
NR的帧结构
在时域中，NR的子帧长度是1ms，其由使用15kHz子载波间隔和正常CP的14个OFDM符号组成。 子帧由整数个时隙组成，每个时隙由14个OFDM符号组成。 每个时隙可以在开始和/或结束OFDM符号处携带控制信号/信道，如图2a所示。 这种设计使gNB能够在紧急数据到达时立即为URLLC分配资源。 时隙中的OFDM符号能够是所有下行链路，所有上行链路，或至少一个下行链路部分和至少一个上行链路部分。 因此，NR中的时分复用（TDM）方案比LTE中的时分复用（TDM）方案更灵活。 为了进一步支持小尺寸分组传输，在NR中另外采用迷你时隙，其中每个微时隙由z lt;y OFDM符号组成。 每个迷你时隙还能够在开始和/或结束OFDM符号处携带控制信号/信道。 迷你时隙是资源分配/调度的最小单位。
在NR中，可以在子帧内复用具有相同CP开销的不同子载波间隔（图2b）。为了保持1ms的子帧长度，在子帧内应该存在符号边界对齐。对于大于15kHz的子载波间隔，这些OFDM符号持续时间（包括CP长度）的总和应该等于15kHz子载波的一个符号持续时间。另一方面，15kHz子载波的OFDM符号持续时间的总和应该等于小于15kHz的子载波间隔的一个符号持续时间。
在频域中，NR中的基本调度单元是物理资源块（PRB），其由12个子载波组成。 PRB内的所有子载波具有相同的间隔和CP开销。由于NR应支持多个子载波间隔，因此NR支持不同带宽范围的PRB。当在时域中复用不同带宽范围的PRB时，应该对齐PRB的边界。为此，相同带宽的多个PRB应形成PRB网格，如图2c所示。由间隔15kHztimes;2m的子载波形成的PRB网格，其中m是正（负）负整数，应该是由具有15kHz间隔的子载波形成的PRB网格的超集（相应子集）。
图2 NR的帧结构
NR的波形
关于是否应在NR中使用现有CP辅助OFDM（CP-OFDM）之上的新型传输波形已有相当多的讨论。 多年来已经研究了替代传统OFDM的方案，包括滤波器组多载波（FBMC），广义频分复用（GFDM）等。 他们中的许多人在提高带宽效率，放宽同步要求，减少用户间干扰等方面要求优势，但同时遇到收发器复杂性增加的挑战，多输入多输出（MIMO）的困难 ）整合和规范影响。
基于ofdm的新波形
OFDM是一种成熟的技术，由于其具有复杂性低，易于与MIMO集成，普通信道估计等优点，因此在多种产品中广泛采用。因此，它强烈推动5G NR仍然选择OFDM作为新波形设计的基础。与OFDM不同，新波形通常具有额外的功能来处理两个具有挑战性但至关重要的问题。
光谱遏制：主要的理想特性之一是提供增强的光谱遏制，即降低带外发射（OOBE）。具有低OOBE的波形可以提供以下优点。首先，由于NR将支持不同的数字学，因正交性损失引起的干扰可能很严重，但是可以减轻这种干扰。其次，现在可以放宽严格的同步要求。该优点可以促进无授权的异步传输。此外，带宽利用率可能比LTE的效率高得多，因为保护带的数量将大大减少。
峰值平均功率比（PAPR）：另一个主要的期望特性是低PAPR，更具体地，考虑功率放大器（PA）非线性的发射信号质量。已知OFDM调制具有相当高的PAPR，并且需要大的功率回退以维持PA线性区域中的操作。该问题对于高载波频率的上行链路传输尤其重要，因为对电池寿命和用户设备（UE）的覆盖范围的相应影响是非常明显的。处理高PAPR还会导致光谱再生，从而降低预期的光谱抑制特性。
图3 5G NR的基于OFDM的波形的发射机结构
新波形中的各种技术
3GPP针对NR研究的大多数波形可以被描述为特殊情况，如图3所示。基于快速傅立叶逆变换（IFFT）基础，额外的滤波，加窗或预编码被认为实现了期望的增强。
过滤：过滤是一种通过应用具有预先指定的频率响应的数字滤波器来抑制OOBE的直接方法。诸如滤波OFDM（f-OFDM）和通用滤波OFDM（UF-OFDM）之类的候选波形属于该类别。然而，等效复合信道的延迟扩展可能以时分双工（TDD）模式消耗CP预算和保护时段（GP），这导致ISI并且分别对下行链路到上行链路切换施加负担。此外，当PA非线性存在时，承诺的OOBE性能可能会显着下降[4]。以增加的PAPR为代价，通常已知滤波技术对高载波频率的通信不友好。
窗口化：窗口化是为了防止两个OFDM符号之间的急剧变化以限制OOBE。将驻留在扩展符号边缘中的时域样本乘以升余弦系数（图3）是由加窗OFDM（W-OFDM）和加权重叠和加载（WOLA）OFDM波形选择的广泛使用的实现。与滤波技术相比，该技术通常具有很少或没有PAPR开销并且还具有较低的复杂度。然而，由于符号扩展引起的ISI，检测性能可能会降低。
预编码：在IFFT之前对输入数据进行线性处理通常称为预编码，可能有助于改善OOBE和PAPR。一个代表性示例是离散傅立叶变换扩展OFDM（DFT-S-OFDM）波形，其已经在LTE上行链路传输中采用，因为其PAPR低。已经针对NR提出了许多DFT-S-OFDM变体。零尾（ZT）DFT-S-OFDM旨在通过使尾部样本接近零来省略CP。保护间隔（GI）DFT-S-OFDM将Zadoff-Chu序列叠加到尾部样本以用于同步目的。唯一字（UW）DFT-S-OFDM将DFT前面的零替换为某些固定值，以自适应地控制波形属性。另一方面，单载波循环脉冲整形（SC-CPS）和通用预编码OFDMA（GPO）波形在DFT之后使用预先指定的频域整形，以便以过量带宽为代价进一步降低PAPR。 CPS-OFDM可以被视为灵活地支持子带中的多个成形子载波的通用框架。与基于滤波器的波形相比，基于DFT-S-OFDM的波形通常使得更容易维持PA线性操作，同时降低OOBE的劣化。
此外，对调制方案的适当修改，例如p / 2二进制相移键控（BPSK），可以极大地帮助这些波形实现极低的PAPR。请注意，在没有冗余间隔的情况下，仍会出现ISI。从基于DFT的预编码技术，其他类型的预编码矩阵通常具有不期望的复杂性和兼容性问题。上述波形的一些性能比较可以在[5,6，其中的参考文献]中找到。
上行高斯广播频道
下行高斯广播频道
图4 （左）下行链路OMA和NOMA的容量区域示例; （右）上行OMA和NOMA。
NR中的多路访问
前几代通信标准依赖于正交多址（OMA）。每个时间/频率资源块专门分配给其中一个用户，以确保没有用户间干扰。对于NR，基于同步/调度的OMA继续在DL和UL传输中发挥重要作用。
最近提出了允许多个用户共享相同时间/频率资源的非正交多址（NOMA）传输，以增强系统容量并适应大规模连接。与OMA不同，通过使用不同的功率分配系数或不同的签名（例如码本/码字，序列，交织器和前导码）来复用多个NOMA用户的信号。
几十年来，NOMA的基本理论在网络信息理论中得到了深入的研究。理论上，上行链路和下行链路NOMA可以分别建模为多址信道（MAC）和广播信道（BC），其容量区域如图4所示。高斯BC的容量区域可以通过功率域实现使用连续干扰消除（SIC）接收器的迷信编码。同时，高斯MAC的容量区域对应于CDMA，其中不同的代码用于不同的发送器，并且接收器以SIC方式对它们进行解码。
通常，弱用户（即，具有差的信道条件的用户）倾向于分配更多的传输功率，因此弱用户通过将共同调度的用户的信号视为噪声来解码
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
