5G物理层：内部架构、功能协议与主要接口概述

Research · 公众号 · · 2021-02-04 18:19

正文

与任何无线技术一样，物理层是5G NR的核心基础。

NR物理层必须支持很宽的频率范围（从低于1 GHz到高达100 GHz）及各种部署（微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝）场景。

以人为中心和以机器为中心的用例并存，有些用例的需求很极端，甚至不同用例的需求之间相互矛盾。将来的新应用还可能出现新的需求。

为了能够顺利地应对这些挑战，3GPP为NR设计了一个灵活的物理层。根据对无线电波传播以及网络和终端硬件非理想性的准确理解，对这些灵活组件可以进行适当的优化。

NR是第一个在毫米波频率范围应用的移动无线接入技术（支持频率高达100 GHz），信道带宽期望达到GHz范围，并且使用大规模多天线技术。

5G和4G的空闲协议栈，从协议分层来看，除了数据面的SDAP协议，其他层协议与4G LTE是一致的，如上图所示：

（1）RF（Radio Frequency射频单元）：中频处理、混频。

（2）L1 PHY（Physical物理层）：物理层编解码、OFDM基带调制解调、傅里叶变换与反变换等。

（3）L2 MAC（介质访问控制层）：物理层帧调度、信道映射。

MAC涉及的信道结构包括3方面内容，逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。

（3）L2 RLC（Radio Link Control 无线链路层控制协议）：定义三种无线链路传输模式，透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。

（4）L2 PDCP（Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议）：负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统( SRNS )设置的无线承载的序列号。

（5）L3 RRC（Radio Resource Control无线资源控制）：通过一定的策略和手段进行无线资源管理、控制和调度，在满足服务质量的要求下，尽可能地充分利用有限的无线网络资源，确保到达规划的覆盖区域，尽可能地提高业务容量和资源利用率。

（6）SDAP： Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议。

物理层主要解决的是：如何通过一定带宽的 “基带” 无线电磁波信号，为多个不同的用户，发送一连串的经过调制、编码后的二进制比特数据。
这句话指出了物理层采用到的4类技术：

（1）无线资源：

一定带宽的“基带”无线电磁波信号，是指物理层可用的资源，通过这些资源，为用户传送数据。

在4G和5G中，无线资源在进一步细化为：

小区频率带宽资源：比如 4G LTE支持5M/10M/15M/20M，5G LTE可以支持更大的带宽，如50M/100M/200M/400M.
不对称、可变带宽BWP资源：这是5G新引入的技术，该技术可是使得终端信号带宽与基站的载波带宽不相同。
频率子载波资源：4G LTE是15K的子载波，5G的子载波可以是15K, 30K, 60K, 120K子载波。
时间资源：不同的用户，不同时分复用的方式，共享相同的子载波
时频资源：频率和时间资源合称为时频资源
功率资源：任何信号的发送和接收，都需要消耗能量，能量也是一个非常重要的资源，每个基站有最大的功率，每个UE会分得一部分功率。
空间资源：空间资源是MIMO的“层”，在LTE中，同一个RE的MIMO的所有“层”只能归属同一个用户，用于增加用户的带宽，在5G中，结合波束赋形，MIMO的层，可以分配给不同的用户，称为多用户MIMO
无线信道：把各种无线资源按照功能的方式组织起来，向MAC层提供服务。

这些无线资源按照一定的方式有机的结构化的组织起来的，称为物理层的帧结构。

需要注意：

这里的一个修饰词“基带”，是指物理层的无线电磁波信号，是零频附近的基带信号，而不是高频射频信号！

（2）多址技术

“为多个不同的用户” ，意味着，无线资源是为不同用户共享的。

因此需要一定的技术，在发送时，把不同用户的数据复用到无线资源进行发送，接收是，再从无线资源上，把不同用户的数据解复用、分离开来，区分开来，这些技术，称为多址技术，多址技术包括：

频分双工FDD：通过同一时间的不同载波频率承载上行数据和下行数据，实现同时双向数据的传输。
时分双工TDD：通过不同时间的相同载波频率承载上行数据和下行数据，实现同时双向数据的传输。
频分多址FDMA：通通过同一时间的不同载波频率承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。
时分多址TDMA：通通过不同时间的相同载波频率承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。
正交频分多址OFDM：通通过同一时间的不同的、正交的、子载波承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。并通过快速傅里叶变换完成了OFDM频域到时域的转换。
码分多址CDMA：通通过同一时间的不同的码字承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。在4G和5G中，主要体现在小区的加扰和解扰。
空分多址SDMA ：通通过同一时间的不同的空间波束承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源，包括MIMO和波束赋形。

在5G的物理层，应用到上述所有的多址技术。

（3）调制技术：