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5G子载波间隔为什么要设置为30KHz

 在NR的设计之初,针对子载波间隔其实是给出了几种方案进行讨论:

  • 子载波间隔值为15 kHz子载波间隔(即,基于LTE的numerology);
  • 子载波间隔值为17.5 kHz子载波间隔,具有统一符号持续时间,包括CP长度;
  • 子载波间隔值为17.06 kHz子载波间隔,具有统一符号持续时间,包括CP长度;
  • 子载波间隔值21.33 kHz

三星公司针对四种子载波间隔进行了对比。

OFDM的子载波间隔需要考虑多种要求,例如低复杂度、低CP开销和抗多普勒扩展的鲁棒性。虽然这四种方案都能在一定程度上满足这些要求,但也存在差异。在下表中,对系统带宽为20MHz的四种备选方案进行了数值比较。



虽然表1中没有说明详细的数据,但仍可以总结如下:

方案1:numerology基本上是LTE numerology的再利用。CP长度可以修改,而不改变子载波间距。

方案2:numerology为每TTI维护2^m个OFDM符号(例如:0.5毫秒或1毫秒)。CP长度和子载波间距耦合在一起。换句话说,为了增加CP长度,需要减小子载波间距。

方案3和4:这些备选方案构成了NR numerology的单一提案。方案3是针对典型用例设计的,而方案4则针对需要更大CP长度的部署场景设计。

方案1基于LTE numerology,具有线性缩放子载波间隔和相关参数的选项。因此,方案1的采样率与LTE相同,或者可以通过乘以整数值来获得。考虑到部署早期阶段的大多数NR终端将支持LTE和NR,这一特性是有益的。另一个需要考虑的方面是LTE NR共存的情况下的OFDM符号持续时间。在方案1中,NR numerology是通过将15kHz乘以整数N导出的。子载波间距的整数缩放的结果是LTE的1/N的OFDM符号持续时间。换句话说,如果NR设计为15N kHz的子载波间距,N 个OFDM符号将占用与1 LTE OFDM符号相同的时间持续时间。图1显示了N=1(15 kHz)和N=2(30 kHz)的时序关系。



设计NR numerology,使其符号定时与LTE很好地对齐,这有利于LTE NR共存。LTE NR共存是指LTE和NR使用公共频谱的情况。根据LTE和NR系统的负载,无线资源可以分配给LTE、NR或两者。例如,如果没有下行LTE业务,则可以在LTE配置MBSFN子帧的情况下的资源进行NR下行传输。在这种情况下,NR下行传输可以由第2或第3 个LTE OFDM符号进行,因为LTE仍将使用第一个或两个OFDM符号用于DCI传输,例如上行授予调度上行传输、PHICH或CRS。即使符号定时没有图1中那样对齐,也可以支持LTE NR共存。然而,在这种情况下,由于符号定时不对齐,资源效率将受到不利影响。

方案2利用17.5 kHz的子载波间距。偏离LTE的15kHz的动机是保持2^m OFDM符号/TTI。为了实现这一目标,子载波间距和CP长度耦合在一起。简单地说,为了使CP长度翻倍,子载波间距必须减半。但是,维护每个TTI的2^m 个OFDM符号有一些好处,但是,这不应该是设计NR numerology的最终目标,并且在考虑与LTE共存时可能存在一些缺点,例如,eNB处的干扰消除。需要进一步考虑的一点是,需要将子载波间距与CP长度耦合。例如,垂直(如广播)可能需要支持更宽的子载波间距和较大的CP长度。为了为高多普勒终端提供鲁棒性,需要更宽的子载波间隔,而从多个站点发送SFN需要更大的CP长度。方案2不能同时满足这两个要求。

方案3和4是一个单一方案,旨在解决正常CP长度和扩展CP长度的需要。这两种替代方案都与方案2非常相似,因为它们的设计目的是维护2^m OFDM符号/TTI。一个不同之处是,为实现更大的CP长度而采取的方法。与减少子载波间隔以实现更大CP长度的方案2不同,方案4利用较大的子载波间隔来实现相同的目标。与方案2类似,符号定时与LTE不一致,导致LTE NR共存的资源效率低下。方案3和4的另一个缺点是,必须实现17.06kHz和21.33 kHz的基于多子载波间隔,以支持更大的CP持续时间。



在子载波间隔值(15、17.5、17.06、21.33 kHz)的四种方案中,感觉方案1更好,子载波间隔值为15kHz是基于LTE的numerology。方案1在LTE和NR之间的共存或互通方面是有利的。另一方面,对于子载波间隔的可伸缩性,方案2(即fsc=f0*M)由于其灵活性而更受青睐。

以15kHz子载波间隔为基准,下一个问题是,可伸缩numerology应包括哪些其他值。答案取决于用例、操作频带、部署场景等。

首先,大于15kHz的子载波间隔对高速UE而产生的较大多普勒扩展有帮助。此外,从更宽的子载波间隔中短的符号持续时间将是实现低时延需求的一种方法,即通过在缩短的TTI中保留符号的数量。

从多普勒角度看,根据高速列车(HST)方案的评价假设,15kHz和30KHz子载波间隔(4GHz载波频率和500km/h移动速度)下,最大多普勒频率和子载波间隔的比值分别为12.35%和6.17%。注意,在LTE HST场景中,LTE子载波间隔(15 kHz)时,比率为8.93%。在这方面,30kHz子载波间隔似乎是合理的选择,它保持可伸缩的numerology,并且不影响性能。

其次,为了支持更高的频谱,例如,为了解决相位噪声以及多普勒扩频,需要比15kHz宽得多的子载波间隔。在相位噪声方面,75kHz子载波间距适合于30GHz频带左右。由于NR的频率范围太宽(高达100GHz),因此还希望分割和优化特定频率范围,例如,4GHz、30GHz和70GHz。

第三,可能需要小于15kHz的子载波间距来支持用于大规模连接的mMTC或对于较大站间距的CP较长的eMBMS。mMTC的候选子载波间隔值为3.75kHz,NB-IoT已经引入该值。对于eMBMS,也可以考虑7.5 kHz的子载波间距(并且该选项已在LTE L1规范中可用)。

对于eMBB,可以通过大量的资源调配来支持更高的数据速率。为了满足目标峰值数据速率,下行20Gbps,上行10Gbps,需要保证足够大的带宽支持。根据协议,支持至少一个numerology的不小于80Mhz的最大分量载波带宽。还可以通过载波聚合来扩展带宽。尽管就频谱可用性而言,高频段比低频段更有利,但通过频谱重耕和新的频谱分配,仍有机会在低频进行大规模频谱分配。因此,需要考虑大于20Mhz的最大分量载波带宽,而不限于更高的频带。

CP长度从15khz子载波间隔的长度缩放(即:基于LTE的numerology)。还支持扩展CP,例如,使MBSFN能够从多个小区传输。如LTE中一样,每个numerology集支持正常CP和扩展CP,以便应付各种部署场景,即无论正常CP还是扩展CP,每个numerology集的子载波间隔保持不变。

低时延要求是URLLC的一个关键特性,用户面时延的目标是上行为0.5ms,下行为0.5ms。对于eMBB,用户面时延的目标是上行 为4ms,下行为4ms。这就需要短TTI的引入,即小于1ms。理解到子帧定义物理信道/信号的资源映射,15khz子载波间隔的1ms子帧长度可被认为是LTE中的。然后,子帧长度随着缩放因子M的增大而缩小,同时保持子帧内的符号数目恒定。

基于上述理解,表2总结了建议的numerology集,包括正常CP和扩展CP。如上所述,对于特定用例和工作频带,可以额外考虑更窄的子载波间隔(<15 kHz)和更宽的子载波间隔(>75 kHz),例如3.75 kHz(M=1/4)和150 kHz(M=10)。



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