2.2 NR物理层设计要点

物理层的设计是整个5G系统设计中最为核心的部分，ITU和3GPP组织对5G提出了更高且更为全面的关键性能指标要求，尤其是峰值速率、频谱效率、用户体验速率、时延、能耗等关键性能指标非常具有挑战性。这些关键性能指标的实现需要通过物理层的设计来实现。5G NR Rel-15在充分借鉴LTE设计的基础上，也引入了一些全新的特征。

5G NR Rel-15和LTE/LTE-A的基本参数见表2-1。

5G NR Rel-15物理层设计要点的具体说明如下。

1.NR支持的频率范围从中低频到超高频

3GPP定义了两大频率范围（Frequency Rang,FR），分别是FR1和FR2。其中，FR1的频率范围是410～7125MHz，主要用于实现连续广覆盖、高速移动性场景下的用户体验和海量设备连接；FR2的频率范围是24250～52600MHz，即通常所讲的毫米波频段，主要用于满足城市热点、郊区热点与室内场景等极高的用户体验速率和峰值容量需求。

2.NR支持更大且更为灵活的信道带宽

为了满足高容量的需求和重耕原有的2G/3G/4G频谱，NR支持更大且更为灵活的信道带宽，FR1支持的信道带宽是5～100MHz,FR2支持的信道带宽是50～400MHz。NR保护带占信道带宽的比例是可变的，并且信道两侧的保护带大小可以不一致，这样的设计给NR的部署带来了很大的灵活性，即可以根据相邻信道的干扰条件灵活设置保护带，同时提高了NR的频谱利用率，FR1和FR2的频谱利用率最高分别可以达到98%和95%，较LTE的90%有了明显的提高。

3.NR支持两类信道栅格

NR定义了两类信道栅格：一类是基于100kHz的信道栅格；另一类是基于SCS的信道栅格，例如，15kHz、30kHz等。因为LTE的信道栅格也是100kHz，所以基于100kHz的信道栅格可以确保与LTE共存，主要集中在2.4GHz以下的频段。基于SCS的信道栅格可以确保在载波聚合的时候，聚合的载波之间不需要预留保护带，从而提高频谱利用率。

4.NR的同步栅格

NR单独定义了同步栅格，因此，同步信号（含PBCH及DM-RS）可以不必配置在载波的中心，而是根据干扰情况，灵活配置在载波的其他位置。随着载波频率的增加，同步栅格的间隔分别是1.2MHz、1.44MHz和17.28MHz，相比于NR的信道栅格，NR的同步栅格的间隔更大。这样设计的原因是NR的信道带宽很大，较大的同步栅格可以显著减少UE初始接入时的搜索时间，从而降低了UE功耗、降低了搜索的复杂度。NR分别定义信道栅格和同步栅格会使信令过于复杂。

5.灵活的子载波间隔设计

对于FR1，支持的子载波间隔是15kHz、30kHz、60kHz；对于FR2，支持的子载波间隔是60kHz、120kHz、240kHz（240kHz仅应用于同步信道）。NR支持更为灵活的子载波间隔有如下2个原因。

① NR支持的信道带宽差异极大，从5MHz到400MHz不等，为了使快速傅里叶变化（Fast Fourier Transformation,FFT）尺寸比较合理，小的信道带宽倾向于使用较小的子载波间隔，大的信道带宽倾向于使用较大的子载波间隔。

② NR支持的频率范围极大，低频段的多普勒和相位噪声较小，使用较小的子载波间隔对性能影响不大，而高频段的多普勒频移和相位噪声较大，必须使用较大的子载波间隔。NR子载波间隔的灵活性还体现在同一个载波上的同步信道和数据信道可以使用不同的子载波间隔，同一个终端可以根据移动速度、业务和覆盖场景使用不同的子载波间隔。

6.灵活的帧结构设计

NR的1个无线帧的长度固定为10ms,1个子帧的长度固定为1ms，这点与LTE相同，因此，可以更好地支持LTE和NR共存，有利于LTE和NR共同部署模式下帧与子帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。NR的时隙长度为1ms、0.5ms、0.125ms、0.0625ms （与子载波间隔有关）。NR中的时隙类型更多，引入了自包含时隙（即在1个时隙内完成PDSCH/PUSCH的调度、传输和HARQ-ACK信息的反馈）;NR的时隙配置更为灵活，针对不同的终端动态调整下行分配和上行分配，可以实现逐时隙的符号级变化。这样的设计使NR支持更多的应用场景和业务类型，例如，需要超低时延的uRLLC业务。

7.自适应的部分带宽

部分带宽（Band Width Part,BWP）是NR提出的新概念，BWP是信道带宽的一个子集，可以理解为终端的工作带宽。终端可以在初始接入阶段、连接态、空闲态使用不同的BWP，也可以根据业务类型的不同，使用不同的BWP。NR引入BWP主要有以下3个目的。

① 让所有的NR终端都支持大带宽是不合理的，NR引入BWP后，可对接收机带宽（例如，20MHz）小于整个载波带宽（例如，100MHz）的终端提供支持。

② 不同带宽大小的BWP之间的转换和自适应可以降低终端的耗电量。

③ 载波中可以预留频段，用于支持尚未定义的传输格式。

8.NR的波形（传输方案）

对于下行，NR采用带有循环前缀的正交频分复用（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM），其优点是可以使用不连续的频域资源，资源分配灵活，频率分集增益大；其缺点是峰值平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio,PAPR）较高。

对于上行，NR支持CP-OFDM和DFT扩频的正交频分复用（DFT Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing,DFT-S-OFDM）两种波形。DFT-S-OFDM的优点是PAPR低，接近单载波，可以发射更高的功率，因此，其覆盖距离增加了。其缺点是对频域资源有约束，只能使用连续的频域资源。基站可以根据UE所处的无线环境，指示UE选择CPOFDM或DFT-S-OFDM波形，实现系统性能和覆盖距离的平衡。

NR的上下行都使用CP-OFDM，当发生上下行间的相互干扰时，为采用更先进的接收机进行干扰消除提供了可能。

9.NR的数据信道（PDSCH/PUSCH）

在时域上，NR既可以采用时隙为单位进行资源分配，也可以采用符号为单位进行资源分配，其分配的数据信道长度可以为2～12个OFDM符号（对于下行）或1～14个OFDM符号（对于上行），而且不同时隙的时域资源分配可以动态转换，因此，非常有利于使用动态TDD或为上行控制信令预留资源，同时有利于实现超低时延的uRLLC业务。

在频域上，NR支持两种类型的频域资源分配，基于位图的频域资源分配可以使用频率选择性传输提高传输效率，基于资源指示值（Resource Indication Value,RIV）的连续频率分配降低了相关信令所需要的开销。

NR的PDSCH信道支持的调制方式是QPSK、16QAM、64QAM和256QAM;PUSCH支持的调制方式是QPSK、16QAM、64QAM和256QAM（基于非码本的PUSCH传输）或p/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM（基于码本的PUSCH传输）。为了满足高、中、低的码率传输，NR分别定义了3个MCS表（对于下行）和5个MCS表（对于上行）。

NR的数据信道使用低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）码。LDPC码支持以中到高的编码速率支持较大的负荷，适用于高速率业务场景，同时，LDPC码也支持以较低的码率提供较好的性能，适用于对可靠性要求高的场景。

NR中引入了基于码块组（Code Block Group,CBG）的反馈方案，这是因为NR的传输块（Transport Block,TB）的尺寸可能非常大，把传输块分割成多个码块后，码块可以组成码块组，HARQ ACK/NACK可以针对码块组进行反馈，即如果某个码块组传输出现错误，只需出错的码块组进行重传，而不必重传整个传输块，因此，提高了传输效率。

为了方便新技术的引入和扩展，而不产生后向兼容性问题，NR为PDSCH引入了资源预留机制，这部分资源不能作为PDSCH资源使用，而是有特殊的用途，例如，为LTE的小区专用参考信号（Cell-specific Reference Signal,CRS）、控制信道资源、零功率信道状态信息参考信号（Zero-Power Channel State Information-Reference Signal,ZP CSI-RS）以及为未来用途使用预留资源。因为基站可以在上行授权的时候，只要不调度这些特殊的资源即可，所以在PUSCH上不需要专门定义预留资源。

10.NR的控制信道（PDCCH/PUCCH）

NR的下行控制区域只有PDCCH,PDCCH所在的时频域资源称为控制资源集合（Control-resource set，一般写作CORESET），搜索空间则规定了UE在CORESET上的行为。CORESET在频域上只占信道带宽的一部分；在时域上占用1～3个OFDM符号， CORESET既可以在时隙内前面1～3个OFDM符号（与LTE类似）上传输，也可以在时隙内的其他OFDM符号上传输，因此，可以不必等到下一个时隙开始即可快速调度数据信道，非常适合于超低时延的uRLLC业务。

NR的PUCCH支持长格式PUCCH（4～14个OFDM符号）和短格式PUCCH（1～2个OFDM符号）两种类型。短格式PUCCH可以在1个时隙的最后1个或2个OFDM符号上，对同一个时隙的PDSCH的HARQ-ACK、CSI进行反馈，从而达到低时延的目的，因此，适合于超低时延的uRLLC业务。PUCCH共有5种格式，支持从1～2个比特的低负荷上行控制信息（Uplink Control Information,UCI）（例如，HARQ-ACK反馈）到大负荷的UCI（例如，CSI反馈）。

11.SS/PBCH块

NR的同步信号和PBCH在一起联合传输，称为SS/PBCH块或同步信号块（Synchronization Signal Block,SSB）。根据子载波间隔的不同，SSB共有5种实例（Case），每个频带对应1个或2个Case，因此，UE能够根据搜索到的频率，快速实现下行同步。

SSB的周期是可变的，SSB的周期可以配置为5ms、10ms、20ms、40ms、80ms和160ms，在每个周期内，多个SSB只在某个半帧（5ms）上传输，SSB的最大数量为4个、8个或64个（与载波频率有关）。可以根据基站类型和业务类型，灵活设置SSB的周期，由于宏基站覆盖的范围较大，接入的用户数较多，所以可以设置较短的SSB周期以便UE快速同步和接入，而微基站由于覆盖的范围较小，接入的用户数较少，所以可以设置较长的SSB周期以节约系统开销和基站功耗。另外，还可以根据业务需求设置SSB的周期，如果某个小区承载低接入时延要求的uRLLC业务，则可以设置较短的SSB周期；如果某个小区承载高接入时延的mMTC业务，则可以设置较长的SSB周期。

NR的主同步信号（Primary Synchronization Signal,PSS）有3种不同的序列，辅同步信号（Secondary Synchronization Signal,SSS）有368种不同的序列，因此，小区的物理小区标识（Physical Cell Identifier,PCI）共有1008个，使NR的PCI发生冲突的概率降低，与NR的小区覆盖范围较小、PCI需要较大的复用距离相适应。

12.NR的参考信号

NR没有CRS,SSB中的PBCH的解调参考信号（Demodulation Reference Signal,DMRS）信号承担了类似CRS的作用，即用于小区搜索和小区测量，但是PBCH的DM-RS具有以下两个显著特点。

① 周期（即SSB的周期）可以灵活设置。

② 在频域上只占用信道带宽的一部分。由于没有持续的全带宽的CRS发射，所以非常有利于节约基站的功耗。

PDSCH/PUSCH的解调使用伴随的DM-RS，即DM-RS只出现在分配给PDSCH/PUSCH的资源上。对于DM-RS配置类型1和DM-RS配置类型2，分别支持最多8个DM-RS和12个DM-RS，对于SU-MIMO，每个UE最多支持8个正交的DM-RS（对于下行）或最多支持4个正交的DM-RS（对于上行）。NR支持单符号DM-RS和双符号DM-RS，双符号DM-RS较单符号DM-RS可以复用更多的UE，但是也带来DM-RS开销较大的问题。另外，还可以在时域上为高速移动的UE配置附加的DM-RS，从而使接收机进行更精确的信道估计，改善接收性能。

相位跟踪参考信号（Phase Tracking-Reference Signal,PT-RS）是NR新引入的参考信号，可以看作DM-RS的扩展，PT-RS的主要作用是跟踪相位噪声的变化，相位噪声来自射频器件在各种噪声（随机性白噪声，闪烁噪声）等作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，由于频率越高，相位噪声越高，所以PT-RS主要应用在高频段，例如，毫米波波段。PT-RS具有时域密度较高，频域密度较低的特点，且PT-RS必须与DM-RS一起使用。

与LTE相比，5G NR的信道状态信息参考信号（Channel State Information-Reference Signal,CSI-RS）在时频域密度等方面具有更大的灵活性，CSI-RS天线端口数最高可以配置32个。CSI-RS除了用于下行信道质量测量和干扰测量，还承担了层1的参考信号接收功率（Layer1 Reference Signal Receiver Power,L1-RSRP）计算（波束管理）和移动性管理功能，以及跟踪参考信号（Tracking Reference Signal,TRS）时频跟踪功能。TRS可以看作特殊的CSI-RS，引入TRS的主要目的是解决由于晶振不稳定导致的时间和频率抖动问题， TRS的负荷较低，仅有1个天线端口，在每个TRS周期内仅有2个时隙存在TRS。

探测参考信号（Sounding Reference Signal,SRS）用于基站获得上行信道的状态信息。与LTE类似，SRS的带宽也采用的是树状结构，支持跳频传输和非跳频传输。NR的SRS支持在连续的1个、2个或4个OFDM符号上发送，有利于实现时隙内跳频和UE发射天线的切换。

13.NR的PRACH

PRACH支持长序列格式（PRACH的SCS与数据信道的SCS无关，PRACH的SCS固定为1.25kHz或5kHz）和短序列格式（PRACH的SCS与数据信道的SCS相同），短序列格式的PRACH与数据信道的OFDM符号的边界对齐，这样设计的好处是允许PRACH和数据信道使用相同的接收机，从而降低系统设计的复杂度。

14.NR的波束管理

NR部署在高频段时，基站必须使用massive-MIMO天线以增强覆盖，但是massiveMIMO天线会导致天线辐射图中包含非常窄的波束，单个波束难以覆盖整个小区，需要通过波束扫描的方式覆盖整个小区，即在某一个时刻，基站发射窄的波束覆盖某个特定方向，基站在下一个时刻小幅改变波束指向，覆盖另外一个特定方向，直至扫描整个小区。之所以NR的波束赋形是NR必需的关键功能，是因为NR所有的控制信道和数据信道，以及同步信号和参考信号都是以窄的波束发射的，这就涉及波束扫描、波束测量、波束报告、波束指示、波束恢复等过程。可以说，NR的信道和信号设计以及物理层过程是以波束管理为核心的。波束赋形可以带来增加覆盖距离、减少干扰、提高系统容量等优点，但是也带来信令过于复杂的缺点。