5G 的波形介绍

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因为LTE的子载波间隔是固定15kHz,5G中所有的参数都是按照LTE的2的幂次方进行扩展,子载波间隔越大,每子帧中的时隙数就越多,在频率上就越窄。

与LTE一样,5G也是使用OFDM符号,在时域上属于正玄波,但不同的是,5G的子载波间隔有很多种,使用参数Numerologies表示,取值如下:

1.jpg

Supported transmission numerologies

不同的子载波的波形图如下:

2.jpg

OFDM的符号长度等于子载波间隔的长度,而且在频域上,其他载波的零落在子载波的峰值上,这样就能在一个有限的周期内形成正交。

协议定了不同的子载波下,子帧中包含的符号数,每时隙固定14个OFDM符号,但没子帧下时隙数不同,如下图:

3.png

Numberof OFDM symbols per slot, slots per frame, and slots per subframe for normalcyclic prefix

因为LTE的子载波间隔是固定15kHz,5G中所有的参数都是按照LTE的2的幂次方进行扩展,子载波间隔越大,每子帧中的时隙数就越多,在频率上就越窄。

4.png

LTE中的参数如下:

子载波间隔:15kHz

系统带宽:20Mhz

FFT点数(采样点数):2048

采样频率Fs(Mhz):30.72

采样间隔Ts(ns)32.55

采样频率的计算是在15khz的频率内,进行了2048次采样,所以采样频率为15*1000 Hz * 2048=30.72Mhz。

根据4G的基线参数,可以推导出5G的相关参数,如下:

5.png

这里120KHZ和240KHZ使用的小区带宽是200MHZ,而不是400MHZ,主要是因为终端必选的系统带宽是200MHZ。

与LTE类似,OFDM符号波形的弊端是多普勒敏感,在350km/h的速度下,多普勒频偏最大可能达到1k左右,为了对抗多普勒效应,需要子载波间隔是多普勒的至少30倍,所以,现网一般不使用15khz的子载波间隔。而在60khz的子载波间隔下,覆盖半径可能不足,这主要是需要CP长度大于时延扩展,CP的长度是1.17us,大半径小区下的时延扩展可能会大于1us,而30khz的子载波间隔,性能适中,能对抗多普勒,CP(2.34us)足以覆盖绝大多数场景下的时延扩展。

目前最头痛的问题是高铁场景。

高铁场景的组网一般采用多RRU共小区的模式,如下:

6.png

在这种高铁组网的场景下,最大时延可能达到us级别,500km/h的多普勒可能达到1.2khz,这样的话,子载波间隔30khz就不行了。

协议规定60khz的子载波间隔有扩展CP,扩展CP的长度是128Ts=4.2us(关于CP的介绍,我写过另一篇文章,感兴趣的可以去翻一翻)。但扩展CP的开销在20%左右,普通CP的开销只有7%,不到万不得已,一般不会使用扩展CP。

其实CP的设计,最初是为了对抗OFDM符号的多径效应,因为多径会导致符号间的干扰。

7.png

如上图所示,第二个符号的时延有5us,那么第二次收到的最后一个符号就会干扰第一次收到的第一个符号,这就是符号间干扰的来源。为了消除符号间干扰,就引入了CP。

8.png

将每个时隙的最后两个符号放到前面去(增加冗余了),在接收的时候,直接简单的去除循环前缀。

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