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全球首批5G标准简介

2016630日,美国第一大移动通信运营商Verizon在全球率先发布了5G(第五代移动通信)空口的物理层标准/规范(一共4份,编号为TS V5G.200系列)[1~4],在业界引起了很大轰动。相关标准是由Verizon联合思科、爱立信、英特尔、LG电子、诺基亚、美国高通公司、三星电子这7家厂商共同制定的。下文简要介绍这45G空口物理层标准的主要内容。

 

15G空口物理层与其他各层的关系

 

1)总体架构

 

如图1所示,5G空口由Layer 1(物理层)、Layer 2(第二层。即媒介接入控制层)、Layer 3(第三层。即无线资源控制层RRC)组成组成[1]。其中:(1Layer 1UE(用户5G终端设备)与5G无线网络之间的接口,VerizonTS V5G.200系列标准对5GLayer 1进行了规范;(2Verizon接下来将要发布的TS V5G.300系列标准将对5GLayer 2Layer 3进行规范。

 



1  Verizon5G无线接入空口协议架构[1]

 

具体地,VerizonTS V5G.200系列标准目前共有4份,分别为:(1TS V5G.201: "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical layer – General description"(物理层总体描述)[1];(2TS V5G.211: "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical channels and modulation"(物理信道与调制)[2];(3TS V5G.212: "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Multiplexing and channel coding"(复用与信道编码)[3];(4TS V5G.213: "Verizon 5G Radio Access (V5G RA); Physical layer procedures"(物理层流程)[4]

 

其中,上述后面35G无线接入空口标准相互间的关系如图2所示。

 

图2

2  5G物理层标准之间的关系[1]

 

2)协议栈低层向高层提供的服务

 

SAPs(业务接入点):上文图1中,位于最底层的Layer 1向上层提供数据传输服务,Layer 1Layer 2之间通过传输信道来传送如何通过空口来传输信息Layer 2Layer 3之间通过不同的逻辑信道来传送信息是何类型消息[1]

 

物理层的功能:为了向上层提供数据传输服务,Verizon5G无线接入空口的物理层所应具备的功能进行了规范:(1)传输信道的误码检测并反馈至更高层;(2)传输信道的FEC(前向纠错)编码/解码;(3)混合式ARQ(自动重发请求)的软性结合(soft-combining);(4)编码传输信道的速率适配(面向物理信道);(5)将编码传输信道映射至物理信道;(6)物理信道的功率加权;(7)物理信道的调制与解调;(8)频率同步与时间同步;(9)无线特性测试并反馈至更高层;(10MIMO(收/发端多天线)处理;(11)发射分集;(12RF(射频)处理[1]

 

2、对5G空口物理层的总体描述

 

TS V5G.2015G空口的物理层(Layer 1)作了总体描述。下文介绍TS V5G.211TS V5G.212TS V5G.2133Verizon5G空口无线接入标准的主要内容。

 

1)多址接入

 

Verizon所规范5G无线接入空口物理层中,上行与下行的多址接入技术均是基于具备CP(循环前缀)的OFDM(正交频分复用)。而且,如果采取TDD(时分双工)机制,则可支持以半双工模式运行。

 

另外,还可支持单个成员载波达到最大100 MHz的物理带宽。一个资源块的时间长度为0.1毫秒,其中包含12个子载波,每个子载波的物理带宽为75 kHz

 

一个无线帧的时间长度为10毫秒,由50个子帧组成,每个子帧的长度为0.2毫秒(10÷50=0.2)。基于子帧,可实现对于数据传输链路方向(上行或下行)的动态配置。其中,每个子帧均可配置成下行控制/数据与上行控制/数据的如下四种组合中的任意一种:(1)含有下行控制信息与下行数据信息的一个子帧;(2)含有下行控制信息、下行数据信息与上行控制信息的一个子帧;(3)含有下行控制信息与上行数据信息的一个子帧;(4)含有下行控制信息、上行数据信息与上行控制信息的一个子帧。

 

Verizon所规范5G无线多址接入技术可支持模拟波束赋形,而且还可以实现根据移动性支持的需求对波束的指向进行动态配置。另外,在进行MIMO传输时,支持作数字预处理。下行方向支持最大8根天线的MIMO配置,从而可支持最大8条流的多层下行传输(每个5G用户终端处理最大两个流)。此外,也可支持每个5G终端最大处理两个流的多层上行传输。还可支持多个(最高可达8个)小区的上行与下行数据的汇聚[1]

 

2)物理信道与调制

 

TS V5G.211标准对5G空口的下行物理信道及上行物理信道分别作了定义,还描述了5G空口物理层物理信道的特性、物理层信号的产生及射频调制[2]

 

总体看来,TS V5G.211标准确定了:(1)物理信道结构、帧格式、物理资源元素等;(2)调制映射方式(BPSKQPSK等);(3)上行及下行的物理共享信道;(4)上行及下行的参考信号;(5)随机接入信道;(6)主/备同步信号;(7)上行及下行的OFDM(正交幅度调制)信号生成;(8)信号加扰、调制及上变换;(9)上/下行时间关系(Uplink-downlink timing relations);(10)层映射(Layer mapping)及上行/下行的预编码。

 

Verizon所定义的5G空口下行物理信道包括:(1xPDSCH5G无线下行物理共享信道);(2xPDCCH5G无线下行物理控制信道);(3xPBCH5G无线下行物理广播信道);(4ePBCH5G无线下行物理扩展广播信道)。

 

Verizon所定义的5G空口上行物理信道包括:(1xPRACH5G物理随机接入信道);(2xPUSCH5G无线上行物理共享信道);(3xPUCCH5G无线上行物理控制信道)。

 

此外,5G信号的类型已被Verizon分别定义为参考信号同步信号

 

5G无线射频信号(包括上行信号与下行信号)的调制技术,可从QPSK16 QAM64 QAM3种里面灵活选择。

 

3)复用、信道编码与交织

 

TS V5G.212标准对5G空口的传输信道、控制信道数据处理(具体包括复用、信道编码与交织)进行了规范:(1)信道编码技术;(2)物理层(Layer 1)及MAC层(Layer 2)控制信息的编码;(3)交织;(4)速率适配[3]

 

Verizon所规范的5G无线物理信道编码技术包括:(1)咬尾卷积编码(Tail biting convolutional coding);(2LDPC编码;(3Turbo编码(此为可选方式)。

 

4)物理层工作流程

 

TS V5G.212标准对5G空口的物理层流程特性,明确了:(1)同步流程(包括小区搜索流程及时间同步);(2)功率控制流程;(3)随机接入流程;(4)与下行物理共享信道相关的流程,包括CSI(信道状态信息)反馈报告;(5)与上行物理共享信道相关的流程,包括5G终端探测、HARQ ACK/NACK检测;(6)物理共享控制信道流程,包括对共享控制信道的指配/分配;(7)波束捕获流程[4]

 

Verizon所定义的5G空口物理层工作流程包括:(1)小区搜索;(2)上行同步与下行时控;(3)与随机接入相关的流程;(4)与HARQ(混合式自动重传请求)相关的流程;(5)波束捕获。

 

Verizon所定义的5G空口规范,也可支持进行干扰协调——将可通过在频域、时域及功率域进行物理层资源的控制来实现。

 

5)物理层测试

 

5G用户终端及5G Node-B5G基站)可以对5G无线特性进行测试,并可将测试结果上报至5G网络中的更高层[1]

 

 

参考文献

 

[1] Verizon. Verizon 5G TF; Air Interface Working Group; Verizon 5th Generation Radio Access; Physical layer; General description (Release 1)[EB/OL]. http://www.5gtf.org/V5G_201_v1p0.pdf, 2016-06-30.

 

[2] Verizon. Verizon 5G TF; Air Interface Working Group; Verizon 5th Generation Radio Access; Physical channels and modulation (Release 1)[EB/OL]. http://www.5gtf.net/V5G_211_v1p3.pdf, 2016-06-30.

 

[3] Verizon. Verizon 5G TF; Air Interface Working Group; Verizon 5th Generation Radio Access; Multiplexing and channel coding (Release 1)[EB/OL]. http://www.5gtf.org/V5G_212_v1p2.pdf, 2016-06-30.

 

[4] Verizon. Verizon 5G TF; Air Interface Working Group; Verizon 5th Generation Radio Access; Physical layer procedures (Release 1)[EB/OL].

http://www.5gtf.org/V5G_213_v1p0.pdf, 2016-06-30.


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