5G NR的子載波間隔和載波帶寬
自動化智能，物聯網（IoT），自動駕駛汽車，虛擬/增強現實等新技術正在成為現實。這些技術基於甚至更快，更迅速和更可靠的一切內部連接，這對下一代移動通信系統既提出了要求。根據這些要求，國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）向國際移動通信（IMT）建議了2020年及以後的移動通信技術的建議，即IMT-2020。該建議列舉了IMT-2020的主要設想使用場景，包括增強型移動寬帶（eMBB），超可靠低延遲通信（URLLC）和大規模機器類型通信（mMTC）。
5G NR定義的三種應用場景
本文概述了基於3GPP標準化會議中的最新討論和決策以及被認為符合IMT-2020要求的其他新功能的NR寬帶寬（BW）工作。更具體地說，與LTE相比，NR支持可擴展的子載波間隔（SCS）和更寬的信道帶寬（CBW，channel BW），這與數據速率，等待時間，帶寬，支持各種服務以及支持的頻譜頻段直接相關。與現有的載波聚合（CA）機制相比，廣泛的CBW能夠更有效地利用頻率資源。另一方面，在系統中支持多個SCS選項有幾個優點。對於較小的SCS，可以使系統更容忍多徑延遲擴展的影響，同時保持循環前綴（CP，cyclic prefix）持續時間與正交頻分複用（OFDM）符號持續時間成比率，即保持CP開銷比不變。這對於較低的載波頻率特別有用。對於較大的SCS，相位噪聲的估計和補償變得更容易，而相位噪聲的影響在較高的載波頻率下會加劇。
A.子載波間隔（Sub-carrier Spacing，SCS）
與LTE的單15 kHz 的SCS(Sub-carrier Spacing，子載波間隔)選項相比，5G NR支持可擴展的SCS。可擴展的SCS(Sub-carrier Spacing，子載波間隔)表示為fc = 15∙2^n [kHz]，其中n是一個非負整數。2的n次冪的定標法有助於不同SCS之間的符號邊界對齊。換句話說，某個SCS為 f1的符號總是可以精確地包含整數個SCS為f2（f2大於f1）的符號。 RAN1已決定在SI階段中從RAN1規範角度支持高達480 kHz的SCS(Sub-carrier Spacing，子載波間隔)，但每個頻帶中可使用的實際SCS值集合取決於RAN4中的定義。根據RAN4的決定，在Release-15的協議中，15/30/60 kHz SCS(Sub-carrier Spacing，子載波間隔)值用於頻率範圍1（FR1，frequency range 1 ），其信道帶寬（CBW）可以達到100 MHz，其中頻率範圍1（FR1，frequency range 1 ）用來表示頻率範圍為450MHz - 6000 MHz的蜂窩頻段，又名6 GHz以下頻段（sub-6 GHz bands）。頻率範圍2（FR2，frequency range 2）中使用60/120 kHz 的SCS值，FR2的頻率範圍為24.25 - 52.6 GHz，也稱為毫米波波段，其中FR2頻段的信道帶寬（CBW）高達400 MHz，可見5G NR信號所支持的SCS和CBW值因頻段不同而存在差異。請注意，非數據信道可能存在例外情況。例如，在NR中，統稱為SS(synchronization signals，同步信號)塊的主和輔同步信號（PSS / SSS，primary and secondary synchronization signals）和物理廣播信道（PBCH，Physical Broadcast Channel ）將使用15/30 kHz 的SCS用於低於6 GHz頻段的信號，而120/240 kHz的SCS用於6 GHz以上頻段。在物理隨機接入信道（PRACH，Physical Random Access Channel）的情況下，除了使用15/30/60/120 kHz 的SCS的短前導碼序列（short preamble sequence ）之外，而長前導碼序列（long preamble sequence ）還使用1.25 / 5kHz 的SCS。
5G NR的子載波間隔
在NR中支持多個SCS選項有幾個優點。當使用較小的SCS時，符號長度成反比增加。在符號長度較長的情況下，OFDM符號的CP可以以CP持續時間與OFDM符號持續時間（即，CP開銷比）相同的比率變長。因此，對於較小的SCS，系統可以在相同的CP開銷比的情況下更容忍多徑延遲擴展的影響。另一方面，較大的SCS使符號持續時間更短，這不僅有利於快速傳輸週轉時間，而且對降低對相位噪聲的敏感程度方面也是有利的。相位噪聲（phase noise）是一個隨機過程，並且由於本地振盪器（ local oscillator(s).）的時間不穩定性而直接影響基帶信號和RF信號之間的上/下變頻（up/down conversion）。頻域中的相位噪聲（phase noise）在時域中引起信號抖動。通常，相位噪聲隨著載波頻率的增加而增加，因此，在更高的載波頻率中相位噪聲（phase noise）更成問題。當相位變化速率相對於OFDM符號持續時間較慢時，相位噪聲可以被建模為常數並且可以通過估計來補償。用於此目的的NR中的參考信號（RSs，reference signals ）是相位跟蹤RS（PT-RS，phase tracking RSs ）和精細的時間/頻率跟蹤RS（time/frequency tracking RSs）。然而，當相位變化率相對於OFDM符號持續時間更快時，相位噪聲的估計變得困難，並且因此校正也變得困難。因此，SCS越大，越容易補償相位噪聲。另一方面，隨著載波頻率越來越高，例如mmWave頻帶，由於使用大規模MIMO天線的尖銳波束形成以及在較高頻率處的信號傳播特性本身的影響，使得信號傳播呈現較少的多徑延遲擴展。因此，具有更長的CP在更高的載波頻率中變得不那麼重要。這是為什麼在高頻段只支持60/120 kHz SCS選項的原因之一。
5G NR的子載波間隔與slot時間的關係
B.信道帶寬
5G NR系統支持比LTE 20 MHz更寬的最大CBW（信道帶寬）。 LTE通過也支持寬帶通信高達20 MHz載波分量（CC，component carriers ）的CA（載波匯聚）。通過在5G NR中定義更寬的CBW（信道帶寬），可以通過調度來動態分配頻率資源，這比CA操作（其激活/去激活基於介質訪問控制（MAC，medium access control）的控制單元（CE））更高效和更靈活。通過MAC CE的激活/去激活被認為是可靠的選擇，因為它受到混合自動重傳請求（HARQ，hybrid automatic repeat request）的保護，但是由於HARQ反饋過程導致激活/去激活的更長等待時間而付出犧牲可靠性的代價。具有單寬帶載波在低控制開銷方面也具有優點，因為它僅需要單個控制信令，而CA需要每個聚合載波的單獨控制信令。在這方面，從NR SI階段在RAN1中商定的每個NR載波的最大CBW（信道帶寬），從物理層規範的角度來看，在Release-15中是400 MHz 。而RAN4決定在FR1中支持高達100 MHz的CBW，在Release-15中支持FR2中高達400 MHZ的CWB 。由於快速傅里葉變換（FFT）尺寸的限制，實際支持的CBW值不僅取決於特定頻段，而且取決於所使用的SCS。
5G NR的信道分配
與LTE一樣，NR也支持通過CA或雙連接（DC，dual connectivity）來聚合多個載波。請注意，由於Release-13 LTE CA增強WI，LTE支持多達32個載波分量（CC，component carriers ）的CA（載波匯聚）。 NR已經決定支持多達16個CC，這比LTE的最大聚合小。然而，請注意，在NR的情況下，CBW（信道帶寬）本身比LTE寬得多，因此支持大量CC的動機並不重要。
C. FFT的大小
在NR SI階段期間，RAN1已經確定每個NR載波的最大子載波數量的備選數量是3,300，從物理層規範的角度來看Release-15中定義的FFT大小為6,600 。假設使用基數-2算法進行FFT實現，這些最大子載波數的候選者分別表示4K和8K FFT大小。就易於實現性方面來看，從FFT功能塊的裸芯片尺寸和功耗而言，4K FFT比8K FFT在實現性方面具有優勢。另一方面，對於給定的CBW，8K FFT可以允許比4K FFT更小的SCS值。這對於寬的CBW是有益的，其可在mmWave頻帶中獲得這種好處。但是，正如前面所討論的那樣，由於具有較小的多徑延遲擴展，在毫米波段對較小SCS的需求減弱。因此，由RAN4定義的最大CBW和支持的SCS對在載波中都不需要超過3,300個子載波。因此，每個NR載波的子載波的最大數量是3,300，並且對於版本15中的NR階段I而言，FFT的大小是4K。
（完）
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