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与任何无线技术一样,物理层是5G NR的核心基础。
NR物理层必须支持很宽的频率范围(从低于1 GHz到高达100 GHz)及各种部署(微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝)场景。
以人为中心和以机器为中心的用例并存,有些用例的需求很极端,甚至不同用例的需求之间相互矛盾。将来的新应用还可能出现新的需求。
为了能够顺利地应对这些挑战,3GPP为NR设计了一个灵活的物理层。根据对无线电波传播以及网络和终端硬件非理想性的理解,对这些灵活组件可以进行适当的优化。
NR是第一个在毫米波频率范围应用的移动无线接入技术(支持频率高达100 GHz),信道带宽期望达到GHz范围,并且使用大规模多天线技术。
5G和4G的空闲协议栈,从协议分层来看,除了数据面的SDAP协议,其他层协议与4G LTE是一致的,如上图所示:
(1)RF(Radio Frequency射频单元):中频处理、混频。
(2)L1 PHY(Physical物理层):物理层编解码、OFDM基带调制解调、傅里叶变换与反变换等。
(3)L2 MAC(介质访问控制层):物理层帧调度、信道映射。
MAC涉及的信道结构包括3方面内容,逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点,逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。
(3)L2 RLC(Radio Link Control 无线链路层控制协议):定义三种无线链路传输模式,透明模式(TM)、非确认模式(UM)、确认模式(AM)。
(4)L2 PDCP(Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议):负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。
(5)L3 RRC(Radio Resource Control无线资源控制):通过一定的策略和手段进行无线资源管理、控制和调度,在满足服务质量的要求下,尽可能地充分利用有限的无线网络资源,确保到达规划的覆盖区域,尽可能地提高业务容量和资源利用率。
(6)SDAP:Service Data Adaptation Protocol,服务数据适配协议。
物理层主要解决的是:如何通过一定带宽的“基带”无线电磁波信号(无数个正交的子载波),为多个不同的用户,发送一连串的、经过调制、编码后的二进制比特数据。
这句话指出了物理层采用到的4类技术:
(1)无线资源:
一定带宽的“基带”无线电磁波信号,是指物理层可用的资源(无数个正交的子载波),通过这些资源,为用户传送数据。
在4G和5G中,无线资源在进一步细化为:
需要注意:
这里的一个修饰词“基带”,是指物理层的无线电磁波信号,是零频附近的基带信号,而不是高频射频信号!
物理层的无线信道:
把各种无线资源按照功能的方式、有机的、结构化的组织起来的,形成功能性的数据传输,向MAC层提供服务,称为物理层的无线信道。
物理层的帧的结构:
把各种无线资源按照时间的方式、有机的、结构化的组织起来的,形成周期性的数据传输,向MAC层提供服务,称为物理层的帧结构。
(2)多址技术
“为多个不同的用户”,意味着,无线资源是为不同用户共享的。
因此需要一定的技术,在发送时,把不同用户的数据复用到无线资源进行发送,接收是,再从无线资源上,把不同用户的数据解复用、分离开来,区分开来,这些技术,称为多址技术,多址技术包括:
在5G的物理层,应用到上述所有的多址技术!!!
(3)调制技术:
“发送一连串的经过调制、编码后的二进制比特数据”,这句话的含义是,如何把二进制数,承载在基带的无线信号上。
常见的数字调制技术有:
在4G和5G中,除了没有使用FSK调制技术,启动调试技术都得到了应用。
(4)编码技术
为了确保通过无线信道进行可靠的通信,需要一些额外的辅助编码技术。
在5G系统中,为了支持大规模天线阵列,把物理层进行了进一步的切分,分为了PHY_High和PHY_LOW。
(1)PHY_High:物理层非实时部分,PHY_High的功能驻留在DU网元中。
(2)PHY_Low:物理层实时部分, PHY_Low的功能下沉到RRU网元中,RRU的网元实体变成了AAU网元实体。 PHY_LOW的主要功能主要涉及到大规模天线矩阵相关的功能,包括xMIMO的映射、
(1)nFAPI: 物理层PHY_High与MAC的接口, 并以物理信道的形式向MAC层提供服务。
(2)eCPRI接口:PHY_High与PHY_Low的前向接口。
(3)CPRI接口:物理层PHY_Low与RF的前向接口。
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nFAP接口:基于物理信道的服务
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PHY_HIGH
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eCPRI接口:7-2选项
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PHY_LOW:
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CPRI接口:AxC天线载波数据
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(1)信道编码与交织:计算机通信领域。
(2)调制解调: 二进制序列到复指数子载波序列的映射过程,这是从计算机领域到数字信号处理DSP领域的跨越! 从计算机通信领域向数字无线通信领域的跨越!
(3)多天线技术的层映射
(4)扩频预编码(仅仅用于上行,可选): 这是数字无线通信领域,在相同的频率资源,由单一空间向"码分"空间的跨越。
(5)多天线MIMO技术的预编码:这是数字无线通信领域中,在相同的频率资源,由单一空间向"分层"空间的跨越。
(6)无线资源映射RE mapping: 这是数字无线通信领域,这是由串行的时间域向并行的频率域的跨越。
(7)数字波束赋形:这是数字无线通信领域中,相同的频率资源,由全向空间向“波束局部”空间的跨越。
(8)OFDM变换(时域到频域的转换):这是各个独立的频域子载波信号到时域信号的转换,这是无线通信领域中,从频域信号到时域信号的跨越!
(9)后续RF射频调制:这是在无线通信领域中,由数据无线通信向模拟无线通信的跨越!!!
参考:
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