Кратко рассмотрим основные понятия сети радиодоступа 5G-NR в контексте сравнения с сетями 4G-LTE.
Структура радиоинтерфейса сети 5G-NR
A) Нумерология (Numerology)
В 5G-NR используются OFDM поднесущие с различной шириной спектра – 15кГц, 30кГц, 60кГц, 120кГц и 240кГц – см. Табл. 1 (в отличии от сетей LTE, где используется стандартная ширина спектра поднесущей, равная 15кГц). Использование различных нумерологий открывает широкие возможности для гибкой настройки поведения сети при предоставлении тех или иных услуг, например, для приложений критичных к уровню задержек (URLCC), уместно использовать поднесущие с широким спектром при меньшей длительности символа, и наоборот, при передаче трафика широкополосного доступа в Интернет и низкоскоростного трафика Интернета вещей – использовать "узкие" поднесущие.
Табл. 1 (нумерология)
| u (нумерология) | ∆F=2u∙15 [кГц] | Циклический префикс |
| 0 | 15 (соответствует LTE) | Normal |
| 1 | 30 | Normal |
| 2 | 60 | Normal, Extended |
| 3 | 120 | Normal |
| 4 | 240 | Normal |
B) Фреймовая структура (Frame / Subframe / Slot)
- в 5G-NR передача данных в восходящем (Uplink – UL) и нисходящем (Downlink – DL) направлениях организуется на основе фреймов, длительностью Tf = 10мс;
- каждый фрейм делится на 10 субфреймов, длительностью Tsf = 1мс каждый;
- также каждый субфрейм делится на два полуфрейма (half-frame 0 и half-frame 1);
- каждый субфрейм делится на слоты (slot); кол-во слотов определяется шириной спектра поднесущей (или нумерологией) и составляет 1, 2, 4, 8 или 16 слотов (в отличие от сетей LTE-FDD, где используется единая структура с двумя слотами на каждый субфрейм).
Табл. 2
| Нумерология (u) | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Ширина поднесущей, кГц | 15 | 30 | 60 | 120 | 240 |
| Кол-во слотов в субфрейме | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 |
| Кол-во слотов в фрейме | 10 | 20 | 40 | 80 | 160 |
| Длительность слота, мс | 1,0 | 0,5 | 0,25 | 0,125 | 0,0625 |
| Длительность символа мкс | 66,7 | 33,3 | 16,6 | 8,33 | 4,17 |
| Длительность обычного CP, мкс | 4,7 | 2,41 | 1,205 | 0,6 | 0,3 |
| Длительность расширенного CP, мкс | - | - | 4,2 | - | - |
Рис. 1 (структура фрейма)
C) OFDM символы
В 5G-NR кол-во OFDM символов, приходящихся на один слот (
), не зависит от нумерологии и, по аналогии с сетями 4G-LTE, определяется только типом циклического префикса: 14 символов для нормального (Normal) и 12 – для расширенного (Extended) префикса. Для наглядности на Рис. 2 приведена диаграмма OFDM-символов на сетке координат "частота"-"время".
Рис. 2 (OFDM символы)
В 5G-NR распределение между направлениями передачи (восходящий – UL / нисходящий DL каналы) осуществляется на уровне символа (в отличие от сетей TD-LTE, где данное распределение осуществлялось на уровне субфрейма), т.е. в рамках одного слота часть символов могут использоваться для организации UL, а часть -для DL.
Каждый OFDM символ слота может иметь тип "downlink" или "D" (нисходящий канал), "uplink" или "U" (восходящий канал) и "flexible" или "X" (гибкая конфигурация). В Табл. 3 приведены доступные форматы распределения OFDM символов между восходящим и нисходящим направлениями для нормального циклического префикса (Таблица 11.1.1-1 3GPP TS 38.213). Процедура конфигурации слотов описана в спецификации 3GPP TS 38.213 (пункт 11.1).
Табл. 3 (Формат слотов для нормального циклического префикса)
D) Ресурсная сетка
По аналогии с 4G-LTE единицей частотно-временного ресурса в сетях 5G-NR является ресурсный блок – RB (Resource Block). Каждому абонентскому терминалу на определенный период времени для приема/передачи данных выделяется некоторое, определенное планировщиком системы, кол-во ресурсных блоков. Каждый ресурсный блок в частотной области содержит 
смежных поднесущих частот. Ширина полосы частот одного ресурсного блока зависит от используемой нумерологии (см. Табл. 4).
Табл. 4
| u (нумерология) | Поднесущая, ∆F [кГц] |  |
Ресурсный блок  [кГц] |
| 0 | 15 | 12 | 180 |
| 1 | 30 | 12 | 360 |
| 2 | 60 | 12 | 720 |
| 3 | 120 | 12 | 1 440 |
| 4 | 240 | 12 | 2 880 |
В 5G-NR максимальная допустимая ширина полосы частот одного радиоканала по сравнению с сетями 4G-LTE увеличилась с 20МГц до 100МГц для блока радиочастот FR1 и до 400МГц для FR2. Также был уменьшен защитный интервал между двумя соседними радиоканалами, что привело к увеличению доступных ресурсных блоков. При этом ширина защитного интервала определяется не только шириной частот радиоканала, но и шириной полосы поднесущей, что может привести к несимметричности защитных интервалов если в рамках одного радиоканала используются несколько нумерологий.
Рис. 3
Возможные варианты ширины полосы радиочастот одного радиоканала и соответствующее кол-во ресурсных блоков для различных блоков и нумерологий приведены в Табл. 5, Табл. 6, Табл. 7.
Табл. 5
| SCS, кГц | 5МГц | 10МГц | 15МГц | 20МГц | 25МГц | 30МГц | 40МГц |
| FR1 | |||||||
| NRB | |||||||
| 15 | 25 | 52 | 79 | 106 | 133 | 160 | 216 |
| 30 | 11 | 24 | 38 | 51 | 65 | 78 | 106 |
| 60 | - | 11 | 18 | 24 | 31 | 38 | 51 |
Табл. 6
| SCS, кГц | 50МГц | 60МГц | 70МГц | 80МГц | 90МГц | 100МГц |
| FR1 | ||||||
| NRB | ||||||
| 15 | 270 | - | - | - | - | - |
| 30 | 133 | 162 | 189 | 217 | 245 | 273 |
| 60 | 65 | 79 | 93 | 107 | 121 | 135 |
Табл. 7
| SCS, кГц | 50МГц | 100МГц | 200МГц | 400МГц |
| FR2 | ||||
| NRB | ||||
| 60 | 66 | 132 | 264 | - |
| 120 | 32 | 66 | 132 | 264 |
На Рис. 4 изображена ресурсная сетка 5G-NR. Здесь:
- ресурсный элемент (RE) – минимальная единица для переноса информации в сети радиодоступа 5G-NR, формируемая одной поднесущей на длительности одного символа;
- – кол-во смежных поднесущих частот в одном ресурсном блоке;
- – ширина ресурсного блока (от 180кГц до 2880кГц в зависимости от нумерологии);
– кол-во символов в одном слоте (12 – для нормального префикса и 14 – для расширенного);
– кол-во слотов в одном субфрейме (от 1 до 16 в зависимости от нумерологии);
– кол-во слотов в одном фрейме (от 10 до 160 в зависимости от нумерологии);
Рис.4
Обзор физического уровня 5G-NR
1. Дуплекс
В сетях 5G-NR для разделения каналов нисходящего (DL) и восходящего (UL) направлений применяется частотный (FDD) и временной (TDD) дуплекс – в зависимости от используемого бэнда (см. https://itechinfo.ru/content/радиочастоты-для-сетей-5g). Для улучшения радиопокрытия сетей в высоких диапазонах частот, где ограничивающей по дальности связи, как правило, является сигнал от пользовательского терминала, также предусмотрена возможность работы с дополнительной несущей на линии "вверх" (Supplementary Uplink) в более низком диапазоне частот.
2. Технология мультиплексирования
Основой системы радиодоступа сети 5G-NR является технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
В нисходящем направлении от базовой станции к абонентскому терминалу (Downlink – DL) используется простой метод CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM), при котором каждый пользовательский канал на определенном временном интервале состоит из совокупности параллельно излучаемых сигналов на множестве поднесущих частот.
В восходящем направлении от абонентского терминала к базовой станции (Uplink – UL) возможны два варианта – CP-OFDM (по аналогии с DL) и DFT-s-OFDM (схожий с технологией SC-FDMA сети 4G-LTE). Последний включает блок "Transform Precoding", фактически реализующий операцию дискретного преобразования Фурье (DFT) и позволяет снизить пик фактор (отношение максимального и среднего уровней мощности).
Рис. 5
3. Схемы модуляции
Возможные схемы модуляции в 5G-NR – π/2-BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM. При этом модуляция π/2-BPSK (неиспользуемая в сетях 4G-LTE) доступна только в восходящем (UL) канале в режиме DFT-s-OFDM и актуальна для энергоэффективных сетей интернета вещей.
4. Пространственные потоки (MIMO)
Одним из ключевых нововведений в технологии 5G является использование массивных многоантенных систем (Massive Multiple-Input-Multiple-Output) под которыми принято понимать системы, имеющие более 8-ми управляемых антенн и приемо-передающих трактов. Использование Massive MIMO позволяет с одной стороны увеличить емкость сети (в 5G-NR доступное кол-во параллельных пространственных потоков данных в нисходящем канале "DL" – 8; в восходящем "UL" – 4), с другой – повысить помехоустойчивость за счет использования техники формирования направленных лучей (beamforming).
5. Нисходящий канал (Downlink – DL)
В Downlink 5G-NR определены следующие каналы и сигналы:
- Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) – физический канал для передачи информации "вниз" с разделением пользователей. Используется для передачи пользовательских данных, сообщений пейджинга, ответов на запросы доступа к сети со стороны пользовательских терминалов (UE) и блоков системной информации SIB (System Information Blocks).
- Physical Downlink Control Channel (PDCCH) – физический канал управления "вниз". Используется для передачи информации о назначении ресурсов пользовательским терминалам.
- Physical Broadcast Channel (PBCH) – физический канал передачи широковещательной информации. Используется для трансляции блока главной информации (MIB – Master Information Block). Для передачи PBCH используются поднесущие 0-239 символов 1 и 3, а также поднесущие 0-47, 192-239 символа 2 – см. Рис. 6 (в отличие от сетей 4G-LTE, где для передачи PBCH используются 72 центральные поднесущие символов 0,1,2,3 второго слота первого субфрейма).
- Primary synchronization signal (PSS) – сигнал первичной синхронизации. Позволяет пользовательскому терминалу осуществить частотную и временную синхронизацию с сигналом активной соты, а также вычислить компонент
физического идентификатора соты (Physical Layer Cell Identity, PCI). Отмечу, что в 5G-NR для формирования PSS используется m-последовательность, в отличии от сетей 4G-LTE, где PSS формируется на основании последовательности Задова-Чу. LTE-PSS маппируется на 72 центральные поднесущие радиоканала, NR-PSS – на 127 (см. Рис. 6). - Secondary synchronization signal (SSS) – сигнал вторичной синхронизации. Позволяет пользовательскому терминалу вычислить компонент
физического идентификатора соты (PCI). В 5G-NR определено 1008 уникальных PCI, т.е. в два раза больше, чем в 4G-LTE. LTE-SSS маппируется на 72 центральные поднесущие радиоканала, NR-SSS – на 127 (см. Рис. 6). - Channel-state information reference signal (CSI-RS) – референсный сигнал, используемый пользовательским терминалом (UE) для оценки параметров среды распространения радиосигнала и вычисления CSI-RSRP, CSI-RSRQ, CSI-SINR с последующим формированием индикатора качества радиоканала (Channel Quality Indicator – CQI) и индикатора матрицы предкодирования (Precoding Matrix Indicator – PMI). Является специфичным для каждой соты и каждого антенного порта.
- Demodulation reference signals (DM-RS) – референсный сигнал, используемый UE для настройки эквалайзера приемной цепи и демодуляции сигналов, переносящих информацию "вниз". Является специфическим для каждого UE и каждого пространственного потока. Присутствует только в ресурсных элементах, переносящих пользовательскую информацию
- Phase-tracking reference signals (PT-RS) – референсный сигнал, используемый для компенсации фазовых шумов опорных генераторов. Актуальность введения данного типа референсных сигналов обусловлена задействованием в 5G-NR высоких диапазонов радиочастот (FR2) Является специфическим для каждого UE.
- Замечу, что в 5G-NR отсутствует пилотный сигнал CRS (Cell specific Reference Signals), определенный еще в Release 8 3GPP и используемый в т.ч. для вычисления пользовательским терминалом таких ключевых параметров определения качества канала, как RSSI и RSRQ.
Рис. 6 (SS/PBCH блоки)
6. Восходящий канал (UL)
В Uplink 5G-NR определены следующие каналы и сигналы:
- Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) – физический канал передачи пользовательского трафика и сигнализации.
- Physical Uplink Control Channel (PUCCH) – физический канал передачи сигнализации в отсутствии канала PUSCH.
- Physical Random Access Channel (PRACH) – физический канал передачи запросов случайного доступа.
- Demodulation reference signals (DM-RS) – по аналогии с соответствующим референсным сигналом нисходящего канала, используется базовой станцией для настройки эквалайзера приемной цепи и демодуляции сигналов, переносящих информацию "ввверх".
- Phase-tracking reference signals (PT-RS) – по аналогии с соответствующим референсным сигналом нисходящего канала используется для компенсации фазовых шумов опорных генераторов.
- Sounding reference signal (SRS) – используются для оценки состояния радиоканала для того, чтобы подобрать наиболее подходящие параметры передачи.
Передача системной информации (NR-MIB, NR-SIB)
Системная информация, передаваемая базовыми станциями 5G-NR, содержит различные конфигурационные параметры радиоинтерфейса, необходимые пользовательским терминалам (UE) для осуществления доступа к сети, приема и передачи данных. Системная информация передается в MIB (Master Information Block) и SIB (System Information Block) блоках. MIB блок передается по физическому каналу PBCH, SIB блоки – по PDSCH. В сетях 4G-LTE все блоки системной информации передаются с определенным периодом в широковещательном режиме и принимаются всеми UE, находящимися в зоне действия соответствующих сот сети. В 5G-NR блоки MIB и SIB1 передаются в широковещательном режиме; остальные SIB блоки в зависимости от политики оператора связи могут передаваться либо также в широковещательном режиме, либо в выделенных каналах по запросу конкретных UE (см. Рис. 7). Информация о том, какие блоки передаются по запросу, а какие в широковещательном режиме и параметры их передачи содержится в SIB1.
Рис. 7 (передача системной информации)
Таким образом, возможен следующий сценарий получения пользовательским терминалом (UE) системной информации:
- включение UE;
- поиск соты, синхронизация с сетью, определение PCI (посредством PSS/SSS);
- прием PBCH, декодирование MIB;
- если cellBarred=barred – завершение процедуры;
- декодирование SIB1, используя параметры, полученные в MIB;
- декодирование других SIB, передаваемых в широковещательном режиме, используя параметры, полученные в SIB1;
- инициирование процедуры случайного доступа (RACH) и запрос необходимых SIB;
- получение и декодирование запрошенных SIB.
Литература
- 3GPP TS 38.104. NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.
- 3GPP TS 38.211. NR; Physical channels and modulation.
- 3GPP TS 38.212. NR; Multiplexing and channel coding.
- 3GPP TS 38.213. NR; Physical layer procedures for control.
- 3GPP TS 38.300. NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2.
