FDD和TDD的LTE帧结构有什么不一样?

首先让我们看一下无线帧的框架结构:

一个帧的持续时间为10毫秒,这意就味着我们每秒有100个无线帧。如上图所示,我们可以看出:

  • 1帧的子帧数为10,
  • 1个子帧中的时隙数为2。意味着1帧内有20个时隙,
  • 1个时隙Slot由7个“OFDM符号”的小块组成。

在LTE网络中,由于对传输的数据有不同的要求,LTE的帧结构在时分双工(TDD)和频分双工(FDD)模式之间有所不同,LTE帧结构有两种类型:

  • 类型1:用于LTE FDD模式系统。
  • 类型2:用于LTE TDD系统。

类型1:FDD帧结构

LTE FDD是全双工系统,因此下行链路和上行链路传输都在不同的频率上同时发生。

类型2:TDD帧结构


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5G NR CORESET –控制资源集

在5G NR中,CORESET被称为“ 控制资源集”。它是下行资源网格中特定区域内的一组物理资源,用于承载PDCCH(DCI)。NR PDCCH被专门设计为在可配置的控制资源集(CORESET)中发送。CORESET类似于LTE中的控制区域,但是在某种意义上被概括为:CORESET可以通过对应的PDCCH搜索空间来配置它的RB集合和OFDM符号集合。控制区域的这种配置灵活性(包括时间,频率,数字和操作点)使NR能够解决各种用例。

在LTE控制区域中,PDCCH在整个系统带宽上分配,但是NR中,PDCCH在专门设计的CORESET区域中传输到频域中的特定区域,如下图所示。


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最大耦合损耗(MCL)和最大路径损耗(MPL)

我们知道最小耦合损耗(MinimumCouplingLoss,MCL)定义了基站和手机之间最小的耦合损耗。MCL的值由两部分组成:手机到天线的自由空间损耗和天线到基站接收机的天馈系统损耗。这里的MCL过小则会导致系统的上行噪声的上升,从而影响网络的性能。因此应该通过合理的方案设计,以保证系统的路径损耗和天线的至最近终端间的空间损耗之和大于允许的最小耦合损耗。

最小耦合损耗MCL=手机到天线的自由空间损耗+天线到基站接收机的天馈系统损耗

最大耦合损耗(MaximumCouplingLoss,MCL)被3GPP作为评估无线接入技术覆盖范围的指标。从理论上讲,它可以定义为系统可以忍受并仍可运行的传输功率水平的最大损耗(由最小可接受接收功率水平定义),它是数据还能正常传输的临界值。MCL是UE和eNodeB的天线端口之间的最大总信道损耗,计算MCL时不考虑天线的方向增益,MCL越高,链接越强。

上行MCL=上行最大发射功率-基站接收灵敏度(噪声系数(NF)+ SINR +底噪声)。下行MCL=下行最大发射功率-终端接收灵敏度(噪声系数(NF)+ SINR +底噪声)。

覆盖范围还可以通过最大路径损耗(MPL)来表示。此处,路径损耗是由于辐射功率的远距离传播,建筑物穿透等导致的信号路径损耗。因此,可以通过发射和接收天线处的辐射功率电平之差来计算MPL。为了确定MPL,还需要考虑发射器和接收器的天线增益。

MCL和MPL之间的差异如下图所示。


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5G NR调制和编码方案–调制和码率

调制Modulation和编码方案Coding Scheme(即,MCS)定义了一个符号可以携带的有用比特数。与5G或4G相比,符号定义为资源元素(RE),MCS定义为每个资源元素(RE)可以发送多少个有用比特。MCS取决于无线链路中的无线信号质量,更高的质量会在一个符号中传输更高的MCS和更多有用的比特,而较差的信号质量会导致更低的MCS,也就意味着在一个符号中传输较少的有用数据。

换句话说,我们可以说MCS取决于阻塞错误率(BLER)。通常,定义的BLER阈值等于10%。为了在变化的无线条件下保持BLER不超过该值,gNB使用链路自适应算法分配调制和编码方案(MCS)。使用PDCCH信道(例如,DCI 1_0,DCI 1_1)上的DCI将分配的MCS用信号发送给UE。
一个MCS基本上定义了以下两个方面:

  • 调制
  • 码率

(一)调制
调制定义单个RE可以承载多少位,而不管它是有用的位还是奇偶校验位。5G NR支持QPSK,16QAM,64QAM 和 256QAM调制。使用QPSK,每个RE可以传输2位,使用16QAM可以传输4位,使用64QAM可以传输6位,使用256QAM则可以传输8位。这16个,64个和256是 QAM调制阶数。可以使用以下公式计算每个调制阶数的比特数。

(二)码率
编码率可以定义为有用位与总传输位(有用+冗余位)之间的比率。添加这些冗余位用于前向纠错(FEC)。换句话说,可以是物理层顶部的信息位数与映射到物理层底部的PDSCH的位数之间的比率。我们也可以说,这是对物理层添加的冗余的一种度量。低编码率对应于增加的冗余度。

(1) 5G NR 调制和编码方案(MCS)特性 :

  • 调制和编码方案(MCS)定义了每个符号的有用位数;
  • 根据无线条件和BLER完成MCS选择;
  • MCS由基于链接自适应算法的gNB更改;
  • 使用DCI将MCS信息提供给UE;
  • 5G NR支持PDSCH的QPSK,16QAM,64QAM和256QAM调制;
  • 定义了32个MCS索引(0-31),并且保留了MCS索引29,30和31用于重传;
  • 3GPP规范38.214针对PDSCH MCS给出了三个表,即64QAM表,256QAM表和低频谱效率Low SE 64QAM表;

(2) 调制和编码方案表


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5G中的复用访问技术

无线信号在传输中的多径传播会导致时间延迟,信号失真等。下面就让我们讨论从1G到5G系统中用于解决此类问题的多址技术。

相干带宽和衰落信道

基站(UMTS-NB / eNB / gNB)在多个方向上向用户设备(UE)发送信号,因此接收到的信号可以被延迟或衰减。在频域中,如果信号带宽小于相干带宽,则信号将被保留而不会产生任何失真。但是,如果信号带宽大于相干带宽,则会出现衰减,这称为频率选择性衰落信道。

频分复用接入(FDMA)

在第一代移动通信系统(1G)中已经使用FDMA。从根本上讲,我们将带宽分成小块,以便在更高的持续时间内传输符号,例如20MHz(LTE中的最大信道带宽)划分为1200个子载波,每个子载波的带宽为15kHz,这就是所谓的 多载波传输技术。15KHZ*1200子载波,总共是18MHz,另外2 MHz用于保护频带。例如,我们在66.7ms内传输一个符号,而不是0.05us,即1/(15 kHz)而不是1/(20 MHz)。与符号持续时间分别为0.05us和66.7ms相比,1us延迟因此避免了时域中的符号/信号重叠。如下图左下角的说明。

在上文中,我们提到的信号失真是在频率选择性衰落信道下发生的。实际上,我们将在宽带处理系统中部署信道均衡/均衡器以减少失真。在下文中,我们将介绍OFDMA作为一种解决所有上述问题的技术,这些问题是由多径传播、延迟扩展、频率选择性衰落信道和信道间干扰(ICI)引起的。

正交频分复用访问(OFDMA)


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5G NR参考信号(DMRS,PTRS,SRS和CSI-RS)

为了提高协议效率并保证传输包含在一个时隙或波束内而不必依赖其他时隙和波束,为此5G NR引入了以下四个主要参考信号。

  • 解调参考信号(DMRS) 
  • 相位跟踪参考信号(PTRS)
  • 探测参考信号(SRS)
  • 信道状态信息参考信号(CSI-RS)

下图描述了与不同物理信道关联的参考信号映射关系。

图片

与LTE相比,NR的新增功能 :

  • 在NR中,没有小区特定参考信号(C-RS)
  • 引入了新的参考信号PTRS用于时间/频率跟踪
  • 为下行链路和上行链路信道引入了DMRS
  • 在NR中,仅在必要时(如LTE中不断交换参考信号来管理链路),才发送参考信号。

解调参考信号(DMRS) 

DMRS是特定于特定UE的,用于估计无线信道。系统可以对DMRS进行波束赋形,将其保留在计划的资源内,并且仅在必要时在DL或UL中传输它。另外,可以分配多个正交DMRS以支持MIMO传输。该网络会尽早为用户提供DMRS信息,以满足低延迟应用程序所需的初始解码要求,但它也偶尔为信道变化不大的低速场景提供此信息。在跟踪信道快速变化的高移动性场景中,它可能会增加DMRS信号(称为“附加DMRS”)的传输速率。

  • DMRS是指解调参考信号
  • 接收机将其用于无线信道估计以解调相关的物理信道
  • DMRS设计和映射特定于每个下行链路和上行链路NR信道,通过NR-PBCH,NR-PDCCH,NR-PDSCH,NR-PUSCH,NR-PUSCH
  • DMRS特定于特定UE,并按需传输
  • DMRS可以对DMRS进行波束形成,并保留在计划的资源中,并且仅在必要时在DL或UL中传输它
  • 可以分配多个正交DMRS以支持MIMO传输。

相位跟踪参考信号(PTRS)


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