5G NR 物理层关键技术及其在广电应用的思考【摘 要】 5G 作为新一代移动通信系统，其物理层在设计上具有一定的先进性。
本文在研究5G NR 物理层关键技术的基础上，对比了5G NR 与广播电视系统物理层关键技术，并从MIMO 、信道编码、波形等方面讨论了5G NR 物理层关键技术在广播电视领域的应用，有利于地面无线广播电视系统适应新形势下的技术发展。
【关键词】5G NR 物理层，广播电视，MIMO ，信道编码，波形【中图分类号】 TN94 【文献标识码】 A 【DOI 编码】10.16171/ki.rtbe.20190005019【本文献信息】肖婧婷，杨明，吴智勇,盛国芳，赵长青.5G NR 物理层关键技术及其在广电应用的思考[J].广播与电视技术，2019,Vol.46(5).The Key Technology of 5G NR Physical Layer and Its Applicationin BroadcastingXiao Jingting, Yang Ming, Wu Zhiyong, Sheng Houfang, Zhao Changqing (Academy of Broadcasting Science, NRTA, Beijing 100866, China)Abstract As a new generation of mobile communication system, 5G physical layer design is advanced. Based on the research of the key technology of 5G NR physical layer, this paper compares the key technology of 5G NR physical layer with that of broadcasting system and discusses the key technology of 5G NR physical layer such as MIMO, channel coding, waveform applying in broadcasting field. It is beneficial for terrestrial radio and television system adapting to technological developments under the new demands.Keywords 5G NR physical layer, Broadcasting, MIMO, Channel coding, Waveform肖婧婷，杨明，吴智勇，盛国芳，赵长青（国家广播电视总局广播电视科学研究院，北京，100866）0 引言随着移动通信技术的迅猛发展，第五代移动通信（5G ）标准制定如火如荼进行，它致力于解决增强型移动宽带（eMBB ）、超可靠低延迟通信（URLLC ）、大规模机器类型通信（mMTC ）三大场景下的传输问题。
对于任何无线通信系统，无线空口都是整个系统中最基础的技术，5G 也不例外。
5G 无线空口（5G NR ，5G New Radio ）可以支持非常宽的频率范围（sub -1GHz 〜100GHz ）及各种不同大小的蜂窝小区（宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝等），为满足5G 不同场景下的需求，3GPP 为5G NR 定义了一个较为复杂的物理层结构。
2018年6月，5G 独立组网标准完成，这是第一个真正意义的5G 版本，也意味着之后发布的任何版本都要后向兼容这个版本。
本文5G NR 物理层关键技术的研究都是基于该版本开展的。
1 5G NR基本传输架构5G NR 一个较大的特点是用户面与控制面分离，用户面负责数据传输，图1是5G NR 用户面基本传输架构，可以分成：物理（PHY ）层、媒体访问控制（MAC ）层、无线链路控制层协议（RLC ）、分组数据汇聚协议（PDCP ）层和服务数据适配协议（SDAP ）层。
各层主要功能可以描述如下：1. PHY 层主要用于编解码、调制解调、多流处理、信号到时频资源块的映射，具体物理层过程参见3GPP 标准[1-5]。
2. MAC 层主要负责通过HARQ 进行差错控制，在上下行HARQ 机制中进行时频资源块的评估与控制，该层在载波聚合处理时也会涉及。
3. RLC 层主要通过ARQ 进行差错控制，分割IP 数据包，有序地把数据单元分发给更高层。
4. PDCP层主要负责IP包头的分割、排序侦测、加密解密、保护机制等。
此过程包头的压缩可以减少传输给空口的比特数，加密机制保护数据的完整性且不被窃取，解密和排序侦测机制让数据能够以一定序列进行分发。
5. SDAP层主要负责QoS到无线承载之间的映射关系。
通过QoS的需求，将IP数据包映射成一定的无线承载量。
控制面主要负责连接建立、移动性管理和安全性管理。
控制信号既可以由核心网产生也可以由gNB中的无线资源控制层（RRC）产生。
控制面与用户面在传输RRC信息时使用相同的PDCP层、RLC层、MAC层和PHY层。
因此，从物理层的角度来看，用户面与控制面协议栈在向更高层提供服务方面的基本技术并没有本质差异。
2 5G NR物理层关键技术2.1 MIMO技术MIMO是5G NR的核心技术之一，但其并不是一项全新的技术，它在LTE系统中就已经起到了重要的作用。
5G NR 中MIMO技术的标准化主要侧重于多天线传输方案、信道反馈、波束管理和参考信号设计等部分，支持开环传输和闭环传输，同时还考虑半开环传输方案，且支持各种传输方案之间的动态切换。
5G NR在不同频段有不同的多天线方案。
在较低频段，MIMO为LTE版本上的加强，其主要目的是提升频谱利用率以满足日益增长的高数据传输速率和大系统容量要求。
5G NR 在多用户MIMO（MU-MIMO）和互易性操作方面做了规范，参考信号和控制信令传输更灵活，可以动态地调整传输模式，其灵活数字化控制多天线阵列传输的方式可以获得更高的空间分辨率和频谱效率。
准确的信道状态信息（CSI，Channel State Information） 反馈是保证MIMO获得较大性能提升的重要因素，5G NR仅在需要时才触发非周期参考信号用于信道和干扰测量，多级CSI反馈可以如图2所示，该CSI反馈过程不仅能简化系统设计，而且对今后5G NR的版本有较好的后向兼容性。
在较高频段，虽可用频率多但传输损耗大，如何有效覆盖成为更主要的问题。
5G NR增加了毫米波频段，波长较短，天线阵列尺寸较小。
为了得到有效的覆盖，波束赋形起到不可或缺的作用。
5G NR同时考虑支持模拟和数字波束赋形，模拟波束赋形由于成本效益更适合于较高频段（>6GHz），数字波束赋形资源调度更加灵活且性能更优适合用于较低频段（<6GHz）。
与前几代移动通信系统不一样的是，5G NR具有更灵活且统一的CSI反馈架构，其波束赋形不仅用于数据传输，而且用于初始接入和广播信道。
2.2 信道编码信道编码作为一种增加系统可靠性的技术，在任何数字通信系统中都是非常重要且几乎必不可少的，5G也不例外。
5G 有很多的应用场景且侧重点不同，eMBB场景主要注重高数据速率的要求，mMTC场景主要关注低能耗的大连接，URLLC 场景主要侧重连接的高可靠低时延，这给信道编码方案的设计带来了很大的困难。
截至目前，5G NR仅确定了eMBB场景中的信道编码方案，该场景下数据信道采用低密度奇偶校验（LDPC）码，数据信道采用极化（Polar）码。
2.2.1 LDPC码LDPC码是一种奇偶校验矩阵中零元素很少的线性分组码。
在二十世纪六十年代由Gallager[6]提出，受制于当时硬件发展缓慢，二十世纪九十年代被学者重新发现。
LDPC以接近香农限的良好性能，被很多标准如：IEEE802.11n（WiFi）、IEEE802.16e（WiMAX）、DTMB、DVB-T2、CCSDS等采纳。
I PSDA PPDCPRLCMACPHYI PQoSRL CgNB UESDAPPD CPRLCMA CPHYCSICSICSI图2 CSI反馈过程图1 5G NR用户面传输架构关于LDPC 码的基本知识参见参考文献[7]，下面仅讨论5G NR LDPC 码的结构。
5G NR 数据信道的LDPC 码是准循环LDPC 码，具有速率匹配机制，支持在HARQ 机制中灵活应用。
eMBB 场景中的LDPC 码由奇偶校验矩阵的形式给出，为满足5G NR 对数据和码率的高动态范围需求，其支持两种基础矩阵BG1、BG2，均具有如图3所示的“Raptor -like ”结构，其中白色的方格表示该处为一个零阵，蓝色的方格表示该处为一个单位置换阵，具体需要循环的位数由对应位置上基础矩阵的数值决定。
单位置换阵及零阵的维度由提升因子（Z ）决定，具体的选取见表1，表中的提升值都满足a ×2j ，a 为{2，3，5，7，9，11，13，15}中的值[2]。
这种结构下，A +B 为一个高码率的核心矩阵（Kernel Matrix ），奇偶校验矩阵由核心矩阵逐步扩展到低码率，该设计使得LDPC 码可灵活地支持各种码率。
B 是一个具有双对角（Dual -diagonal ）结构的方阵。
C 是一个全零阵，E 是一个单位阵，作为低码率的校验比特。
D 与E 都用于低码率的扩展编码。
由于中低码率部分采用的是单奇偶校验的形式，可以很简单就求出校验位。
基础矩阵的前两列为被打掉的系统比特，即在实际编码时不发送的比特。
这两列被打掉的系统列有很大的列重，可保证校验节点通过与前几个变量节点的充分连接，使校验节点彼此之间软信息的顺畅传递[8]。
基础矩阵BG1为46行68列，包含22个系统列，更适合高码率、长码块的编码，支持的最大信息位长度为8448比特。
基础矩阵的前4行22列为核心矩阵，对高码率时的性能影响较大；中间的16行为准正交的设计；最后的26行严格遵循正交设计。
3GPP 5G NR 相关标准制定的参与方经过激烈的讨论与对比，确定了BG1对应的8个不同基础矩阵[2]。
基础矩阵BG2为42行52列，包含10个系统列，更适合低码率、短码块的编码，支持的最大信息位长度为3840比特。
基础矩阵的前4行10列为核心矩阵，对高码率时的性能影响较大；中间的16行采用非行正交的设计；最后的22行采用行正交设计。
3GPP 5G NR 相关标准制定的参与方经过激烈的讨论与对比，确定了BG2对应的8个不同基础矩阵[2]。
3GPP 中明确给出了首次传输时两种基础矩阵的使用范围，如图4所示。