【5G NR】工作频段和信道安排

前言

本篇以3GPP TS 38.104为基础介绍5G NR工作频段和信道安排相关内容，其中信道栅格和同步栅格是本篇的重点和难点。

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1. 工作频段

NR工作在两大频率范围（Frequency Range，FR）：FR1和FR2，如下表1-1所示 [1]。FR1又称作Sub-6 GHz（6 GHz以下）频段，主要用于实现5G网络连续广覆盖、高速移动性场景下的用户体验，以及海量设备连接；FR2又称作毫米波频段，主要用于满足城市热点、郊区热点和室内场景等极高的用户体验速率和峰值容量需求 [2]。

表1-1. 频率范围的定义 [1]（TS 38.104 Table 5.1-1）

FR1和FR2中，又划分了多个不同的工作频段，如下表1-2和下表1-3所示 [1]。表中工作频段阿拉伯数字之前的n代表NR。

表1-2. NR在FR1中的工作频段 [1]（TS 38.104 Table 5.2-1）

表1-3. NR在FR2中的工作频段 [1]（TS 38.104 Table 5.2-2）

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注释：

结合上表1-2和表1-3做一些补充说明：

• 由于上下行功率差异大、上行时隙配比不均等原因，上行覆盖受限成为NR在FR1的高频段部署的关键瓶颈，因此NR专门增加了低频的补充上行（Supplementary UpLink，SUL）频段，即只有上行频段而没有对应的下行频段，如n80 ~ n84、n86、n89。低频的SUL和高频相结合，可以充分利用低频的上行覆盖优势和高频的大带宽优势 [2]。
• 和LTE类似，NR也新增了补充下行（Supplementary DownLink，SDL）频段，即只有下行频段而没有对应的上行频段。定义SDL的目的是为了与其他频段进行下行载波聚合 [2]。
• 中国移动授权的5G室外覆盖的频率范围是2515 MHz ~ 2675 MHz（落在n41频段范围内），通常简称2.6 GHz频段；微基站覆盖（也可用于室分覆盖）的频率范围是4800 MHz ~ 4900 MHz，通常简称4.9 GHz频段。中国电信授权的5G频率范围是3400 MHz ~ 3500 MHz。中国联通授权的5G频率范围是3500 MHz ~ 3600 MHz。3400 MHz ~ 3600 MHz通常简称为3.5 GHz频段。

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2. 信道带宽、传输带宽配置、保护带

2.1 信道带宽

信道带宽（Channel Bandwidth，CB）或者严格来说是基站信道带宽，是基站在上下行支持的单个射频载波的宽度 [1]，记作$B{W}_{\mathrm{Channel}}$，单位为MHz。NR支持5 MHz ~ 400 MHz的信道带宽。

与LTE不同的是，NR可以在同一个载波上支持不同的UE信道带宽，即部分带宽（Bandwidth Part，BWP），用于向与基站连接的UE发送或接收信号。可以在基站信道带宽的范围内灵活放置UE信道带宽，基站能够在载波资源块的任何位置发送或接收一个或多个UE的BWP，BWP应小于或者等于载波的资源块数 [1][2]。

3GPP规定了每个工作频段支持的信道带宽及子载波间隔。具体请参考[1]中的Table 5.3.5-1和Table 5.3.5-2。

2.2 传输带宽配置

传输带宽配置（Transmission Bandwidth Configuration，TBC）是信道带宽内可用的最大资源块（Resource Block，RB）数，记作$N_{\mathrm{RB}}$。传输带宽配置和信道带宽及子载波间隔（Subcarrier Spacing，SCS）有关 [1]。

表2-1和表2-2分别规定了FR1和FR2中，不同信道带宽和子载波间隔下的传输带宽配置$N_{\mathrm{RB}}$ [1]。

表2-1. FR1传输带宽配置 [1]（TS 38.104 Table 5.3.2-1）

表2-2. FR2传输带宽配置 [1]（TS 38.104 Table 5.3.2-2）

传输带宽配置不仅定义了不同信道带宽和子载波间隔配置下最大可用RB数，还定义了不同配置下的最大频谱利用率（Spectrum Utilization）。频谱利用率为传输带宽所占用信道带宽占整个信道带宽的比例，即$$\text{频谱利用率}=\frac{N_{\mathrm{RB}}\times 12\times 子载波间隔}{信道带宽}\text{\hspace{1em}(2-1)}$$

以FR1中信道带宽100 MHz，子载波间隔30 kHz为例（表2-1第4行最后1列）。该信道带宽和子载波间隔配置下的最大频谱利用率为$273\times 12\times 30\mathrm{kHz}/100\mathrm{MHz}=98.28\%$。不同信道带宽和子载波间隔配置下的频谱利用率可参考[2]中的表3-4和表3-5。

2.3 保护带

保护带（Guard Band，GB），顾名思义，用于抑制相邻信道泄漏，降低误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）。保护带位于信道带宽的边缘，不能用作传输。

信道带宽、传输带宽配置和保护带的关系如下图2-1所示 [1]：

图2-1. 信道带宽、传输带宽配置的定义 [1]（TS 38.104 Figure 5.3.1-1）

 

表2-3和表2-4分别规定了FR1和FR2中，不同信道带宽和子载波间隔下的最小保护带大小 [1]。

表2-3. 最小保护带（FR1） [1]（TS 38.104 Table 5.3.3-1）

表2-4. 最小保护带（FR2） [1]（TS 38.104 Table 5.3.3-2）

另外，当SCS 240 kHz SS/PBCH块放置在信道带宽边缘时，最小保护带规定如下表2-5所示 [1]。

表2-5. SCS 240 kHz SS/PBCH块的最小保护带（FR2） [1]（TS 38.104 Table 5.3.3-2）

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注释： 由于SS/PBCH块是UE接入小区所解调的第一个信号，传递的信息非常重要，设置较大的保护带可以避免SS/PBCH块受到邻近信道的干扰。

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当多个参数集（Numerology）复用在同一个OFDM符号上时，最小保护带的设置有一些特殊规定，详情请参考3GPP TS 38.104的5.3.3小节 [1]。

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注释：

与LTE相比，NR的保护带有以下2个显著特点 [2]：

• 保护带占信道带宽的比例不是固定不变的：LTE中的保护带占信道带宽的比例固定为10%（1.4 MHz除外），而NR只规定了最小保护带，且两侧的最小保护带之和所占信道带宽的比例是2% ~ 21%（FR1）/5% ~ 7%（FR2）。
• 信道带宽两侧的保护带大小可以不一致，即所谓的asymmetric：这样的设计给NR部署带来了很大的灵活性，即可以根据相邻信道的干扰条件设置不同的保护带。如果NR与相邻信道的干扰较大，则可以设置较大的保护带以减少干扰；反之，则可以设置较小的保护带以提高频谱利用率。NR的频谱利用率最高可以达到98%（FR1）/ 95%（FR2），较LTE的90%有了显著提高。

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2.4 信道带宽、传输带宽配置与最小保护带之间的关系

通过观察表2-3和表2-4可以发现，去掉两侧的最小保护带后，剩余信道带宽所包含的子载波数比根据$N_{\mathrm{RB}}$计算得到的子载波数（即$N_{\mathrm{RB}}\times 12$）多了一个子载波。例如，当信道带宽为100 MHz、SCS=30 kHz时，$N_{\mathrm{RB}}=273$（见表2-1），最小保护带为845 kHz（见表2-3）。此时，去掉两侧的最小保护带后剩余信道带宽所包含的子载波数为$(100\times 1000-845\ast 2)/30=3277$，而根据$N_{\mathrm{RB}}$计算得到的子载波数为$273\times 12=3276$。这里多出1个子载波的原因是NR某些频带的开始频率和终止频率有时和信道栅格不一致，因此需要增加1个子载波以确保两侧的保护带大于或等于最小保护带的要求 [2]。

由此，我们可以得到信道带宽、传输带宽配置与最小保护带三者之间的关系，如下所示 [3]：$$\mathrm{最小保护带}=\frac{信道带宽-N_{\mathrm{RB}}\times 12\times 子载波间隔-子载波间隔}{2}\text{\hspace{1em}(2-2)}$$
我们以信道带宽50 MHz，子载波间隔30 kHz为例。该信道带宽和子载波间隔配置下的最小保护带为$(50\times 1000-133\times 12\times 30-30)/2=1045\mathrm{kHz}$，与表2-3一致。
 

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3. 信道安排

3.1 信道栅格

信道栅格（Channel Raster，CR），顾名思义，用于指示信道频域位置的栅格。信道栅格将频率范围栅格化，每个格点指示一个绝对的频率位置，而载波也就是信道的中心频率必须落在信道栅格上。

LTE中，对于所有频带，信道栅格粒度为100 kHz，并由E-UTRA绝对无线频率信道号（Absolute Radio Frequency Channel Number，EARFCN）指定 [4]。

NR中，由于NR支持更高的工作频段和更大的信道带宽，且支持不同的子载波间隔配置（即参数集），因此NR先是定义了全局频率栅格（Global Frequency Raster，GFR），并在此基础上又针对不同工作频段定义了信道栅格，以减小计算量 [5]。

3.1.1 全局频率栅格

NR中，全局频率栅格定义了一组参考频率（Reference Frequency）$F_{\mathrm{REF}}$，用于识别信道、同步信号块（SSB）和其他元素（如Point A）的位置。全局频率栅格定义的频率范围为0 ~ 100 GHz，粒度为$\Delta F_{\mathrm{Global}}$ [1]。

参考频率由全局频率栅格上的NR绝对无线频率信道号（NR Absolute Radio Frequency Channel Number，NR-ARFCN）指定。NR-ARFCN也称作频点号 [2]，记作$N_{\mathrm{REF}}$，其范围为0 ~ 3279165。参考频率$F_{\mathrm{REF}}$（单位 MHz）和NR-ARFCN $N_{\mathrm{REF}}$的关系如下 [1]：$$F_{\mathrm{REF}}=F_{REF\_Offs}+\Delta F_{\mathrm{Global}}\left(N_{\mathrm{REF}}-N_{REF\_Offs}\right)\text{\hspace{1em}(3-1)}$$，其中各参数见下表3-1 [1]。

表3-1. 全局频率栅格的NR-ARFCN参数 [1]（TS 38.104 Table 5.4.2.1-1）

以$N_{\mathrm{REF}}=600000$为例。$N_{\mathrm{REF}}=600000$对应的参考频率为$3000\mathrm{MHz}+15\times (600000-600000)\mathrm{kHz}$