5G/4G:子载波间隔和采样时长

5G空口物理层同样采用的还是OFDM, 也就是正交频分复用。OFDM其有如下几个特点,使用大量的比较窄的窄带子载波;这些子载波在频域上紧密排列;每个子载波采用简单的矩形脉冲成型,其频谱形状满足sinc平方函数。5G无线帧相比4G变化的核心是子载波间隔和调制符号时间的变化,从而使得单个符号的时间是变化的,如此来达到空口资源的灵活分配,以及缩短处理时延。

子载波间隔 Numerology - Subcarrier Spacing 

在载波间隔subcarrier spacing和时域的符号长度symbol length方面,5G和LTE比起来有了根本性的不同,最显著的不同是5G NR将采用多个不同的载波间隔类型,而LTE只是用单一的15kHz的载波间隔。5G NR将采用\mu这个参数来表述载波间隔,比如\mu = 0代表等同于LTE的15kHz,其他的各项配置如38.211中4.2.1表格所示:

5G相比4G来说,子载波宽度最小依然是15kHz,增加了很多更宽的子载波设置。

调制符号时间长度

符号长度为T_{u}的子载波,在频域上是一个Sinc函数,在1/T_{u}处过零。如果要满足正交性,各个子载波的峰值应该对应于其他子载波的过零点。所以子载波与符号长度之间的关系为:子载波间隔\Delta f=1/T_{u};比如子载波间隔为15kHz,那么OFDM的符号长度是1/15kHz=66.7us。此长度为子载波的调制符号时间,是器件物理处理意义上的时间。

OFDM由一系列紧凑排列的子载波构成,则在时域上,一个子载波的时域长度也就是空口物理资源的最小单位。也就是我们在协议中所见到的单个符号中其承载有效数据的时间。所以此处子载波长度的变化,也就决定了单个符号时长的变化。

在5G和4G中,帧的长度都是10ms, 子帧长度都是1ms。在LTE中,一个子帧包含了14个符号,则有如下的关系:T_{u} * 14 = 66.7 us* 14 = 933.8us。而一个子帧是1000us, 多余的时间用来作为Tcp,也就是循环前缀。5G中,当调制符号时间变短时,一个子帧长度1ms内也就有了更多的符号。

采样定理:

在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率大于信号中最高频率的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。因为计算机只能处理离散点,所以就取几个离散点,这就是采样。上图是时域图像,也就是横轴表示时间,纵轴表示振幅,柱子之间的距离就是采样时间间隔。

采样时间长度

OFDM由一系列紧凑排列的子载波构成,如20M时,20M/15k = 1333,包含了1333个子载波。实际用来传输信号的子载波是1200个。把每一个子载波都理解为一个正弦波。这同一个时刻有1333个15KHz的子载波在传输,要能够准确的保留这些连续信号的信息,则采样的频率应该大于其连续信号频率的2倍,也即使满足采用定理。同时数字系统的的处理只支持2的次幂,在1333的基础上,取2048。

如果取样频率为f_{s} ,采样时间长度为Ts, 则有 Ts = 1/f_{s} 。

f_{s} = 2048*15k = 30.72M。

Ts = 1/f_{s} = 32.55ns。

所以,在LTE中,虽然20M的带宽被划分成为了15KHz的子载波,但是采样时长中,20M带宽*2是主要的决定因素。采样频率跟子载波的划分没有必然联系。而带宽内传输的数据量又跟采样的频率和格式相关,同样是20M带宽,不同频段B38和B41,其20M带宽的传输峰值是一致的。

5G中,随着子载波间隔的拉长,单个符号的时间将变短,也就意味一个子帧1ms内将包含更多的符号。单个符号时间的缩短,也就意味着单个数据处理时间的缩短,有利于5G缩短整体的时延。


参考文章:https://blog.csdn.net/yangfei1328/article/details/77623613 

 

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