5G多址接入和物理层与长期演进（LTE）存在一些差异。在下行方向，5G与LTE相似，依旧采用正交频分多址（OFDMA）。而在上行方向，5G采用了OFDMA和单载波频分多址（SC-FDMA），而LTE仅使用SC-FDMA。SC-FDMA也常被称为DFT扩展OFDMA（DFT-S-OFDMA）。此外，5G在波束赋形方面的支持比LTE更为深入，且其支持的频段范围也扩展到了LTE无法达到的更高频率。5G的帧结构比LTE提供了更多的灵活性，可以根据使用的频段，或者根据需要优化网络和用户设备（UE）的高容量或低功耗需求来调整。 本章介绍了5G物理层的原理，包括从传输信道到物理信道的映射、5G帧结构以及关键的物理层过程。特别强调与LTE相比的新特性，如全方位支持波束赋形、更大的带宽和更灵活的帧结构。本章还介绍了3GPP规范中的5G信道编码方案、物理层过程和测量。最后，本章总结了5G用户设备（UE）能力的物理层方面。
一、5G多址接入原理
OFDMA在5G中的作用仍然与LTE时类似，甚至可以说作用更为重要，因为现在它不仅用于下行，还被用于上行。对于5G而言，单载波传输仅打算在信号链路预算有限的情况下，在小区边缘使用，否则则使用OFDMA。采用OFDMA的动机来自于其在多天线传输场景下的更优性能（其性能提升如此显著，即使由于增加的峰均功率比（PAR）导致的传输功率下降也是可以接受的）。传统上，OFDMA会导致上行传输相比SC-FDMA波形降低1-2 dB的功率。然而，即便传输功率较低，在多天线多流传输下，OFDMA仍然是一个更好的选择，尤其是在链路预算有一定裕度的情况下。
另一个方面是在时分双工（TDD）网络中的干扰管理。如果上下行都采用相同的多址接入方案，干扰管理显然会更容易。
在上行方向，SC-FDMA（DFT-S-OFDMA）被用来处理传输功率受限、且无法使用上行多流传输的情况。当链路预算允许使用更高阶调制和上行大规模MIMO传输时，OFDMA则是首选。当链路质量不足以支持多流传输时，5G会回退到SC-FDMA模式。SC-FDMA的原理如图所示，保留了LTE中采用的相同原理，在传输过程中每次仅发送一个符号。发送端的FFT/IFFT对使得信号能准确无误地放置在载波中的正确位置，并且无需复杂的滤波处理（遵循gNB所授予的授权）。
与LTE相比，新的5G无线通信需要能够支持以下要求：
- 更高的频段，Release 15的频段最高可达52.6 GHz，Release 17的研究考虑了最高可达114 GHz的频段。
- 更大的带宽，低频带（7.125 GHz以下）可支持最高100 MHz，超过24 GHz的频段可支持高达400 MHz的带宽。
- 更短的时延，降至亚毫秒级别。
为此，采用了更高的子载波间距（从而缩短了符号时长），特别是在更高频段和带宽更大的情况下。决定指定一组子载波间距，它们与LTE的子载波间距之间存在二的幂关系。这一方法旨在促进多技术支持，使LTE和5G平台的共同使用更加高效，兼容的采样率使得多模实现更加经济。子载波间距的范围从15 kHz到240 kHz（适用于最高120 kHz的数据）。较小的子载波间距适用于7.125 GHz以下的频段（频段1，FR1），而较高的子载波间距适用于24 GHz以上的频段（FR2），因为较高频段对相位噪声的容忍度较好。FR1的边界直到2018年12月才从6 GHz提高到7.125 GHz，以覆盖一些地区扩展到6 GHz以上的未授权5 GHz频段。FR1范围的最低部分低至410 MHz。
基本的思路是减少OFDM符号在时域中的持续时间，从而增加子载波间距。例如，将符号速率提高到LTE符号速率的两倍，就能得到30 kHz的子载波间距。如果保持每个子帧的符号数不变，那么传输时间间隔（调度间隔）将为0.5 ms。通过使用N作为乘数，并保持二的幂关系（即2、4、8和16），可以实现与LTE兼容的多模基站（BTS）实现。如果保持LTE中使用的15 kHz子载波间距和符号持续时间不变，仅增加子载波数目，那么接收器和发射器端将产生非常大的FFT大小，这是不理想的。此外，随着频率的增加，相位噪声会导致子载波变得非正交，从而降低系统性能，甚至在更高频段下无法工作。与此同时，15 kHz子载波间距无法实现更短的符号持续时间。
另一种实现更短时延的方法是引入小时隙（mini-slot），即使用最低为2、4或7个符号的分配。除了降低时延外，使用小时隙还将简化混合波束赋形的处理，后续章节将对此进行详细解释。
使用更高频段还会受到相位噪声增加的影响。载波频率越高，产生的相位噪声越大，如图示例所示。因此，为了在更高频率下使用OFDM，增加子载波间距也是必须的。特别是，否则使用更高阶调制会变得非常困难，因为系统设计将限制能够实现的最大信噪比（SNR）。例如，图6.3所示的CMOS振荡器，在进入10-30 GHz频率范围时，使用15 kHz子载波间距时将表现出严重的性能下降。因此，使用6 GHz以下频段的5G部署将使用15或30 kHz的子载波间距，而24 GHz以上的频段将使用120 kHz的子载波间距。
所有这些因素自然会推动5G无线设计采用更高的子载波间距和更短的符号时长。由于5G需要覆盖的频谱范围非常广，因此单一的数值表示法（numerology）无法以最优的方式服务于所有情况，在某些情况下甚至无法覆盖所有场景；因此，需要不同的参数化设置来适应不同的操作场景。使用15 kHz子载波间距提供了最大的循环前缀，这在低频带的大范围小区中可能是必需的。
另一个需要考虑的子载波间距选择方面是可以使用的最大带宽。如表6.1所示，15 kHz子载波间距支持最大50 MHz的载波带宽（实际上会留下未使用的保护带）；同样，30 kHz子载波间距支持最大100 MHz的载波带宽。如表6.2所示，实际占用的带宽现在比LTE略大（尽管并非所有情况下都如此）。5G的数值表示法允许使用4k FFT大小进行实现，以保持合理的复杂度。LTE的信道占用率固定为90%，而5G的信道占用率则根据带宽和子载波间距的不同而变化。在某些情况下，信道占用率约为95%，而在其他情况下，则比LTE更差。
对于更高频段，LTE显然无法作为参考，因为LTE无法在这些频段内工作。对于26 GHz和28 GHz范围，最多可以操作400 MHz的带宽，而Release 15 UE的最低要求是200 MHz。因此，例如，如果希望为这类UE提供服务，则800 MHz的带宽需要通过200 MHz的载波进行操作。频段2（FR2）的信道占用数据见表6.3。正如表6.3所示，在必须使用200 MHz带宽的情况下，无论是60 kHz还是120 kHz子载波间距，信道占用率约为95%。预计实际的相位噪声性能将限制在更高频率下使用60 kHz子载波间距。
二、物理信道和信号
在Release 15中，L1信道定义了以下下行链路信道：
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物理下行链路控制信道（PDCCH）：仅承载L1下行链路控制信息（DCI），并且只使用正交相位调制（QPSK）。PDCCH传输使用1个或多个控制信道元素（最多16个），这允许根据链路条件调整每次PDCCH传输使用的物理层资源。基本上，这为PDCCH传输提供了链路适应能力。
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物理下行共享信道（PDSCH）：承载用户数据以及更高层（如MAC及以上）的控制信息。PDSCH提供物理层来传输下行共享信道（DL‐SCH），DL‐SCH承载来自更高层的信息。此外，分页信道（PCH）也承载在PDSCH上。PDSCH可以使用QPSK、16-QAM、64-QAM或256-QAM调制。PDSCH的分配及用于PDSCH传输的其他参数通过PDCCH信令传输。
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物理广播信道（PBCH）：承载使用户设备（UE）能够接入5G网络所需的系统信息。如第7章所述，5G引入了“按需系统信息”的概念：仅广播必要的系统接入信息（周期性广播），而其他系统信息则仅在需要时提供。广播信道（BCH）被映射到PBCH上。PBCH的调制方式为QPSK。BCH与主同步信号（PSS）和副同步信号（SSS）一起组成了同步信号块（SS Block），这是5G的基本结构，支持波束赋形操作以及小区搜索和系统接入等功能。SS Block如图所示。
如图所示PDCCH位于PDSCH之前，这使得PDCCH能够承载关于PDSCH下行链路调度的信息。此外，上行链路分配通常通过PDCCH信令传输。PDCCH和PDSCH的相对位置是，在下行链路中，PDCCH始终位于PDSCH之前。如本章后续所述，PDCCH还可以承载除下行链路或上行链路分配之外的其他信息。
在上行链路方面，提供了以下信道：
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物理上行链路控制信道（PUCCH）：承载L1控制信息（当没有PUSCH分配时），包括混合自动重传请求（HARQ）反馈以及信道状态信息（CSI）。PUCCH的调制方式为QPSK，或者在某些情况下也可以使用Pi/2‐BPSK。PUCCH有不同类型，可以分为短PUCCH和长PUCCH，如图6.6所示。
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物理上行共享信道（PUSCH）：承载用户数据以及更高层和L1控制信息。上行共享信道（UL‐SCH）映射到PUSCH。PUSCH使用与PDSCH相同的调制方式（QPSK、16‐QAM、64‐QAM和256‐QAM），但Pi/2‐BPSK也作为可选调制方式被包括在内。Pi/2‐BPSK的使用最初在LTE开发期间的Release 8研究中进行了研究[1]，但当时未包含在规格中，因为LTE已经能够通过QPSK达到类似的覆盖效果。
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物理随机接入信道（PRACH）：用于启用随机接入过程。对应的传输信道是随机接入信道（RACH）。
除了物理信道外，Release 15还定义了以下物理信号：
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解调参考信号（DM‐RS）：用于辅助信道估计。需要注意的是，与LTE不同，5G中没有公共参考信号（CRS）的概念。DM‐RS在上行和下行方向上都有使用。正如后文所述，DM‐RS的数量可以根据环境的不同而变化，即是否存在高速UE。
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相位跟踪参考信号（PT‐RS）：在高频段使用（如果网络配置了该信号）。PT‐RS在频域内周期性重复，同时继续传输已知数据序列。它能够减少接收端的公共相位误差（相位噪声补偿）。PT‐RS在上下行方向上都可以使用。
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信道状态信息参考信号（CSI‐RS）（下行）：也称为允许UE进行CSI测量报告的信号。与LTE类似，CSI‐RS的位置在时间和频率域内是已知的，反馈对于在gNB中的频域调度是必要的。
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PSS和SSS：PSS与SSS一起形成物理小区ID。PSS有三种不同的序列，SSS有336种不同的序列，因此它们共同创建了1008个不同的物理小区ID。PSS和SSS与PBCH一起传输，如图6.4所示。所谓的SS块，也称为与波束成形相关的扫频子帧，持续四个符号。
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探测参考信号（SRS）：用于上行方向，支持上行频域调度。SRS在频分双工（FDD）情况下特别有用，因为在这种情况下没有信道互易性，但它在时分双工（TDD）情况下也有用，因为分配通常不会覆盖整个频带。
四、5G帧结构的基本结构
5G的帧结构与LTE结构不同。主要区别在于上行链路和下行链路符号分配的灵活性更大。符号可以配置为基本的下行、上行或灵活（对于TDD操作）。在理想情况下，一切应该是动态的，但在实际的5G网络中，邻近小区之间需要对上行下行分配进行对齐；此外，在Release 15中，假设在相同的图形区域内的运营商在使用相同的TDD频段时会使用对齐的上行下行分配。图中展示了在处理仅5G频段时的一些配置示例。如果LTE也使用相同的TDD频段，则需要更偏向下行的配置。5G自然也支持FDD操作，这在低频段下是必须的。在这种情况下，上行和下行资源始终可用。
除了灵活性外，差异的另一个驱动因素是流水线处理的使用，以及假设不应将整个载波带宽用于控制信令，因为在某些情况下，整个载波带宽对于所有UE类型来说可能过于庞大。5G启用了流水线处理，通过将参考信号放置在帧的前面，例如在第二个符号中（第一个符号用于控制信息），从而避免在实际解码开始之前必须接收整个时隙。这与高效的信道编码（见后文关于5G信道编码与数据传输的部分）结合，使得低延迟操作成为可能。
帧结构还取决于子载波间距。如果子载波间距为15 kHz，则子帧持续时间为1 ms，这是最小调度间隔。如果子载波间距变小，则时隙持续时间（及最小调度间隔）也会变小，如图所示。典型的子载波间距为15 kHz（适用于1 GHz以下频段）、30 kHz（适用于3.5 GHz频段）以及120 kHz（适用于26/28 GHz频段）。60 GHz子载波间距并不被第一阶段5G设备支持（这是一个可选的UE特性）。
在下行方向，第一个符号携带PDCCH，其余的帧部分携带PDSCH。在PDCCH部分之后跟随DM‐RS。在图中所示的示例中，只有一个DM‐RS实例，即所谓的前加载DM‐RS。在高移动性环境下，需要在时隙后期添加额外的DM‐RS。
除了使用14个符号的“常规”帧结构分配外，还有一种称为小时隙（mini-slot）的方法。在小时隙结构中，可以分配2、4或7个符号，而不是14个符号。这允许即使在15 kHz子载波间距下，也能实现更短的时延，否则该间距会使用1毫秒的分配周期。在非常高的频段使用小时隙还可以避免在使用混合波束成形时，传输在14个符号的持续时间内“锁定”到一个方向。波束成形操作的更多细节将在本章后面进行说明。下图展示了小时隙结构的示例。
有一种特殊的帧结构，称为自包含子帧（self-contained sub-frame）。自包含子帧的目的是通过在子帧本身预留空间来减少延迟，从而为反馈信令提供空间。如图所示，在下行数据传输完成后，会有一些空闲符号，接着是一个小量的上行控制信息（UCI）传输。这可以在用户设备（UE）解码速度足够快的情况下，提供比常规TDD设置下更快的反馈，因为在常规TDD设置中，必须等待下一个空闲的上行资源。第一阶段的网络和设备并不预计支持自包含子帧，因为基于Release-15的TDD部署假设TDD网络在运营商之间是同步的，确保了上行和下行的分离。如果同频带的其他运营商不使用这一特性，那么上行/下行干扰可能无法支持这一功能，除非在一些隔离的部署环境中，或在不同运营商基站之间的最小耦合损耗较大时。自包含子帧的使用场景主要适用于工业物联网（IoT）类型的应用。
四、 5G信道结构与波束赋形基础
波束赋形的关键之一是扫频子帧。每个包含四个符号的下行扫频子帧由PSS、SSS和PBCH组成。这种结构通常被称为SS块（SS Block）。SS块是用户设备（UE）从基站进行测量以及接入网络的基础。此外，波束赋形中的波束识别是基于对SS块的检测和测量进行的。在波束扫频操作中，同步块会重复多次，如图所示。在低频带（低于2.5 GHz）下，通常最多支持4个波束（15 kHz或30 kHz子载波间距），而在频带高达6 GHz的情况下，最多支持8个波束。对于毫米波频段，120 kHz或240 kHz的子载波间距使得最多可以支持64个波束。由于在更高的子载波间距下，符号持续时间较短，即使在更高频率带宽中使用更多波束，所需的同步块序列持续时间仍然保持合理。
在波束赋形操作中，SS块会在扫频子帧中为每个波束重复一次。其目的是让用户设备（UE）识别出接收到的最佳波束，并为gNB提供相应的反馈。
3GPP引入了一些重要的波束赋形概念，其中一个基本方面是波束对应性（beam correspondence）。波束对应性指的是UE具备的能力，即在上行链路中发送到与其在下行链路中测得的最佳波束方向相对应的波束方向。当UE能够使用多组天线时，这一点显得尤为重要，这种情况在24 GHz以上的频段（3GPP频率范围2）中更为常见。3GPP规范定义了波束对应性的概念，并区分了两种不同类型的UE：
- 不需要上行波束扫频即可满足波束对应性的UE。
- 需要上行波束扫频以满足波束对应性要求的UE。这些UE需要支持上行波束管理功能。
图中展示了一个上行波束扫频的示例。
MIMO传输的预期顺序也会因频段的不同而有所变化。随着频率的升高，UE能够处理更多天线，但在进入毫米波（mmW）范围时，支持的MIMO层数并没有增加；相反，如图所示，在毫米波频段，UE通常只支持最多两层MIMO，即使天线数量可能更多。这是因为在典型的28 GHz范围部署案例中，由于小型小区半径，系统的可用分集度较低。因此，3GPP规范对UE能力作出了如下定义：
- 低于2.3 GHz的频段：UE支持两根接收天线。
- 高于2.3 GHz的频段：UE支持四根接收天线。
- 高于24 GHz的频段：仅需支持两条MIMO流。
这些定义将影响可实现的峰值数据速率，本章稍后会对此进行讨论。然而，支持毫米波频段（24 GHz或更高）的UE预计在传输中具有定向能力，允许UE从其天线组中选择不同的传输方向。由于毫米波频段的天线尺寸非常小，一些UE可能会有两组或更多天线组，因此具有在天线组之间切换的能力。
使用迷你时隙结合混合波束成形，可以为特定方向保留更短时间的传输资源，相比于使用完整的14符号时隙。这提高了资源利用效率，特别是在较小的数据包大小和时长情况下。
五、随机接入
5G的随机接入支持不同的PRACH格式和数值法，以应对不同的部署场景。随机接入序列本身基于Zadoff-Chu序列：
- 序列长度 L = 839，子载波间隔为1.25 kHz和5 kHz。该序列可用于非常大的小区（最大覆盖100公里）。
- 序列长度 L = 139，子载波间隔为15、30、60和120 kHz。这些提供了适用于不同覆盖情况的解决方案。
波束成形操作对RACH过程有影响。一旦UE从最强的SS块中检测到小区，它需要使用与UE最佳波束方向相对应的RACH资源。因此，UE需要建立波束关联，如图所示。否则，gNB可能无法正确接收UE，并且在下行链路中不会使用正确的波束方向来响应PRACH。与LTE相比，UE需要在时间、频率和空间域中正确选择资源。
如果UE没有收到PRACH前导码的响应，它将使用功率提升程序，在下一个合适的资源上传输更高功率的前导码。gNB将基于PRACH检测使用波束方向，直到从UE收到进一步的测量数据以进行波束调整。