5G New Radio (NR)

1. Wymagania 5G NR wykraczające poza interfejs radiowy LTE

Interfejs radiowy 4G LTE był ważną platformą dla usług mobilnych swoich czasów. Oparty na technologii OFDMA w łączu w dół i SC-FDMA w łączu w górę, zapewnił wydajną obsługę mobilnego internetu szerokopasmowego. Wraz z projektowaniem następnej generacji ujawniło się, że jego stała struktura nie odpowiada zróżnicowanym wymaganiom przyszłych usług. Pojęcie komunikacji mobilnej obejmowało już także urządzenia, czujniki i zastosowania krytyczne, nie same szybsze smartfony.

Ograniczenia interfejsu radiowego LTE wynikały z projektu typu "jeden rozmiar dla wszystkich". Kluczowe parametry sygnału były stałe i zoptymalizowane głównie pod kątem mobilnego internetu szerokopasmowego. Na przykład odstęp między podnośnymi wynosił $15$ kHz, a struktury ramek i szczelin pozostawały w dużej mierze nieelastyczne. Taki projekt dobrze obsługiwał szybkie dane w telefonach, lecz nie odpowiadał wszystkim zastosowaniom rozwijanym wraz z 5G:

• Komunikacja o Ultrawysokiej Niezawodności i Niskich Opóźnieniach (URLLC): W zastosowaniach krytycznych, takich jak autonomiczne pojazdy czy zdalna chirurgia, rozważa się opóźnienia rzędu pojedynczych milisekund. Stała struktura czasowa LTE ograniczała możliwości tak krótkich transmisji i elastycznego planowania.
• Masowa Komunikacja Maszynowa (mMTC): Internet Rzeczy (IoT) wymaga łączności dla miliardów prostych czujników o niskim poborze mocy. Przykładowy profil takiego urządzenia obejmuje kilka bajtów danych tygodniowo i pracę przez około dekadę na baterii, więc pełne możliwości radia LTE były dla niego kosztowne energetycznie.
• Zróżnicowane Pasma Widma: Rozwój mobilnego internetu szerokopasmowego (eMBB) wymagał wykorzystania nowych, szerokich bloków widma, także w zakresie fal milimetrowych. W specyfikacjach NR pasma opisuje się jako FR1 i FR2. Przykładowe aktualne zakresy urządzeń obejmują FR1 od $410$ MHz do $7125$ MHz, FR2-1 od $24250$ do $52600$ MHz oraz FR2-2 od $52600$ do $71000$ MHz. Parametry LTE projektowane głównie dla niższych pasm nie uwzględniały wszystkich właściwości sygnałów mmWave.

Potrzebny był bardziej elastyczny interfejs radiowy, który można konfigurować dla różnych usług i pasm częstotliwości. Tak powstało 5G New Radio (NR), rozwijane w kolejnych wydaniach 3GPP.

2. Konfigurowalność interfejsu 5G NR

5G NR rozdziela konfigurację interfejsu na parametry radiowe, numerologie, formaty szczelin i szerokości pasma. 3GPP opisuje te elementy jako zestaw możliwości wybieranych dla pasma, usługi i wdrożenia. Konkretne urządzenie i sieć obsługują tylko podzbiór tych parametrów, określony przez wydanie oraz profil.

Konfigurację opisują cztery praktyczne aspekty:

• Zakresy częstotliwości: 3GPP definiuje dla NR zakres FR1 od $410$ MHz do $7125$ MHz, FR2-1 od $24250$ do $52600$ MHz oraz FR2-2 od $52600$ do $71000$ MHz. Konkretne pasma i obsługa urządzenia zależą od wydania oraz profilu radiowego.
• Elastyczna Numerologia Fali Radiowej: NR wykorzystuje elastyczny zestaw parametrów, nazywany numerologią, zamiast jednej stałej konfiguracji radiowej. Parametry można dobierać pod kątem opóźnienia, niezawodności lub efektywności widmowej.
• Zunifikowany Interfejs Radiowy dla Wszystkich Usług: 5G NR zapewnia pojedynczą, zunifikowaną platformę radiową, która może efektywnie obsługiwać wszystkie trzy podstawowe przypadki użycia 5G (eMBB, URLLC i mMTC).
• Ewolucja wydań: Kolejne wydania mogą dodawać funkcje, pasma częstotliwości i typy usług. Kompatybilność konkretnego urządzenia z siecią zależy od wspólnego podzbioru obsługiwanych wydań, pasm i procedur.

3. Numerologia 5G NR i odstęp między podnośnymi

Jedną z najważniejszych koncepcji interfejsu radiowego 5G NR jest elastyczna numerologia. W kontekście fali radiowej numerologia oznacza parametry definiujące jej strukturę w czasie i częstotliwości. LTE korzystało z jednej podstawowej numerologii, natomiast 5G NR definiuje rodzinę skalowalnych numerologii.

Czym Jest Numerologia?

Fala radiowa 5G NR opiera się na OFDM (Ortogonalnym Multipleksowaniu z Podziałem Częstotliwości). W łączu w dół stosuje się CP-OFDM, a w łączu w górę CP-OFDM lub DFT-s-OFDM, zależnie od konfiguracji. Numerologia jest opisywana przez Odstęp Między Podnośnymi (SCS). Zmiana SCS wpływa odwrotnie na czas trwania innych parametrów fali:

• Czas Trwania Symbolu: Okres czasu używany do przesłania jednego symbolu OFDM. Jeśli podwoisz odstęp między podnośnymi, czas trwania symbolu skraca się o połowę.
• Czas Trwania Prefiksu Cyklicznego (CP): Mała kopia końca symbolu OFDM, która jest dołączana na jego początku. CP działa jak interwał ochronny, zapobiegając interferencji międzysymbolowej spowodowanej opóźnieniami wielodrogowymi. Jego czas trwania również skaluje się odwrotnie do SCS.

Skalowalne Numerologie 5G NR

5G NR definiuje zestaw numerologii opartych na skalowaniu podstawowego odstępu 15 kHz z LTE przez potęgi dwójki. Standard określa parametr $\mu$ (mi) do zdefiniowania SCS:

W rezultacie otrzymujemy następujące główne numerologie:

4. Kompromisy: Dopasowanie Numerologii do Usługi

Wybór numerologii wiąże się z kompromisami między opóźnieniem, efektywnością i odpornością na warunki kanału. Dobór konfiguracji pozwala dopasować 5G NR do konkretnego zadania.

5. Struktura Ramki 5G NR: Zasoby Czasowe i Częstotliwościowe

5G NR organizuje swoje zasoby radiowe w elastyczną siatkę czasu i częstotliwości, zapewniając strukturę do planowania transmisji danych.

Domena Czasu: Ramki, Podramki i Szczeliny

Podstawowa struktura czasowa jest zbudowana wokół ramki radiowej o długości $10$ ms, tak jak w LTE. Jednak sposób, w jaki ta ramka jest dzielona, jest znacznie bardziej elastyczny.

• Ramka Radiowa: Największa jednostka czasu, stała na długość $10$ ms.
• Podramka: Każda ramka jest podzielona na 10 podramk o długości $1$ ms każda.
• Szczelina (Slot): I tu wchodzi w grę elastyczność numerologii. Podramka składa się z jednej lub więcej szczelin. Liczba szczelin na podramkę zależy od używanego odstępu między podnośnymi:
  • Przy SCS 15 kHz ($\mu=0$), jest 1 szczelina na podramkę.
  • Przy SCS 30 kHz ($\mu=1$), są 2 szczeliny na podramkę.
  • Przy SCS 60 kHz ($\mu=2$), są 4 szczeliny na podramkę.
  • Przy SCS 120 kHz ($\mu=3$), jest 8 szczelin na podramkę.
• Symbole OFDM: W najczęstszej konfiguracji każda szczelina składa się z 14 symboli OFDM. Rzeczywisty czas trwania tych 14 symboli staje się krótszy w miarę wzrostu SCS.
• Mini-Szczeliny (Mini-Slots): Aby wspierać małe opóźnienia dla URLLC, 5G NR pozwala zaplanować transmisję na mniejszej liczbie symboli niż pełna szczelina. Przykładowe formaty obejmują 2, 4 lub 7 symboli OFDM, więc sieć może rozpocząć transmisję przed dostępnością pełnej 14-symbolowej szczeliny.

6. Domena Częstotliwości: Bloki Zasobów i Części Pasma (BWP)

Wymiar częstotliwościowy siatki radiowej również można konfigurować.

• Blok Zasobów (RB): Najmniejsza jednostka zasobów częstotliwościowych, która może być przydzielona użytkownikowi, to Blok Zasobów. RB składa się z 12 sąsiadujących podnośnych. Dla danej numerologii wszystkie 12 podnośnych w RB mają ten sam odstęp. Scheduler w gNB przydziela dane użytkownikom w jednostkach RB i szczelin.
• Część Pasma (BWP - Bandwidth Part): BWP jest podzbiorem bloków zasobów skonfigurowanych dla urządzenia. W porównaniu z LTE ograniczenie aktywnie przetwarzanego pasma może zmniejszyć pobór energii, gdy aktywna BWP jest węższa od nośnej. Konkretne możliwości zależą od konfiguracji urządzenia i sieci. Sieć może skonfigurować jedną lub więcej BWP, a urządzenie monitoruje aktywną BWP zamiast całej szerokości nośnej. Na przykład na nośnej o szerokości $100$ MHz urządzenie o małej aktywności może korzystać z BWP o szerokości $20$ MHz. Przy większym zapotrzebowaniu sieć może przełączyć je na szerszą BWP, nawet do $100$ MHz w tym przykładzie. Taki mechanizm może oszczędzać baterię i ułatwiać projektowanie urządzeń o ograniczonym paśmie odbiornika. Dla komórki obsługującej można skonfigurować kilka BWP, z których w danym kierunku aktywna jest jedna, więc przykład opisuje wybór planistyczny, nie automatyczną gwarancję oszczędności energii.