《5G物理层》课件

物理层技术5G5G通信基础理论与关键技术解析，深入探讨新空口（NR）物理层设计与实现原理本课程基于2025年最新技术标准，全面介绍5G物理层的核心技术要素、系统架构和性能优化方法，为理解和掌握5G通信技术奠定坚实基础课程目标与内容安排1掌握物理层关键技术原理5G深入理解5G NR物理层的设计理念、技术特点和实现方法2理解无线帧结构与参数设置5G学习灵活的帧结构设计和多样化的子载波间隔配置3分析物理信道与物理信号5G掌握各种物理信道和参考信号的功能、特点及应用场景4学习调制与编码技术5G了解LDPC码、Polar码等先进编码技术和高阶调制方案第一部分物理层概述5G网络架构回顾物理层在协议栈中的位置设计目标与挑战5G了解5G端到端网络架构，包括核心分析物理层在整个5G协议栈中的关探讨5G物理层面临的技术挑战和需网、接入网和终端设备的组成部分及键作用，以及与上层协议的接口定要达成的性能指标要求其相互关系义网络架构回顾5G无线接入网架构演进三级架构体系BBU拆分为CU（集中单元）和CU负责非实时协议栈功能，DU（分布单元）两个功能实DU负责实时协议栈处理，AAU体，实现了更灵活的部署和更负责射频和天线功能这种分高效的资源利用RRU与天线层架构支持云化部署，提高了合并为AAU（有源天线单网络的灵活性和扩展性元），简化了站点建设和维护物理层功能分布物理层功能在不同网元上的合理分布，实现了计算资源的优化配置和处理时延的有效控制，为5G高性能指标的实现提供了架构基础物理层在协议栈中的位置5G应用层与服务层提供各种5G应用服务PDCP/RLC/MAC层数据包处理和调度控制物理层（PHY）信号调制、编码和传输射频层（RF）模拟信号处理和天线传输物理层作为协议栈的最底层，负责将上层数据转换为可在无线信道上传输的电磁信号它与MAC层通过传输块交换数据，与射频层通过基带信号接口连接控制面和用户面在物理层具有相同的基本结构，但在信道配置和参数设置上有所区别物理层设计目标5G16+频谱效率bit/s/Hz以上的频谱利用率1ms超低时延空口端到端传输时延1M海量连接每平方公里连接设备数

99.999%高可靠性关键任务通信可靠性保障5G物理层设计围绕三大典型应用场景展开增强移动宽带（eMBB）追求极致的数据传输速率，超可靠低延迟通信（URLLC）关注任务关键型应用，海量机器类通信（mMTC）支持物联网规模化部署这些目标要求物理层在频谱效率、时延、连接密度和可靠性等多个维度实现突破性提升第二部分物理层结5G NR构灵活帧结构多样化子载波增强MIMO支持多种子载波间隔从15kHz到240kHz大规模MIMO和高级和时隙配置，适应不的多级子载波间隔设波束成形技术应用同应用场景需求计高频段支持支持毫米波频段的物理层设计优化与物理层比较5G NR4G LTE技术特性4G LTE5G NR子载波间隔15kHz固定15-240kHz可变帧结构固定10ms帧灵活时隙配置频段支持6GHz以下sub-6GHz+毫米波MIMO技术最多8×8大规模MIMO波束成形基本波束成形高级数字波束成形编码技术Turbo码LDPC+Polar码5G NR在物理层设计上相比4G LTE实现了全面升级最显著的改进包括灵活的数值参数配置、对高频段的原生支持、先进的多天线技术和新的信道编码方案，这些技术创新为5G的性能提升奠定了坚实基础帧结构概述5G NR帧（Frame）110ms，系统基础时间单位子帧（Subframe）21ms，包含可变数量时隙时隙（Slot）314个OFDM符号组成OFDM符号4最小传输时间单位5G NR采用了更加灵活的帧结构设计一帧固定为10ms，包含10个1ms的子帧每个时隙固定包含14个OFDM符号，但时隙的持续时间随子载波间隔变化这种设计既保持了与LTE的向后兼容性，又为不同应用场景提供了灵活的时间域资源配置能力子载波间隔设计5G NR60kHz毫米波频段应用30kHz120kHz中等频段主要配置超高频段和低延迟场景15kHz240kHz3基础子载波间隔，兼容LTE特殊高频应用场景2415子载波间隔的选择直接影响OFDM符号长度和系统性能较大的子载波间隔缩短了符号持续时间，有利于降低延迟和抵抗相位噪声，适合毫米波频段；较小的子载波间隔延长了符号时间，提高了频谱效率和覆盖能力，适合低频段广覆盖场景这种多样化设计使5G能够灵活适应不同的部署环境和应用需求第三部分波形技术5G NR波形技术选择分析CP-OFDM和DFT-s-OFDM两种主要波形技术的特点和适用场景设计考虑因素探讨功率效率、复杂度、兼容性等关键设计因素的权衡应用场景配置学习不同链路方向和应用场景下的最优波形选择策略波形原理CP-OFDM基础原理OFDM1正交频分复用技术基本概念循环前缀设计2抵抗多径干扰的关键技术信号处理流程3发送和接收端的数字信号处理CP-OFDM是5G NR的主要波形技术循环前缀的加入有效消除了符号间干扰和载波间干扰，使系统能够在多径衰落信道中稳定工作其数学模型基于离散傅里叶变换，通过并行传输多个子载波实现高速数据传输5G中的CP-OFDM在保持基本原理不变的基础上，增加了灵活的参数配置能力，支持多种子载波间隔和帧结构波形原理DFT-s-OFDM扩展子载波映射DFT在频域对数据符号进行DFT变换扩展将扩展后的符号映射到指定子载波功率优化处理IFFT实现较低的峰均功率比特性通过IFFT生成时域OFDM符号DFT-s-OFDM结合了SC-FDMA的低PAPR特性和OFDM的频域处理优势通过DFT预编码，将时域数据符号变换到频域，再进行子载波映射和IFFT处理这种设计显著降低了信号的峰均功率比，提高了功率放大器效率，特别适合上行链路传输中功率受限的移动终端使用波形技术对比与应用场景下行链路应用上行链路应用性能权衡考虑主要采用CP-OFDM波形，利用其优同时支持CP-OFDM和DFT-s-需要在功率效率、频谱效率、实现复秀的频谱效率和多径抗性基站端功OFDM对于功率受限的终端，杂度之间进行平衡不同的应用场景率充足，PAPR不是主要限制因素，DFT-s-OFDM的低PAPR特性更有和设备能力要求选择最适合的波形技CP-OFDM的高频谱效率和实现简单优势；对于高数据速率需求，CP-术组合性成为主要优势OFDM提供更好的频谱效率第四部分物理资源5G NR1资源元素（）RE最小的时频资源单位，由一个子载波和一个OFDM符号组成2物理资源块（）PRB12个连续子载波在一个时隙内组成的资源单元3资源调度基于PRB进行的动态资源分配和调度决策物理资源块（）定义PRB频域组成时域定义每个PRB在频域上由12个连在时域上，PRB的持续时间续的子载波组成，无论子载等于一个时隙的长度，包含波间隔如何变化，PRB的子14个OFDM符号随着子载载波数量始终保持不变这波间隔的增加，时隙持续时种设计确保了不同数值参数间相应缩短，但符号数量保下的一致性和兼容性持恒定调度粒度PRB是5G NR中最小的可调度资源单元调度器以PRB为基本单位分配频域资源，为用户提供灵活高效的资源管理和质量保障机制资源元素（）与资源组（）RE REG资源元素定义一个子载波一个符号时间的交叉点资源组构成多个RE组成REG用于控制信息传输映射规则不同信道和信号的RE映射策略资源优化最大化频谱利用率和传输可靠性资源元素是5G物理层资源的最小单位，用于承载调制符号、参考信号或保持空闲资源组将多个RE聚合，主要用于控制信道的传输，提供了控制信息的可靠传输和灵活配置合理的资源映射规则确保了数据、控制信息和参考信号之间的有效协调，最大化整体系统性能物理资源网格结构时域结构频域结构控制区域时隙、迷你时隙和符基于PRB的频域资源动态配置的控制信道号级的灵活时间域配分配，支持连续和非区域，根据系统负载置，支持不同延迟要连续的频域资源配置和QoS需求灵活调整求的应用场景模式数据区域用户数据传输的主要区域，支持多用户复用和MIMO传输资源调度原理1ms时隙调度标准调度周期2-7迷你时隙符号数量范围12PRB子载波频域调度单位1μs最小延迟理论调度间隔5G NR的资源调度具有高度的灵活性和效率调度器可以在时隙级别进行常规调度，也可以使用迷你时隙实现低延迟传输频域调度以PRB为基本单位，支持用户间的高效复用动态调度与半静态配置相结合，在保证系统灵活性的同时降低信令开销先进的调度算法综合考虑信道质量、QoS需求和公平性，实现最优的资源利用效果第五部分物理信道与物理信号5G NR下行物理信道上行物理信道12PDSCH、PDCCH、PBCH PUSCH、PUCCH、PRACH上行物理信号下行物理信号43DMRS、SRS、PTRS同步信号、参考信号5G NR的物理信道承载高层数据和控制信息，而物理信号则提供同步、信道估计和测量等辅助功能合理的信道设计和信号配置是实现5G高性能指标的关键基础，需要在容量、覆盖、延迟和可靠性之间实现最优平衡下行物理信道物理下行共享信道物理下行控制信道（）（）PDSCH PDCCH承载用户数据和高层信令传输下行控制信息，包括的主要信道，支持自适应调度分配、功率控制命令调制编码和HARQ机制，等，采用聚合等级和盲检实现高效的数据传输和错测机制提高可靠性误恢复物理广播信道（）PBCH广播系统信息，与同步信号块一起传输，为终端提供小区接入的基本参数信息上行物理信道物理上行共享信道（）PUSCH上行数据传输的主信道物理上行控制信道（）PUCCH上行控制信息传输物理随机接入信道（）PRACH随机接入前导码传输上行物理信道的设计充分考虑了移动终端的功率限制和多用户接入需求PUSCH支持码本和非码本传输模式，PUCCH提供多种格式适应不同的控制信息负载，PRACH支持多种前导码格式满足不同覆盖和延迟需求这些信道的协调工作确保了上行链路的高效可靠传输下行物理信号同步信号参考信号类型资源映射策略主同步信号（PSS）和辅同步信号解调参考信号（DMRS）用于信道估各类信号在资源网格中的映射遵循特（SSS）提供时频同步和小区识别功计，相位跟踪参考信号（PTRS）补定规则，避免相互干扰的同时最大化能PSS基于m序列，SSS采用组合偿相位噪声，信道状态信息参考信号频谱效率灵活的配置参数适应不同序列设计，支持1008个物理层小区（CSI-RS）支持信道测量和波束管的部署场景和性能需求标识理上行物理信号解调参考信号（DMRS）为上行数据和控制信道提供信道估计，支持多端口传输和码本/非码本预编码模式相位跟踪参考信号（PTRS）补偿高频段应用中的相位噪声影响，密度可根据调制阶数和频段特性动态配置探测参考信号（SRS）用于上行信道质量测量、波束管理和定位服务，支持周期性和非周期性传输上行参考信号的设计考虑了移动终端的功率限制和多天线配置DMRS采用序列跳变技术提高抗干扰能力，PTRS在毫米波场景下尤为重要，SRS为网络侧的调度和波束管理提供关键信息这些信号的协同工作保障了上行传输的质量和效率第六部分参考信号设计5G NR按需设计1根据实际需求配置参考信号前向兼容2支持未来技术演进和扩展干扰管理3小区间参考信号协调优化场景适配4不同部署环境的灵活配置5G NR参考信号设计摒弃了4G中始终发送公共参考信号的做法，采用按需配置的灵活机制这种设计显著降低了参考信号开销，提高了频谱效率，同时为未来的技术演进预留了充足的设计空间智能的干扰管理和场景适配能力使5G能够在各种复杂环境中保持优异性能参考信号设计原则按需设计原则前向兼容性考干扰管理与协虑调仅在需要时配置和传输参考信设计框架支持未通过序列设计和号，避免不必要来新功能的引资源配置实现小的开销，显著提入，为技术演进区间干扰抑制，高频谱利用效率提供充足的扩展提高系统整体性空间和灵活性能场景适配配置根据不同的部署场景和应用需求，提供灵活的参数配置和优化策略详细设计DMRS序列生成资源映射基于Zadoff-Chu序列和Gold序列，支持Type A和Type B两种映射模提供良好的相关性和抗干扰特性式，适应不同的传输场景密度优化多端口支持在信道估计精度和参考信号开销之间支持最多12个DMRS端口，满足大规实现最优平衡模MIMO系统需求DMRS的密度和配置可根据信道条件、移动速度和MIMO配置动态调整在码本传输中提供预编码矩阵指示，在非码本传输中支持透明的空间复用先进的序列跳变和正交序列设计有效抑制小区间干扰，保障多用户场景下的信道估计质量详细设计CSI-RS波束管理应用灵活配置能力在毫米波频段进行波束扫描、波束细化获取流程CSI支持1到32个端口的灵活配置，传输周期和波束跟踪，实现最优的波束对准和链通过周期性或非周期性CSI-RS传输，终从4个时隙到640个时隙可调，适应不同路质量维护端测量信道特性并反馈信道状态信息，的信道变化速度支持自适应传输优化详细设计PTRS1相位噪声影响高频段和高阶调制下相位噪声严重影响系统性能2PTRS密度配置根据调制阶数和频段特性动态调整PTRS密度3跟踪算法实时估计和补偿相位噪声变化4性能提升显著改善高频段高阶调制的传输质量PTRS的引入是5G支持毫米波频段的关键技术之一其密度配置遵循自适应原则低阶调制时密度较低，高阶调制时密度增加；低频段可选配置，高频段强制配置智能的相位跟踪算法结合DMRS提供的信道估计，实现对相位噪声的精确补偿，确保高频段通信的稳定可靠第七部分调制与编码5G NR调制技术演进编码技术创新自适应机制从π/2-BPSK到1024QAM的多级调数据信道采用LDPC码，控制信道采调制编码方案根据信道质量、干扰水制方案，支持不同信道条件下的最优用Polar码两种编码技术在各自适平和QoS需求动态调整，实现传输可频谱效率高阶调制在良好信道条件用场景下都能达到接近香农极限的性靠性和频谱效率的最优平衡下提供更高数据速率能表现调制方案5G NR信道编码总体框架数据信道编码控制信道编码PDSCH和PUSCH采用LDPC PDCCH、PUCCH等控制信码进行编码LDPC码在大数道采用Polar码编码Polar据块编码时性能优异，支持码在小数据块场景下性能突高效的并行译码实现，能够出，特别适合控制信息的可在接近香农极限的同时保持靠传输需求较低的实现复杂度编码率适配通过打孔、重复和速率匹配技术实现灵活的编码率调整，适应不同的信道条件和QoS需求，最大化系统吞吐量和可靠性码原理与设计LDPC数学基础基于稀疏校验矩阵的线性分组码码字构造5G NR采用准循环LDPC码结构基矩阵优化针对5G场景优化的基矩阵设计5G NRLDPC码采用两个基矩阵基图1适用于大数据块和高码率场景，基图2适用于小数据块和低码率场景准循环结构支持高效的硬件实现，迭代译码算法能够在较低复杂度下达到优异性能灵活的码率适配机制通过环形缓存器实现，支持增量冗余HARQ操作码原理与应用Polar信道极化原理码字构造过程通过递归构造将信道分化为接近完美选择最可靠的子信道传输信息位，其和完全噪声的子信道余位置为冻结位控制信道应用译码算法实现在DCI和UCI传输中提供卓越的可靠采用连续消除译码和列表译码算法性保障Polar码是首个理论上被证明能够达到信道容量的编码方案5G NR中的Polar码构造考虑了实际信道特性和硬件实现约束，通过序列设计和CRC辅助译码进一步提高性能在控制信道应用中，Polar码的短码长性能优势明显，为5G系统的可靠控制提供了关键保障第八部分多天线技术5G NRMIMO基础空间分集与复用技术原理大规模MIMO128天线以上的阵列配置波束成形数字、模拟和混合波束成形多用户MIMO空间维度的用户复用技术5G NR多天线技术在4G基础上实现了革命性突破大规模MIMO阵列提供了前所未有的空间自由度，先进的波束成形技术实现了精确的空间能量聚焦，多用户MIMO技术在空间维度上复用更多用户，这些技术的协同应用为5G的容量和覆盖提升奠定了基础技术基础回顾MIMO技术特性4G LTE5G NR基础5G NR高级最大天线数8×88×864×64+波束成形码本预编码混合波束成形全数字波束成形空间分集发送分集空间分集+复用大规模空间复用信道反馈PMI/CQI增强CSI反馈波束管理机制用户复用MU-MIMO增强MU-大规模MU-MIMO MIMO从4G到5G，MIMO技术经历了从小规模到大规模、从码本到非码本、从2D到3D的全面演进这种演进不仅在天线规模上实现突破，更在算法、反馈机制和应用模式上带来根本性变革，为5G系统容量的数量级提升提供了技术支撑大规模设计5G MIMO天线阵列配置终端侧实现计算复杂度管理能耗优化支持64T64R到终端支持2T4R到采用降维处理、块对在性能提升和功耗控256T256R的大规模4T4R配置，通过先角化预编码等算法降制之间寻求平衡，通阵列，采用2D和3D进的接收算法和有限低计算复杂度，保证过智能功率分配和天阵列拓扑结构，实现反馈机制配合网络侧实时处理性能线选择优化能效比水平和垂直维度的精大规模阵列确波束控制波束成形技术详解全数字波束成形1每个天线单元独立控制，提供最大灵活性混合波束成形2数字和模拟预编码结合，平衡性能与复杂度模拟波束成形3射频域相位调整，降低硬件复杂度波束管理机制4波束训练、跟踪和恢复的完整流程波束成形技术的选择取决于频段特性、天线规模和成本约束Sub-6GHz频段多采用全数字方案，毫米波频段倾向于混合或模拟方案波束管理包括初始接入的波束扫描、数据传输中的波束跟踪和链路恢复时的波束重选，形成了完整的波束生命周期管理体系空间复用与多用户MIMO1612最大空间流数同时服务用户单用户MIMO支持的并行数据流多用户MIMO场景下的并发用户数10x95%容量增益干扰抑制相比单天线系统的理论提升先进算法的用户间干扰抑制效果多用户MIMO通过空间维度复用显著提升系统容量关键技术包括用户配对算法、预编码设计和干扰抑制基站需要准确的信道状态信息进行预编码计算，终端通过先进的接收机算法抑制残余干扰调度策略综合考虑信道正交性、功率分配和公平性，实现多用户间的有效协调第九部分初始接入过程5G NR1同步信号检测终端搜索和检测SSB，获得下行同步2系统信息获取读取PBCH和SIB1，了解小区配置3随机接入发送PRACH前导码，建立上行连接4波束对准完成收发波束的精确对准5G初始接入过程相比4G增加了波束管理的复杂性在毫米波场景下，需要通过波束扫描找到最优的空间传输路径整个过程要求在保证可靠性的同时尽可能降低接入延迟，为用户提供快速无缝的网络接入体验同步信号块（）设计SSB波束扫描配置时频域映射通过多个SSB实现不同方向的波束扫描，组成结构SSBSSB在频域占用240个子载波（20个每个SSB对应一个波束方向，最多支持每个SSB包含PSS、SSS和PBCH三个组PRB），在时域内周期性传输，支持灵64个SSB成部分，占用4个连续的OFDM符号，提活的传输模式配置供时频同步和基本系统信息随机接入过程Msg1前导码传输终端在PRACH资源上发送随机接入前导码Msg2RAR响应基站发送随机接入响应，分配临时标识Msg3连接请求终端发送RRC连接请求或调度请求Msg4冲突解决基站确认接入成功或指示重新接入5G随机接入过程支持竞争和非竞争两种模式竞争模式用于初始接入和重连，非竞争模式用于切换等场景波束失败恢复机制作为特殊的随机接入过程，能够快速恢复中断的波束连接前导码设计考虑了不同的覆盖需求和延迟要求，提供了多种格式选择小区搜索与测量。