5G NR的Numerology中的子載波間隔的討論和取捨過程

5G NR的Numerology中的子載波間隔(SCS)的討論和取捨過程

2018-5-20

1.TR38.802中Numerology的定義

關於5G新空口的Numerology，在R14的TR38.802 (V14.0.0 (2017-03))中進行了定義。

第5.3節」 Numerologies and frame structure」中提到以下幾點：

」支持多種Numerologies，Numerology採用子載波間隔和CP開銷來定義。

多種子載波間隔是由基本的子載波間隔採用整數N等比例擴展而成的(A numerology is defined by sub-carrier spacing and CP overhead. Multiple subcarrier spacings can be derived by scaling a basic subcarrier spacing by anintegerN)。

雖然假定在較高的載波頻率下不使用較小的子載波間隔，但是所使用的Numerology可以獨立於頻段進行選擇。

可擴展子載波間隔至少從15KHz到480KHz(Scalable numerology should allow at least from 15kHz to 480kHz subcarrier spacing.)。

子幀長度固定為1ms，幀長度為10ms。不管CP開銷如何，採用15KHz及以上的子載波間隔的numerololgy，在每1ms的符號邊界處對齊。

對於子載波間隔 15 kHz * 2n(n為非負整數(For subcarrier spacing of 15 kHz * 2n(nis non-negative integer))………………」

以下藉助3GPP會議報告和提案討論Numerology選擇過程。

需要說明的是，在MIIT二階段測試規範中，」Numerology」譯作」參數集」，在特定的上下文中應該不會出現理解錯誤，不過準確期間，本文中仍採用Numerology來表示。另載波間隔(Subcarrier space)採用SCS縮寫。

2.3GPP關於Numerology的會議概覽

3.Numerology中子載波間隔(SCS)的討論和取捨過程

3.1子載波間隔

3.1.1基本原理

Ericsson在R1-163227:Numerology for NR中提到，但對於給定的頻段，相位雜訊和多普勒頻移決定了最小子載波間隔(SCS)。

採用較小的SCS，會導致較高的相位雜訊從而影響EVM，也對本地振蕩器產生較高的要求，還會使多普勒頻移較高時的性能降低。

採用較大的SCS，會使符號長度縮短，從而降低時延。

所需的CP開銷(亦即時延擴展預期)設定了SCS的上限，SCS過大會導致CP開銷增加。

OFDM調製器的FFT size和SCS共同決定了信道帶寬。

考慮到上述關係，最優化的SCS應當足夠小但是仍應當足夠強壯，以抵抗相位雜訊和多普勒頻移，並對預期的信道帶寬和時延提供支持。

Intel在R1-162386：Numerology for new radio interface中提到，子載波間隔(SCS)是系統設計的重要參數。SCS較小時，符號周期增加，CP開銷降低，反之亦然。

3.1.2選取原則

Ericsson在R1-163227:Numerology for NR中提到，Numerology選取時，可以考慮不同頻率獨立選取，也可以考慮採用OFDM numerology家族的方式，設定一個基準numerology，並對SCS、符號長度和CP等進行相應擴展。採用擴展的方法，不同OFDM numerology下的時鐘採樣率(Ts的倒數)藉助擴展係數n相互關聯，從而便於實現。因此推薦採用基準numerology加擴展的方式。舉例如下：

Qualcomm在R1-163397：Numerology Requirements中提到Numerology的一些原則：

?靈活的numerology和TTI按比例縮放:

?子載波間隔乘以2^K：

-更短的TTI結合優化的導頻/控制信息的配置利於低時延HARQ傳送的流水線處理。

-支持成比例的符號長度和numerology的設計，以便實現下行數據的流水線處理，也利於上行導頻和ACK信道的波形產生。

-當擴展成更大帶寬時FFT的複雜度中等。

-mmWave下足夠的UE能夠進行時分復用。

?SCS擴展比例為2^k，以獲取長時延擴展下的強壯性。其中k是非負整數。

?TTI長度縮短為1/2^k，無需犧牲對抗時延擴展的強壯性。

?不同載波、不同業務間的Numerology復用，以支持不同的時延和效率需求。

ZTE在R1-162227: Numerology design for new RAT中提到，為了簡化設計並降低成本，5G和LTE應當能夠共享本振，在此基礎上考慮5G的採樣率，並建議將CP-OFDM作為基準，對不同頻段進行相應擴展(x2n)，以支持eMBB/URLLC/mMTC等多種業務的KPI需求。

3.1.3候選方案

RAN1#84bis會議上，同意支持多種SCS，由基準SCS乘以整數N擴展而成。

選項1：包括15KHz的SCS；

選項2：包括17.5KHz的SCS；

選項3：包括17.06KHz的SCS；

選項4：包括21.33KHz的SCS(選項3採用擴展CP)。

fsc= f* 2m

fsc= f* M

這4種SCS之間的關係請參見R1-163864(ZTE&Qualcomm)，舉例如下。

ZTE在R1-164271中對這4種類型之間的關係和來源進行了說明，如下圖所示。

3.1.4 對比分析

3.1.4.1基準子載波間隔(SCS)對比

下面列舉幾個提案中的分析結論，更多結論和分析方法請參見會議文稿。

對於上述4種SCS，Huawei/Hisilicon在R1-160431中分析認為，17.07/21.33KHz在復用LTE硬體方面較為複雜，原因為：

FFT大小不是2的N次方，17.06KHz時為1800，21.33KHz時為1440。

15KHz的擴展係數(scaling factor)更複雜：17.06KHz時為853/750，21.33KHz時為711/500。

Huawei/Hisilicon在R1-160431中對15KHz和17.5KHz進行了對比，建議考慮15KHz，不考慮17.5KHz。

在R1-164622中，Ericsson對15/17.5/17/06KHz進行了對比，並建議考慮15KHz。

其它提案中有不同的結論，比如ZTE在R1-164271中建議考慮選項3，即17.07KHz。它認為，15KHz(選項1)和17.07KHz(選項3)具有類似的性能，但是在特別長的DS(時延擴展)下的低時延子幀下，17.07KHz性能優於15KHz。下圖中左側為M=1(即沒有擴展)的對比，右側為0.125ms子幀的對比，Method 1對應17.07KHz且每個子幀中2個符號，Method 2對應NCP和ECP下的60KHz(即15KHz的擴展)。

3.1.4.2擴展係數(2m和M)對比

下面隨意列舉幾個提案中的分析結論，其它更多結論和分析方法請參見會議文稿。

R1-165439: Views on numerology for NR中，NTT DOCOMO採用3種相位雜訊模型，分析不同SCS下的性能。

通常，頻率偏移量(offset)指數增加時，相位雜訊的功率譜密度(dBc/Hz)會線性降低。也就是說，deltaf加倍時，SNR不是指數式而是線性增加。圖2中，Df=240KHz和480KHz下SNR差異分別約為2/2/1.8dB，而deltaf=60KHz和120KHz下，SNR的差異會更小。SCS的粒度更細沒有必要。

最終結論是，從相位補償的角度講，f*2m的力度就夠了，而f*M粒度過大。所以，建議考慮f*2m。

並建議採用以下表作為討論的起點。

KT和Verizon在R1-165525:Discussion on NR numerology中建議考慮fsc= f* M。其主要考慮是，韓國200MHz可能被2個或者3個運營商所使用，那麼，如果採用60MHz，則NR採用FFT size為2048的45KHz的SCS就可以了，而100MHz下，則可以採用FFT size為2048的75KHz的SCS。美國的大多數公司具有200MHz信道帶寬，可能會採用100MHz或者200MHz的載波帶寬。100MHz可採用75KHz和2048 FFT size，而200MHz則可採用150KHz和2048的FFT size。因此，KT和Verizon在提案中建議考慮fsc= f* M。

在R1-164622中，Ericsson認為，為了保證不同numerology間的共存性，較大的擴展係數應當能夠被小的擴展係數所整除，如N2= K1×N1，N3= K2×N2等。這意味著不同numerology間的調度間隔(interval)是匹配的，這有利於同一個載波上的numerology可以混合使用。

雖然這本身並不意味著排除75KHz，但是N = 2n在保證更大的擴展係數能夠被最小的擴展係數所整除時，仍能夠對numerology提供最高的靈活性(provides the highest flexibility in numerology while still having smaller scale factors dividing larger ones)。尤其是，要滿足擴展係數間的整除關係，採用SCS為15KHz(註：原文為5KHz，可能有誤，修改為15KHz)和75KHz的numerology中，在15KHz和75KHz間不可能存在其它SCS。

因此，建議考慮擴展係數採用N = 2m。

Samsung、Intel、KT Corp.、Verizon Wireless和Fiberhome聯合起草的WF(way forward)中，支持fsc= f*M。

4.子載波間隔的最終結論

根據RAN1 #85會議報告可知：

對於採用15KHz作為基準且擴展係數採用N =2n的工作假定(working assumption)，多家公司表示支持，如Ericsson、MediaTek、Fujitsu、Panasonic、Nokia、ASB、LGE、Huawei、HiSilicon、NTTDOCOMO、Sharp、CATT、ETRI和ITRI等。討論過程中，CMCC對其表示反對，Qualcomm不支持15KHz的假設，KT認為這代表大多數人的意見，但是沒有和議，所以不應當作為工作假定，Ericsson認為如果有必要的話下次會議可以再討論，而Docomo認為即使再討論，也應當設定一個期限把關鍵的問題都提出來，否則就會陷入無休止的討論中。而CMCC、Qualcomm和KT的可能工作假定則是，將N=2n作為每1ms中OFDM符號的設計基準，併線下討論。

在R1-165734：WF on subcarrier spacing in NR中，Verizon Wireless、KT Corp.、Reliance-jio、CHTTL、Samsung、Intel、Potevio、Fiberhome、IITH、CEWiT和Tejas Neworks在15KHz作為基準且擴展係數採用N =2n的基礎上，建議增加75KHz，但是遭到了Qualcomm、Nokia、ASB、Huawei、HiSilicon和Fujitsu的反對。在R1-165891中，Verizon等公司同樣的WF中，中國電信、StraightPath、ITL和WILUS等公司也加入了進來，此提案的結論是，RAN1將繼續研究如何有效利用可變帶寬。

此外，RAN1#85會議同意，對於15KHz和更大的SCS，支持1ms的alignment。

在RAN1#86的會議報告中，Numerology部分的第一句話就是，集中精力(focuson)在第一階段將要支持的fc=15*2^n上，討論是否在擴展的Numerology間進行符號對齊(alignment)。

可見，對於SCS，RAN1#86上已經對fc=15*2^n沒有疑義了。

註：根據3GPP會議報告和提案編寫，如有錯誤，歡迎指正。

歡迎關註：5G通信技術

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