[4G&5G专题-26]：架构-什么是部分带宽BWP, 不对称载波带宽、UE带宽自适应?

Arce

目录
第1章. BWP技术的背景与来源
1.1 LTE系统的对称载波带宽
1.2 5G小区面临的问题
第2章. BWP的理论基础
2.1 LTE的时频资源分配与载波带宽
2.2 BWP的理论基础：线性系统的叠加性
2.3 BWP基本思想
第3章 5G BWP基本概念
3.1 BWP的定义
3.2 BWP大小的决定因素
第4章 BWP的工作原理
4.1 BWP的几种使用场景
4.2 BWP大小与位置的协商流程
4.3 BWP数据的调制解调过程

第1章. BWP技术的背景与来源
BWP：Bandwidth Part，不对称载波带宽、UE带宽自适应、部分带宽。
1.1 LTE系统的对称载波带宽
在4G LTE系统中，每个载波的带宽5/10/15/20M，终端UE与基站，其小区载波带宽是一样的，这称为对称载波带宽。

1.2 5G小区面临的问题

然而到了5G, 情况发生了变化，小区带宽最大支持400M带宽，如果沿用LTE的UE和基站对称带宽的做法，对终端就提出了极高的挑战，另一方面，终端也是逐渐演进的，前期支持较小带宽，如100M带宽，等基站提供400M带宽小区的时候，前期的终端就遇到一个尴尬的问题，如果接入到400M带宽的小区中呢？于是不对称载波带宽，又称为UE带宽自适应，也称为一部分带宽的BWP技术应运而生。
5G的频点分为两部分：FR1（f < 6GHz，低频）和FR2（f > 6GHz，高频、毫米波）。
FR1的带宽可以是5MHz，10MHz，15MHz，20MHz，25MHz，30MHz，40MHz，50MHz，60MHz，80MHz和100MHz。
FR2的带宽可以是50MHz，100MHz，200MHz和400MHz等。
5G的带宽最小可以是5MHz，最大能到400MHz。如果要求所有终端UE都支持最大的400MHz，无疑会对UE的性能提出较高的要求，不利于降低UE的成本。
同时，一个UE不可能同时占满整个400M带宽，如果UE采用400M带宽对应的采样率，无疑是对性能的浪费。此外，大带宽意味着高采样率，高采样率意味着高功耗。
在上面这样的大背景下，提出了不对称载波带宽、UE带宽自适应、部分带宽BWP技术。BWP技术完美的解决了手机带宽与小区带宽不一致的问题。

第2章. BWP的理论基础
2.1 LTE的时频资源分配与载波带宽

（1）在4G LTE系统中，每个载波的带宽5/10/15/20M，终端UE与基站，其小区载波带宽是一样的，这称为对称载波带宽。
（2）所有的子载波的宽度为15KHz。
（3）时频资源：频域上的一个15K子载波，时域上符号，构成了一个RE。
（5）时频资源块：LTE是按照时频资源块给手机分配RE资源的，频域12个子载波，时域一个符号周期，构成一个RB。

从上图可以看出，同一个时刻，可能包含多个不同用户的数据，不同的用户使用不同的子载波承载数据。
（5）OFDM调制：是针对每个子载波的一个符号的，也就是说，系统信息和用户数据，都是调制在一个个独立的子载波上的。
（6）下行

• 基站发送：基站MAC把系统信息和所有的用户信息，调制到整个小区带宽的各个时频资源上，然后通过PHY的快速傅里叶变换，生成含有所有频率分量的合成的基带时域信号，再经过中频调制、高频调制（混频），把基带信号调制到高频载波上，进行发送。
  
• 电磁波传播：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。
  
• UE接收：小区中的每个手机通过频率搜索，获得小区的中心频点，通过MIB获取小区的带宽，通过信令获取自己所在的时频资源。每个手机获得相同带宽的调制信号，然后解调出所有的时频资源的数据，最后终端获取分配给自己的时频资源RE上数据。
  
• 因此所有子载波信号合并成基带时域信号是基站PHY完成的，每个UE收到的都是包含所有频率分量的时频信号。
  

（7）上行

• UE发送：每个手机，在分配给自己的时频资源RE/RB上进行数据调制，在没有分配给自己的时频资源RE上不进行调制（没有数据），调制后，每个手机各自生成整个小区带宽的基带信号=》中频信号和=》高频调制信号。
  
• 电磁波的叠加：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。与下行不同的是：下行只有一个基站发送，多个手机接收，为广播。上行是多个手机发送，一个基站接收，这就意味着多个不同发送发送的调制后的电磁波信号，在空间会进行叠加！为汇集。
  
• 基站接收：汇聚后的电磁波信号，被基站的天线接收下来，经过混频解调、中频处理、OFDM解调（时域到信号频域的傅里叶变换）与QAM解调哦，得到各个子载波RE的数据。基站在根据分配各个手机的RE信息，分别得到各个手机的数据。
  

2.2 BWP的理论基础：线性系统的叠加性
（1）定义
线性系统是指同时满足叠加性（加减运算）与均匀性（系数乘除运算）的系统。
所谓叠加性（加减运算）：是指当几个输入信号共同作用于系统时，总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和；
均匀性（系数乘除运算）：是指当输入信号增大若干倍时，输出也相应增大同样的倍数。
不满足叠加性和均匀性的系统即为非线性系统
（2）图形描述

• 系统对多路的输入信号，先进行线性运算、累加后在进行变换。
  

• 系统对多路信号先进行变换，后进行线性运算、累加
  

如果上述两种情况，得到的输出是一致的，则这个系统是线性系统，符合叠加性特征！
（3）数学描述

（4）应用
可以这样说，《信号与系统》的研究，就是建立在线性系统之上的，现代通信系统，基本上是一个线性系统。
线性系统的线性特征被应用在通信系统的方方面面：信号的复用与解复用，如2G的频分多址、3G的码分多址、4G正交频发复用，功率放大器等等，否是线性系统的线性特征的应用。
2.3 BWP基本思想
BWP技术允许手机的载波带宽可以小于基站提供的整个小区的带宽。
每个手机在随机接入时，提供自己载波带宽的能力，基站再根据手机支持载波带宽的能力，告诉手机所在的载波带宽，在整个小区带宽中的位置，并根据此信息分配相应的时频资源。
（1）基站发送：给手机分配RE资源时，不能分布在整个小区带宽内，而是在其所在的BWP子带宽内分配RE资源。
（2）手机接收：手机通过调整其滤波器的中心频点，过滤出所在的BWP子带宽内的频率分量，经过后续处理后，得到手机自己的RE时频资源。
（3）手机发送：发送所在的BWP子带宽内的调制信号。只在分配给自己的BWP子带宽内进行RE时频资源的调制。
（5）线性叠加：不同手机的BWP子带宽的调制信号在空间进行电磁波的线性叠加！
（6）基站接收：基站接收叠加后的大带宽的电磁波信号，进行大带宽的解调，最后得到每个手机对应的RE时频资源以及对应的数据。

第3章 5G BWP基本概念
3.1 BWP的定义

BWP(Bandwidth Part)，是小区总带宽的一个子带宽。
5G把整个小区带宽划分为N个连续的公共的子带宽，每个公共子带宽称为CRB （Common Resource Block）， 每个CRB由M个PRB组成，而每个PRB由12个子载波RE组成。
基站根据手机支持的带宽的大小，为不同的手机，从对应带宽大小的CBR中为手机选择RE资源。基站对整个小区带宽进行调制解调。而手机是根据各自支持的带宽进行调制解调。
（1）不同的BWP，其在整个小区带宽中的位置不同，即其实PRB的位置不同。
（2）不同的BWP，其带宽不同，即占用的PRB的个数不同。
（3）不同的BWP，其子载波间隔可以不相同, 可以是15K, 30K, 60K.....
（4）不同的BWP，其内部的子载波的调制方式，可以不相同。
（5）相同的BWP，借助时间域，可以被多个不同的UE终端进行复用。
3.2 BWP大小的决定因素
（1）基站建立的小区的带宽
（2）手机RFIC芯片支持的最大载波带宽
（3）手机业务传输所需要的带宽，也就是说，BWP的带宽，并不一定等于手机支持的物理带宽，因此比手机的物理带宽小。这种设计，有助于降低终端在轻负载时的功耗。

第4章 BWP的工作原理
4.1 BWP的几种使用场景

（1）场景1：手机支持的物理带宽小于小区带宽
这种场景，前面讨论了很多，而BWP的使用场景，远不止手机支持的物理带宽小于基站建立的小区带宽。
（2）场景2：负载均衡
当小区内终端的数量较大，整个小区的负载较重时，基站通过调节终端的BWP的带宽，来调节终端的负载，实施负载均衡。
（3）场景3：降低功耗
当负载较轻时，可以通过降低节终端的BWP带宽，降低终端调制解调的带宽，降低终端的采样率，从而降低终端的功耗，而无需要像LTE那样，对整个带宽进行采样和调制解调，无需对无效子载波进行处理。

模数转换的采样率：带宽越大，内含的频率分量的频率越高，所需要采样频率就越高。
快速傅里叶变换的采样率：基带信号的带宽越大，其内含的子载波的个数越多，所需的时域采样率越大。
（4）场景4：快速配置
通过RRC重配的信令快速配置手机的BWP CRB带宽。
4.2 BWP大小与位置的协商流程
（1）主同步与辅同步：手机通过默认的BWP CRB 大小（如5M），与基站进行频率主同步与辅同步。
（2）获取小区信息：在手机与基站同步之后，获得小区的广播信道，并从广播信道得到MIB和SIB信息，获取小区支持的带宽。
（3）手机上报自己的能力：在随机接入过程中，手机上报自己载波带宽的能力，如20M还是100M或其他带宽。
（4）基站为手机分配BWP CRB ：基站为手机分配BWP CRB的位置和大小。
（5）基站在分配给手机的BWP CRB 上分配控制信道和数据信道，即在分配给手机的BWP上，分配时频资源。
（6）手机根据随机接入获得的BWP CRB 位置和大小，在相应的位置上，与基站建立控制信道与数据信道。
（7）每个手机最大支持4个不同的CBR， 但某一时刻，只有一个CBR处于激活状态。
（8）不同CBR之间切换，可以按照某个算法的规则，自动动态切换，也可以有基站根据当前信道的质量，指示手机进行单次的CBR的切换。
4.3 BWP数据的调制解调过程
（1）下行

• 基站发送：基站MAC把系统信息和所有的用户信息，调制到整个小区带宽的各个时频资源上，然后通过PHY的快速傅里叶变换，生成含有所有频率分量的合成的基带时域信号，再经过中频调制、高频调制（混频），把基带信号调制到高频载波上，进行发送。
  
• 电磁波传播：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。
  
• UE接收：先通过带通滤波器，只接收其物理带宽受限带宽的信号，滤除其他UE的载波信号。然后通过进行正常的调制解调。
  

（2）上行

• UE发送：每个手机，在分配给自己的时频资源RE/RB上进行数据调制，在没有分配给自己的时频资源RE上不进行调制（没有数据），调制后，每个手机各自生成BWP带宽的基带信号（而不是整个小区带宽的信号，也不是整个手机物理支持带宽的信号）=》中频信号和=》高频调制信号。
  
• 电磁波的叠加：调制后的高频电磁波在空间进行传播，其带宽是整个小区的带宽。与下行不同的是：下行只有一个基站发送，多个手机接收，为广播。上行是多个手机发送，一个基站接收，这就意味着多个不同发送发送的调制后的电磁波信号，在空间会进行叠加！为汇集。
  
• 基站接收：汇聚后的电磁波信号，被基站的天线接收下来，经过混频解调、中频处理、OFDM解调（时域到信号频域的傅里叶变换）与QAM解调哦，得到各个子载波RE的数据。基站在根据分配各个手机的RE信息，分别得到各个手机的数据。