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基带无线资源、物理层帧结构、无线资源调度的介绍

news 2025/11/14 16:10:55

这是一个非常核心的无线通信话题。我们来系统地、深入地介绍一下物理层的基带无线资源、帧结构和无线资源调度。这三者环环相扣，构成了无线通信物理层资源管理的基石。

一、无线资源的简介

所谓无线资源是指能够承载用户二进制数据的无线信号。

有点类似飞机以及飞机上的座位。

不同的频率类似不同航班的飞机。不同子载波波类似于同一个飞机上的不同座位。

不同的时隙类似于同一个飞机不同的起飞时间。

无线资源的核心地位
一定带宽的无线信号，一次能够携带的二进制比特是有限的。

为了在一定的带宽下能够传递更多的比特、或通过增加带宽传递更多的比特，于是产生了各种调制技术。

为了能够利用有限的无线资源为更多的动态变化的用户提供二进制比特的传输服务，于是产生了各种多址复用技术。

为了能够在不可靠的的无线信道上，稳定、可靠的传输二进制比特服务，于是产生了各种防错、检错、纠错的编码技术。

可以这样说，物理层的各种技术都是构建各种无线资源之上的，是其他技术的基础；其他的技术都是围绕着无线资源展开的。

二、物理层-基带无线资源

核心思想：无线通信的本质是信息在多维空间中的传递。基带无线资源，就是指这个多维空间中可供使用的、相互正交的“坐标轴”或“维度”。将这些维度进行划分和组合，就形成了我们能够分配给不同用户的数据传输“通道”。

1、频率

介绍：将广阔的电磁波频谱划分成一个个特定宽度的频带。

关键概念：子载波。在OFDM（正交频分复用）系统中，一个宽的频带（如20MHz）会被划分成许多个窄带的、相互正交的子载波。每个子载波可以独立地调制数据。

资源单位：在LTE中叫资源块，在5G NR中叫资源块。一个RB通常由12个连续的子载波组成。它是资源调度的基本单位之一。

深入理解：频率是稀缺且昂贵的资源。不同频率的无线电波具有不同的传播特性（穿透力、覆盖范围）。频率维度的划分实现了频分多址。

2、时间

介绍：将连续的时间流划分成离散的、重复的时间单元。

关键概念：符号、时隙、子帧、帧。数据是在一个个极短的时间单位（OFDM符号）内发送的。多个符号组成一个时隙，多个时隙组成一帧。

资源单位：在时域上，最小的调度单位通常是一个或多个OFDM符号。

深入理解：时间维度使得基站可以“分时”服务多个用户。你在“时刻A”发送，我在“时刻B”发送，互不干扰。这实现了时分多址。

3、空间

介绍：利用多根天线创造出的独立空间通道。

关键概念： MIMO。通过多根发射天线和多根接收天线，可以在同一个时间、同一个频率上，同时传输多个独立的数据流。

资源单位：层。一个“层”代表一个独立的空间数据流。如果基站有4根天线，终端有2根天线，那么最多可以同时传输2个数据流（2层）。

深入理解：空间维度是提升系统容量（吞吐量）的“杀手锏”。它不消耗额外的频率或时间资源，而是通过复杂的信号处理技术，将频谱效率成倍提高。这实现了空分多址。

4、码字

介绍：使用不同的、相互正交的伪随机序列来区分用户或信道。

关键概念：扩频码、扰码。在CDMA（码分多址）系统中是核心，在OFDM系统中（如LTE/5G）其作用减弱，主要用于区分不同的小区（扰码）和上行参考信号。

深入理解：码字资源曾经是3G系统的核心，现在其重要性已被空间资源取代，但仍是系统不可或缺的一部分。

总结：基带无线资源可以看作一个多维资源网格。

二维视图（F-T网格）：最直观的视图。横轴是时间（符号），纵轴是频率（子载波）。每一个小格子就是一个资源单元，可以承载一定数量的调制符号（如QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM）。

三维视图（F-T-S网格）：在二维网格的基础上，增加了“空间”这一维度。这就形成了一个立体的资源立方体。

三、物理层帧结构

核心思想：帧结构是对上述时间资源的标准化和组织方式。它定义了时间轴如何被划分成帧、子帧、时隙和符号，并规定了每个时间单元的具体用途。帧结构是基站和终端之间能够正确通信的“共同语言”。

1、帧和子帧

LTE/5G中，一个无线帧通常是10ms。

一个帧被划分为10个子帧，每个子帧1ms。

子帧是调度的基本时间单位（在5G中更细化到时隙）。

2、时隙和符号

一个子帧（1ms）包含一定数量的时隙。时隙的数量是可变的，这由“子载波间隔”决定。

子载波间隔与时隙长度的关系（5G核心特性）：

子载波间隔越大，一个OFDM符号的长度越短（因为符号长度与子载波间隔成反比）。
在一个固定的1ms子帧内，符号越短，能容纳的符号数量就越多，即时隙长度越短。
例如：15kHz SCS -> 1个时隙=1ms；30kHz SCS -> 1个时隙=0.5ms。所以1ms子帧内，30kHz SCS有2个时隙。

深入理解： 5G通过灵活的 numerology（子载波间隔和时隙时长配置）来适配不同的业务场景。大SCS和短时隙非常适合低时延业务（如URLLC），因为调度周期更短；小SCS适合广覆盖场景。

3、特殊时隙和符号

帧结构中并非所有资源都用于传输用户数据。必须包含用于系统同步、信道测量和控制信令的资源。

下行导频时隙：用于终端进行小区搜索、同步和信道状态信息测量。

上行导频时隙：用于终端发送探测参考信号，供基站测量上行信道质量。

GP：保护间隔，在TDD系统中用于下行到上行的切换，避免上下行信号干扰。

控制区域：在每个子帧/时隙的开头，有专门区域用于传输下行控制信息，告诉终端“资源在哪里、如何解码”等。

总结：帧结构是时间的蓝图。它像一张列车时刻表，严格规定了在什么时间点发送什么类型的信息（数据、控制、参考信号），确保了整个无线通信系统有条不紊地运行。

四、无线资源调度

核心思想：调度是动态地将上述多维资源网格中的资源单元（RE/RB）分配给不同用户的过程。调度器是基站（如gNB/eNB）中的“大脑”和“交通警察”，其决策直接决定了系统的吞吐量、公平性和时延性能。

调度器的核心职责：

决定“何时”为“谁”分配“多少”资源：

何时：以多快的频率做一次调度决策。5G中最小可以每个时隙（可能短至0.125ms）调度一次。
谁：从众多等待服务的用户中选择一个或一组用户。
多少：分配多少个RB（频域）、多少个时隙/符号（时域）、多少层（空域）。

选择调制与编码策略：

调度器根据终端上报的信道质量指示，选择一个合适的调制方式和编码速率。
信道好 -> 高阶调制（如256QAM）、高码率 -> 单个RE承载的比特数多，传输快。
信道差 -> 低阶调制（如QPSK）、低码率 -> 单个RE承载的比特数少，但抗干扰能力强，传输可靠。

关键的调度策略与深入理解：

a. 最大C/I调度器

策略：总是把资源分配给信道条件最好的用户。

优点：最大化系统整体吞吐量。

缺点：极度不公平。处于小区边缘、信道条件差的用户可能永远得不到服务。

理解：这是一种“功利主义”策略，追求系统效率最大化。

b. 轮询调度器

策略：在所有用户间循环分配资源，保证每个用户都能获得大致相等的服务机会。

优点：非常公平。

缺点：系统吞吐量低。因为即使某个用户的信道很差，也会把资源分配给它，导致资源浪费。

理解：这是一种“平均主义”策略，追求绝对公平。

c. 比例公平调度器

策略：这是实际系统中应用最广泛的、在效率和公平之间取得平衡的折中方案。

算法：它不仅仅看用户的瞬时信道质量，还会考虑该用户平均得到的历史服务速率。

调度优先级 = （用户瞬时可支持速率）/ （用户历史平均速率）

深入理解：

对于一个用户，如果其历史平均速率很低，那么即使其瞬时信道质量不是最高的，其优先级也会被大大提高，从而获得服务机会。
对于一个信道一直很好的用户，其历史平均速率很高，即使某时刻信道质量极佳，其优先级也可能不如一个信道刚变好的“边缘用户”。

效果：它既能保证信道好的用户多被服务（提升系统容量），又能给信道差的用户“雪中送炭”的机会（保证公平性）。它追求的是让所有用户的速率都能“按比例”地增长。

d. 业务QoS感知调度

策略：在上述调度基础上，考虑业务的服务质量要求。

对于eMBB（增强移动宽带）业务（如高清视频），目标是高吞吐量，调度器会倾向于分配更多的RB和更好的MCS。
对于URLLC（超可靠低时延通信）业务（如工业控制、远程手术），目标是低时延和高可靠性。调度器会采用 “抢占” 机制。当URLLC业务到达时，它可以立即抢占已经分配给eMBB业务的资源，以确保其数据包能在极短时间内发出。