【5G NR】帧结构
文章目录
- 参数集
- 帧结构
-
- 帧和子帧
- 时隙和OFDM符号
- Reference
参数集
参数集（Numerology）可以简单理解为子载波间隔（Sub-carrier Spacing） [1]。参数集基于指数可扩展的子载波间隔 Δ f = 2 μ × 15 \Delta f = 2^{\mu} \times 15 Δf=2μ×15 kHz，其中 μ = { 0 , 1 , 2 , 3 , 4 } \mu = \{0,1,2,3,4\} μ={0,1,2,3,4}，如下表1所示 [2]：
简单解读一下上表：
- NR支持的子载波间隔为15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz及240 kHz，分别对应 μ \mu μ为0、1、2、3、4；而LTE仅支持15 kHz的子载波间隔。
- 所有子载波间隔都支持正常循环前缀（Normal Cyclic Prefix），而只有60 kHz（ μ = 2 \mu=2 μ=2）的子载波间隔支持扩展循环前缀（Extended Cyclic Prefix）。
注释：
扩展循环前缀的开销相对较大，在大多数场景下，与其带来的增益不成比例。且扩展循环前缀在LTE中很少应用，预计在NR中应用的可能性也不高。但是作为一个特性，协议中还是定义了扩展循环前缀。由于FR1和FR2都支持60 kHz的子载波间隔，因此只有60 kHz的子载波间隔支持扩展循环前缀。
- 对于数据信道，如PDSCH、PUSCH， μ ∈ { 0 , 1 , 2 , 3 } \mu \in \{0,1,2,3\} μ∈{0,1,2,3}，即数据信道支持的子载波间隔为15 kHz、30 kHz、60 kHz及120 kHz；对于同步信道，如PSS、SSS、PBCH， μ ∈ { 0 , 1 , 3 , 4 } \mu \in \{0,1,3,4\} μ∈{0,1,3,4}，即同步信道支持的子载波间隔为15 kHz、30 kHz、120 kHz及240 kHz。综上所述，60 kHz的子载波间隔只用于数据信道，而240 kHz的子载波间隔只用于同步信道。
- 另外，表1中没有表明的是，FR1频段支持的子载波间隔为15 kHz、30 kHz及60 kHz；FR2频段支持的子载波间隔为60 kHz、120 kHz及240 kHz（仅应用于同步信道） [3] [4]。
5G网络频段跨度大，部署方式灵活，业务类型多样，因此需要一个可以灵活扩展的参数集。子载波间隔的选择取决于多种因素，包括部署方式（FDD或者TDD）、载频、业务需求（时延、可靠性和数据速率）、硬件质量（本地晶振的相位噪声）、移动性，以及实现的复杂性。例如，大的子载波间隔适合时延敏感型业务（URLLC），小面积覆盖场景，高载频场景，以及高速移动场景，而小的子载波间隔适合增强型广播/多播业务（eMBMSs），大面积覆盖场景，低载频场景、低速移动场景，以及窄带宽设备 [5] 。
具体地，子载波间隔越大，对相位噪声越不敏感，因此高频段适合使用大的子载波间隔（载波频率越大，本地晶振导致的相位噪声也越大）；子载波间隔越大，对多普勒频移越不敏感，因此高铁、高速路等场景适合使用大的子载波间隔（物体运动速度越快，多普勒频移越大）；子载波间隔越小，符号长度和循环前缀长度越长，对多径时延扩展越不敏感，因此大覆盖场景适合使用小的子载波间隔（通常情况下，小区半径越大，多径时延扩展也越大）；相反，子载波间隔越大，符号长度越短，因此低时延场景适合使用大的子载波间隔 [5] -[7] 。
至于为什么采用15 kHz子载波间隔作为NR的基准参数集，为什么子载波间隔为15 kHz-240 kHz，文献[5] 给出了答案。建议感兴趣的读者阅读文献[5] 全文。
帧结构
帧和子帧
和LTE相同，NR中，上下行传输都被组织成一个个无线帧（Radio Frame），或称为系统帧（System Frame），简称为帧（Frame）。1个帧的长度为10 ms，其由10个1 ms长的子帧（Subframe）组成。每个帧分成两个长度为5 ms的半帧（Half-frame），每个半帧包含5个子帧。每个帧都有一个系统帧号（System Frame Number，SFN），范围为0~1023。这些可以更好地支持LTE和NR的共存。
每个载波上都有一组上行帧和一组下行帧。UE传输的上行帧号 i i i在UE对应的下行帧之前的 T T A = ( N T A + N T A , o f f s e t ) T c T_{\rm TA} = \left( N_{\rm TA}+N_{\rm TA, offset} \right) T_{c} TTA=(NTA+NTA,offset)Tc处开始，如下图1所示。
N T A N_{\rm TA} NTA由MAC控制单元（Control Element，CE）通知给UE [9] 。 N T A , o f f s e t N_{\rm TA, offset} NTA,offset的取值取决于发生上行传输小区的双工模式和频率范围，具体可参考参考文献 [10]。
NR的基本时间单位
NR在时域上的基本时间单位是 T c = 1 / ( Δ f m a x × N f ) = 0.509 T_{\rm c} = 1/\left( \Delta f_{\rm max} \times N_{\rm f} \right) = 0.509 Tc=1/(Δfmax×Nf)=0.509 ns，其中 Δ f m a x = 480 ⋅ 1 0 3 \Delta f_{\rm max} = 480 \cdot 10^3 Δfmax=480⋅103 Hz对应最大子载波间隔（3GPP之前讨论的最大子载波间隔为480 kHz，但是正式协议中支持的最大子载波间隔为240 kHz）， N f = 4096 N_{\rm f} = 4096 Nf=4096对应FFT长度。因此，NR的最大采样率为 1 / T c 1/T_{\rm c} 1/Tc，即1966.08 MHz。
而LTE在时域上的基本时间单位为 T s = 1 / ( Δ f r e f × N f , r e f ) = 32.552 T_{\rm s} = 1/\left( \Delta f_{\rm ref} \times N_{\rm f, ref} \right) = 32.552 Ts=1/(Δfref×Nf,ref)=32.552 ns，其中 Δ f r e f = 15 ⋅ 1 0 3 \Delta f_{\rm ref} = 15 \cdot 10^3 Δfref=15⋅103 Hz对应LTE中的子载波间隔， N f , r e f = 2048 N_{\rm f, ref} = 2048 Nf,ref=2048对应FFT长度。因此，LTE的最大采样率为 1 / T s 1/T_{\rm s} 1/Ts，即30.72 MHz。
T c T_{\rm c} Tc和 T s T_{\rm s} Ts之间满足固定的比值关系，即 k = T s T c = 64 k = \frac{T_{\rm s}}{T_{\rm c}}=64 k=TcTs=64。
时隙和OFDM符号
和LTE不同，NR中时隙和OFDM符号的长度不再固定不变，而是取决于子载波间隔。但是，每个时隙中包含的OFDM符号是固定不变的，为14或者12（LTE中每个时隙包含的OFDM符号数为7或6），取决于循环前缀，如下表2所示 [8]。
简单解读一下上表：
- N s y m b s l o t N_{\rm symb}^{\rm slot} Nsymbslot：每个时隙的OFDM数。正常循环前缀下为14，扩展循环前缀下为12。
- N s l o t f r a m e , μ N_{\rm slot}^{\rm frame, \mu} Nslotframe,μ：每个帧的时隙数。随着参数集而指数可扩展。这是因为OFDM符号长度 Δ t = 1 / Δ f \Delta t = 1/\Delta f Δt=1/Δf，所以当子载波间隔指数增大的时候，OFDM符号指数减小。
- N s l o t s u b f r a m e , μ N_{\rm slot}^{\rm subframe,\mu} Nslotsubframe,μ：每个子帧的时隙数。随着参数集而指数可扩展。
下图2形象化展示了每个子帧的时隙数与子载波间隔之间的关系。
综上所述，NR中，帧结构如下图3所示 [12]。
