5G无线技术基础自学系列 | 基础参数及帧结构

Posted 2022-12-11 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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5G在空中接口的参数定义大多和LTE一致， 包括时域资源和频域资源， 其中，时域方面包括帧、时隙、上下行配比等； 频域方面包括RB、CCE、BWP等。

3.2.1 Numerology

3GPP Rel-15协议引入了灵活Numerology， 定义了不同的子载波间隔的循环前缀(Cyclic Prefix， CP) 长度。CP包括Normal CP和Extend CP两种类型， 其中， Extend CP只有在子载波间隔为60kHz的时候可以支持， 其余子载波间隔不支持。如表3-2所示， NR中支持5种Numerology配置， 子载波间距的范围从最小15kHz到最大240kHz。

根据协议的规定， 灵活Numerology支持的子载波间隔有15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz， 其中， 240kHz子载波间隔只用于下行同步信号的发送。协议规定， 不同频段支持的子载波间隔如表3-3所示。

μ的选择取决于各种因素，包括部署类型(室内/室外、宏基站/小基站等)、载波频率、业务需求(时延、可靠性和吞吐量等)、硬件损伤(振荡器相位噪声)、移动性和实现的复杂性等。例如，较宽的子波间距可用于时延关键型服务(如uRLLC) 、覆盖区域较小和载波频率较高的场景； 较窄的子载波间距可以用于载波频率较低、覆盖区域较大、窄带设备和演进型多媒体广播/多播服务的场景。

3.2.2 帧结构

每个系统帧由10个子帧组成，每个子帧长为1ms。每个系统帧会被分成2个大小相等的半帧，每个半帧包含5个子帧。其中，半帧0包含子帧04，半帧1包含子帧59。在NR中，系统帧的编号为01023，一个系统帧内的子帧编号为09。

无线帧和子帧的长度固定，从而可以更好地保持LTE与NR间的共存。不同的是，5G NR定义了灵活的子载波架构，时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。

对于正常的循环前缀，一个时隙包含14个OFDM符号；对于扩展的循环前缀，一个时隙包含12个OFDM符号。由于OFDM符号的长度与其子载波间距成反比，子载波间距越大，一个OFDM符号的长度越短。相应的， 时隙的长度也会随着选择的Numerology的不同而变化， 这也意味着每个子帧包含的时隙数也会随着选择的Numerology的不同而变化。不同的子载波间隔对应的每子帧包含的时隙数如表3-4所示。

3.2.3 时隙格式

在NR中， 一个时隙内的OFDM符号分为3类：下行符号(仅用于下行传输， 以“D”表示) 、上行符号(仅用于上行传输， 以“U”表示) 和灵活符号(Flexible Symbol， 既可用于下行传输， 又可用于上行传输，但不能同时用于上下行传输，以“X”表示)。

时隙格式取决于一个时隙内用于上行符号、下行符号以及灵活符号的OFDM符号数的不同。一个时隙可以仅用于下行传输(该时隙内所有的OFDM符号均为下行符号) ， 也可以仅用于上行传输(该时隙内所有的OFDM符号均为上行符号) ， 或者至少包含一个下行部分和至少一个上行部分(混合时隙) 。

不同的时隙格式类似于LTE中不同的TDD上下行子帧配比。不同之处在于， NR时隙格式中的上下行分配是OFDM符号级别的； 而LTE TDD中的上下行分配是子帧级别的。与LTE TDD上下行子帧配比相比，NR时隙格式的变种更多，更加灵活。

NR支持多种时隙配比方案，基站可以通过以下几种方式给UE进行配置，从而实现动态的时隙配比调整。与LTE相比， NR增加了UE级配置， 灵活性高， 资源利用率高。多层嵌套配置示意图如图3-5所示，NR灵活性可以通过不同级别的配置实现。

(1) 第一级配置：通过系统消息进行半静态配置。

(2) 第二级配置：通过用户级RRC消息进行配置。

(3) 第三级配置：通过UE-group的DCI中的SFI指示进行配置(符号级配比) 。

(4) 第四级配置：通过UE-specific的DCI进行配置(符号级配比) 。

使用这么多种时隙格式的主要目的是使NR调度更加灵活， 尤其是进行TDD操作时。通过应用一个时隙格式，或对多个时隙进行聚合，可支持多种不同的调度类型。

第一级为Cell-specific RRC configuration， 即信令半静态配置， 小区级半静态配置支持有限的配比周期选项， 通过RRC信令实现上下行资源的灵活静态配置。

SIB1携带了以下配置参数。

UL-DL-configuration-common：X， x1， x2， y1， y2 ，

UL-DL-configuration-common-Set 2：Y， x3， x4， y3， y4 。

其中，X和Y为配比周期，取值为0.5，0.625，1，1.25，2，2.5，5，10ms。

其中， 0.625ms仅用于120kHz SCS， 1.25ms用于60kHz以上SCS； 2.5ms用于30kHz以上SCS；小区半静态配置支持单周期和双周期配置。单周期配置示意图如图3-6所示。

双周期配置示意图如图3-7所示。

x1x3：全下行时隙数目。取值：0，1，...，配比周期内时隙数。

y1/y3：全上行时隙数目。取值：0，1，...，配比周期内时隙数。

x2/x4：全下行时隙后面的下行符号数。取值：0，1，...，13。

y2/y4：全上行时隙前面的上行符号数。取值：0，1，…，13。

这种Cell-specific半静态时隙格式在ServingCellConfig（NSA）和SIB1（SA）中配置。如图3-8所示， ServingCellConfig（NSA）和SIB1(SA) 中包含了TDD-UL-DL-ConfigCommon配置信息。

3.2.4 频域资源

NR的频域资源包括RG、RE、RB、REG、CCE、RBG等。

(1) RG：Resource Grid， PHY层资源组， 上下行分别定义(每个Numerology都有对应的RG定义)。

时域：1个子帧。频域：传输带宽内可用RB资源。

(2) RE：Resource Element， PHY层资源的最小粒度。

时域：1个OFDM符号。频域：1个子载波。

(3) RB：Resource Block， 数据信道资源分配基本调度单位， 用于资源分配type1。

频域：12个连续子载波。

(4) RBG：Resource Block Group， 数据信道资源分配基本调度单位， 用于资源分配type0， 可降低控制信道开销。

频域：2，4，8，16个RB。

(5) REG：Resource Element Group， 控制信道资源分配基本组成单位。

时域：1个OFDM符号。频域：12个子载波(1PRB) 。

(6) CCE：Control Channel Element， 控制信道资源分配基本调度单位。

频域：1CCE=6REG=6PRB。

CCE聚合等级：1、2、4、8、16。

Global Raster是全局的频点栅格， 用于计算NR小区的中心频点， 5G频点号(NR-ARFCN) 计算公式如下：

其中， FGlobal为每个频点栅格的间隔， 在5G中， 频点栅格的间隔不是固定值， 和具体的频段相关。详细的取值如表3-5所示。

Channe Raster用于指示空口信道的频域位置， 进行资源映射(RE和RB的映射) ， 即小区的实际的频点位置必须满足Channel Raster的映射。Channel Raster的大小为1个或多个Global Raster，与具体的频段相关。

Synchronization Raster是同步栅格， 是5G第一次出现的概念， 其目的在于加快终端扫描SSB所在频率位置。UE在开机时需要搜索SS/PBCH block， 在UE不知道频点的情况下， 需要按照一定的步长盲检UE支持频段内的所有频点。由于NR中小区带宽非常宽， 如果按照Channel Raster去盲检， 会导致UE接入速度非常慢， 为此， UE专门定义了Synchronization Raster， 其中， Synchronization Raster的搜索步长与频率有关。例如， Sub3G频段的搜索步长是1.2MHz， C-Band的搜索步长是1.44MHz， 毫米波的搜索步长是17.28MHz。以n41频段为例， 100MHz带宽的载波， SCS=30kHz， 有273个RB。如果按照1.2MHz扫描， 1200/30=40个SCS， 需要扫描273x 12/40≈82次就能扫完整个载波； 如果按照15kHz的信道栅格， 则需要扫描6552次才能完成。采用Synchronization Raster显然非常有利于加快UE同步的速度。

全球同步栅格信道(Global Synchronization Channel Number， GSCN) 是用于标记SSB的信道号，在实际下发的测量配置消息中， gNodeB会将GSCN转换成标准的频点号下发。每一个GSCN对应一个SSB的频域位置SSREF(SSB的RB10的第0个子载波的起始频率) ， GSCN按照频域增序进行编号。

3.2.5 BWP

BWP的全称是Bandwidth Part(部分带宽) ， 是NR标准提出的新概念； 它是网络侧给UE分配的一段连续的带宽资源， 可实现网络侧和UE侧灵活传输带宽配置； 每个BWP对应一个特定的Numerology，是5G UE接入NR网络的必备配置。

BWP是UE级的概念， 不同UE可配置不同BWP， UE不需要知道gNodeB侧的传输带宽， 只需要支持配置给UE的BWP信息。

BWP主要有以下3类应用场景。

(1) 场景1：应用于小带宽UE接入大带宽网络。

(2) 场景2：UE在大小BWP间进行切换， 达到省电的效果。

(3) 场景3：不同BWP配置不同Numerology， 承载不同业务。

BWP主要分为以下4种类型。

(1) InitialBWP：UE初始接入阶段使用的BWP。

(2) Dedicated BWP：UE在RRC连接态配置的BWP； 协议规定， 1个UE最多可以通过RRC信令配置4个Dedicated BWP。

(3) ActiveBWP：UE在RRC连接态某一时刻激活的BWP， 是Dedicated BWP中的1个。协议规定，UE在RRC连接态某一时刻只能激活1个配置的Dedicated BWP作为其当前时刻的Active BWP。UE只在Active的下行的BWP中接收PDCCH、PDSCH、CSI-RS， 在工作的上行的BWP中发送SRS、PUCCH、PUSCH。

(4) Default BWP：UE在RRC连接态时， 当其BWP Inactivity Timer超时后UE所工作的BWP， 也是Dedicated BWP中的1个， 通过RRC信令指示UE哪一个配置的Dedicated BWP为Default BWP。