5G NR帧结构与物理资源

Posted 2023-02-21 yyl_woniu

        5G NR 要支持新型业务的顺利加入，又不能影响原有LTE业务的正常，在基于 LTE 协议标准设计了新的无线帧结构。5G 未来要支持多种多样的部署场景，其空口的工作频率的范围极广分布于１~１００ＧＨｚ频段之内，既有低频段也有高／超高频段，从而就有着多种无线网络部署模式。NR 帧结构将支持灵活可变的 OFDM 参数集，其子载波间隔可以在 15KHz 到 240KHz 的范围内选择，相应的循环前缀（Cyclic Prefix, CP）同时也需要进行一定比例的调整。

 5G NR 的帧结构

       ５Ｇ新空口的帧结构即可在授权频段也可在非授权频段支持频分双工（FDD）以及TDD，其可使能非常低的时延、快速混合自动重传请求（HARQ）、动态tdd、与lte共存、传输长度可变比如为uRLLC配置短期，为eMMB配置长周期）。为了增强前向兼容并减小不同功能间的相互千扰，５Ｇ新空口帧结构的设计需要遵循以下三大原则：第一个原则为传输是自包含，子帧中的数据及波束中的数据可自主解码而无需依赖于其他的子帧及波束。第二个原则为传输要在时域及频域得到良好的定义。第三个原则为避免跨子帧以及跨不同传输方向的静态及／或严格的时间关系，比如，不宜使用预定义的传输时间而宜采取异步harq。

       类似与LTE帧结构，在NR中，一个 5G 帧长度为 10ms，包含两个长度为 5ms 的半帧，系统帧的定义为，，分别为半帧 0 和半帧 1，每个半帧由 5 个长度为 1ms 的子帧组成，半帧 0 由子帧号 0—4 组成，半帧 1 由子帧 5—9 组成 。每个子帧定义为，，在每个子帧中由多个OFDM符号构成，其中OFDM符号数定义如下：，同时也没有像 TD-LTE 帧结构采用单独的 GP 子帧用于上、下行保护间隔。每个子帧时隙也不固定，分为 1ms、0.5ms、0.25ms、0.125ms 和 0.0625ms 五种，这一点也是不同于 TD-LTE 固定为 0.5ms 一个时隙的。

 

时隙（Slots）

每个子帧的时隙数根据部分载波带宽配置确定，每个子帧的 OFDM 符号数 ，其中表示根据子载波带宽配置u确定每个子帧的符号数，表示每个时隙对应的符号数。5G系统的时隙宽度和符号宽度都是随子载波间隔宽度的变化而变化的，并有6个变化选项， 使系统具有较高的灵活性，完全可以满足各种不同要求的应用场景。根据 R15 和 R16 技术标准的描述，当子帧时长固定为 1 ms 时，每个子帧的时隙数为 2μ ，其 中 μ=0、1、2、3、4、5，则每个无线帧的时隙数为 10×2μ ， 每个子帧的常规CP OFDM符号数为14×2μ ，扩展CP符号数为 12×2μ ，每个时隙的长度为 1/(2μ)ms，常规 CP 的“符 号+CP”长度为 1/(14×2μ)ms，扩展 CP的“符号+CP”长 度为1/(12×2μ)ms，具体参数下图所示。

从表 1可以看出，当 μ=0时，5G 的帧结构与 4G 的常规帧结构完全一样，说明5G可以兼容 4G；当 μ=1、 2、3、4、5时，5G帧结构变成了时长不同的短帧，且越来越短。显然，这部分帧结构是为5G适应eMBB、uRLLC 和mMTC三大应用场景专门设计的。μ的取值不仅可以改变时域帧结构，还可以改变频域子载波间隔，从而直接改变资源粒子的大小，既达到了灵活调整承载信息的目的，又可以提高系统的相关性能，而且系统帧结构的控制量只有一个，不仅控制效率较高，而且控制过程也简单，技术实现难度相对较低。

时隙物理资源

根据部分载波带宽配置 ，一个子帧时隙号 0 ,..., -1  ， 一个帧时隙号 0 ,..., -1   ,每个时隙有个连续的OFDM符号，具体 值根据值 与CP类型确定。同一子帧中的开始时隙与开始的OFDM符号 对齐

1 个时隙中的 OFDM 符号可以分为“下行”（D）、“灵活”（X）或“上行”（U）。5G 中的上、下行是以 OFDM 符号为最小单位配置的，除了“全下行”和“全上行”，其余所有情况都必须至少有一个“X”，这个 X 充当 GP 的作用。这与 TD-LTE 以子帧为单位配置不同。LTE 中只有上、下行子帧，而 5G的时频域更加灵活，时域颗粒度更小，可以配置上、下行符号。

5G 常规 CP 时 1 个时隙资源格如下图所示，其中，一个 RB(Resource Block，资源块）不再是“时频域”资源，而仅表示“频域”资源，这是与TD-LTE的一个区别，包括个RE（ResourceElement，资源单元），其中 为 1 个 RB 对应的子载波数，每个子载波带宽为 15kHz。其中频域上每个资源块由 12 个子载波组成，频域上总的子载波数为k = * ，其中为不同子载波带宽配置对应资源块数K 0 ,L, *  -1  ；常规CP,时域上一个子帧中的 OFDM 符号数 l= 14×2μ  。5G 的资源格相比于 TD-LTE 主要的区别是 RB 仅表示频域资源，同时，时隙根据部分载波带宽 灵活可变，上下行以时隙内 OFDM 符号为最小单位，这样更适应各种业务的应用。