5G无线技术基础自学系列 | 时域资源

Posted 2022-11-23 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

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岁月不饶人，时间不可逆转。时间是人一切财富中最宝贵的财富。时域资源也是移动通信系统中最宝贵、最基本的资源。

移动通信如果要想正常交互信息，就需要发送方在恰当的时间把信息发出去，而接收方也知道在什么时间接收自己的信息，这就需要双方遵循共同的时间使用规范，这个时间规范就是帧结构，描述了最基本的时域资源。

但是移动通信系统里的时间单位不能用日常生活的单位：天、小时、分、秒；而是需要颗粒度更小的单位：如毫秒（ms）、微秒（μs）。但在移动通信系统里，使用毫秒、微秒这样的时间单位，有时候存在太多小数位，不太方便，往往会定义一个颗粒度最小的时间度量单位，其他的时间用此来表示，都是整数。

5G NR的上下行时隙配置比LTE更加灵活，同时5G NR支持一个帧同时包含下行数据和针对这个下行数据的上行反馈，这就是自包含结构。

10.2.1 5G NR帧结构

LTE和5G的帧结构都采用了四级组成架构：帧（Frame）、子帧（Subframe）、时隙（Slot）、符号（Symbol），如图10-11所示。LTE的帧结构属于固定架构，5G NR无线帧和子帧的结构和LTE是一致的，长度也是固定的，从而使得5G NR和LTE可以相互兼容，利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。但5G NR子帧里的时隙和符号构成比LTE更灵活。

图10-11 LTE和5G的帧结构

5G NR帧结构中，数据发送的周期是以帧为单位进行，每个帧有个帧号，从0到1023循环使用，循环一周需要10.23s。部分控制信息的发送周期是以子帧为单位进行的，LTE和5G NR子帧也是上下行数据的分配单位，但5G NR在上下行切换方向位置可以是1个子帧里某一时隙的某个符号，上下行时间资源分配更加灵活。5G NR资源调度和同步的最小单位是时隙，这一点和LTE不同，LTE的资源调度和同步单位是子帧。5G NR和LTE的符号是最小可分配的时间资源单元，也是调制的基本单位，如图10-12所示。

图10-12 5G帧结构及各级含义

5G NR定义了灵活的时隙（Slot）和字符（Symbol）长度，可根据μ参数来灵活定义。举例来说，子载波间隔=30kHz（正常CP），一个子帧有2个时隙，所以1个无线帧包含20个时隙，280个符号；子载波间隔=120kHz（正常CP），一个子帧有8个时隙，所以1个无线帧包含80个时隙，1120个符号。5G NR SCS为30kHz和120kHz的无线帧结构如图10-13所示。

图10-13 5G NR SCS为15kHz和120kHz的无线帧结构

为了适应超高可靠低时延（uRLLC）的应用场景，5G定义了一种子时隙构架，叫Mini-Slot（微时隙）可用于快速灵活的服务调度。Mini-Slot由两个或多个符号（Symbols）组成，其中第一个符号包含控制信息，如图10-14所示，如低时延的HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）可配置在Mini-Slot上。Mini-Slot的使用也需要5G终端的支持。

图10-14 Mini-Slot的构成

10.2.2 5G NR时间单位

OFDM系统采用快速傅里叶变换及其逆变换，实现频域多个子载波与时域信号之间的映射。涉及的参数有FFT每个子载波的采样点数Nf、采样频率Fs、采样周期Ts。采样点Nf越大，变换过程中的信息失真越少，但对芯片的运算速度要求越高。采样频率Fs和采样周期Ts的关系互为倒数，如图10-15所示。

每个子载波的采样点数Nf与载波间隔Δf之积也是采样频率Fs，如图10-16所示。

图10-15 采样频率和采样周期的关系

图10-16 采样频率的公式

LTE的子载波间隔为15kHz，最大传输带宽20MHz，最多包含1200个子载波，其余带宽为保护间隔。这1200个子载波上分别承载着子序列信息。在做快速傅里叶变换及其逆变换时，采样点Nf不能少于1200才可以保证信息不会丢失。但在IT系统里，2的n次幂方便计算，所以这时，Nf取2048。于是LTE的采样间隔时间Ts就可以用如图10-17所示的方法来计算。Ts的计算结果为32.552ns。5G NR在子载波间隔为15kHz的时候，Ts也是32.552ns。

在5G NR中，最小的时间单位是Tc，大约为0.509ns，指的是子载波间隔为480kHz时候的采样周期，计算方式如图10-18所示。5G NR在6GHz以下最大带宽为100MHz，最多包含3276个子载波，采样点应该至少有4096个。

图10-17 采样间隔时间Ts的计算

图10-18 5G NR的最小时间单位Tc的计算

Ts与Tc之比就是5G NR的一个辅助参数，定义为κ，值为64，如图10-19所示。

图10-19 Ts与Tc之比

不论是LTE还是5G NR，采样频率是一直不变的，只是LTE中只有一种子载波间隔，OFDM符号长度不变，每个OFDM符号的采样点个数不变；但5G NR有多种子载波间隔，OFDM符号长度也不固定，每个OFDM符号的采样点数也不固定。

5G NR系统，时间单位经常用Tc作单位。举例来说，基站使用TA（Time Advance，时间提前量）值指示手机提前多少时间发送上行帧，如图10-20所示，实际上发送的不是TA的具体时间，而是发送NTA，指的是提前多少个Tc。

一个OFDM符号周期TOFDM应该包括有用符号时间Tu和循环前缀的时间Tcp，如图10-21所示。

图10-20 上行提前时间

图10-21 一个OFDM符号周期

其中，有用符号时间如图10-22所示。循环前缀的时间就可以用Tc的数目Ncp来表示，如图10-23所示。

图10-22 有用符号部分

图10-23 循环前缀的时间

不同子载波间隔Δf下，CP长度是不同的，所以Ncp的取值也是不同的，如图10-24所示。扩展CP的时间长度要比普通CP的时间长度大。普通CP情况下，第0个符号、第7个2μ的符号的时间长度比其他符号的时间长度大。

图10-24 Ncp的取值

按照上述方法，给出不同子载波的不同符号的CP的时间长度如表10-5所示。

表10-5 不同符号CP的时间长度

不同μ对应的不同符号、CP、时隙长度如表10-6所示。

表10-6 不同μ对应的不同符号、CP、时隙长度列表

举例来说，μ=0时，1个时隙14个符号，其中第0或7号符号的时间长度为：

(5.2+66.67)μs=71.87μs

其余符号的时间长度为：

(4.69+66.67)μs=71.36μs

那么，当μ=0时，Tslot=(71.87×2+71.36×12)μs=1000μs

μ=4时，1个时隙还是14个符号，1个子帧16个时隙，共16×14=224个符号。由于第0、112个符号CP长度比其他符号的CP长度长，所以这两个符号所在的时隙也比其他时隙长一些。也就是说，时隙的长度并不是都相同，平均是0.0625ms。

第0、112个符号的长度为：

(0.81+4.17)μs=4.98μs

其他符号长度为：

(0.29+4.17)μs=4.46μs

那么，第0、112个符号所在的时隙长度为：

(4.98+4.46×13)μs=62.96μs

其他时隙长度为：

4.46×14μs=62.44μs

那么，1个子帧共16个时隙，时间长度是：

（62.96×2+62.44×14）μs=1000μs（即1ms）

不同子载波对应的时隙和符号长度如图10-25所示。

图10-25 不同子载波对应的时隙和符号长度

10.2.3 灵活时隙配置

在时域资源的上下行配置上，5G与LTE相比，灵活度更大，颗粒度更细。

在LTE中，时域上下行的配置，最小颗粒度是以子帧作为单位的，包括上行子帧（U）、下行子帧（D）和特殊子帧（S）。TDD-LTE一共有7种上下行子帧配置，如表10-7所示。

表10-7 LTE以子帧为单位配置上下行资源

5G NR上下行时域资源配置更加灵活，上下行时域分配的颗粒度可精细到符号级（Symbol），上下行业务可以用符号为转换点，大大缩短转换间隔。

在5G NR一个时隙（Slot）共14个符号，符号级别的上下行配置叫作SFI（Slot Format Information，时隙格式信息），协议上8个bit，已定义的可选值范围是0～55，56～255是保留位，以后定义，如表10-8所示。其中，D表示下行链路，U表示上行链路；X表示可灵活配置（Flexible），X可配置为下行链路、上行链路、GP（Guard Period，保护间隔）或作为预留资源。

表10-8 SFI配置列表

为什么我们需要这么多的时隙格式？因为这样可使NR的上下行资源调度变得更加灵活。通过选用不同的SFI格式，我们可以把一个时隙配置成不同的上下行资源类型。比如，大型赛事现场、新闻媒体应用，上行链路特别繁忙，可以采取SFI为10的时隙配置格式，即13个符号上行，1个符号灵活配置。

5G NR中时隙类型更多，支持更多的场景和业务类型。根据SFI的不同、时隙上下行配置不同，我们可以将时隙类型分为四大类。

Type 1（类型1）：全下行（DL-only slot，如SFI为0时），适合下行流量大的业务，如图10-26所示。

图10-26 全下行结构

Type 2（类型2）：全上行（UL-only Slot，如SFI为1时），适合上行流量大的业务，如图10-27所示。

图10-27 全上行结构

Type 3（类型3）：全灵活资源（Flexible-only Slot，如SFI为2时），具有前向兼容性，在初始网络部署时可以为将来未知业务预留资源，也支持DL和UL资源自适应调整（动态TDD），也能支持为适应特殊场景对保护时隙（GP）符号数进行灵活配置，如大气波导场景等，如图10-28所示。

图10-28 全灵活结构

Type 4（类型4）：至少一个下行和/或一个上行（Mixed slot，也称混合时隙，如SFI为3～55）。类型4的时隙也具有前向兼容性，可以为未来未知业务预留资源；支持灵活的数据传输起始和终止位置（如非授权频段、动态TDD）等；支持GP符号数和位置的灵活配置。

类型4包含的时隙格式有很多，可以进一步分为5个子类，如图10-29所示。

LTE的上下行时域资源配置是为了避免干扰，要一个小区或多个小区采用相同的配置，而且是小区级静态配置。5G NR除了小区级时域资源配置之外，增加了UE级配置，还可以支持动态符号级的上下行资源调整。

图10-29 Type 4的细分

LTE只支持一次性配置，而5G NR支持多层嵌套配置，如图10-30所示。各层也可独立配置，以颗粒度最细的为主，如图10-31所示。

图10-30 上下行时隙资源多层嵌套配置

图10-31 上下行时隙各层独立配置

多层嵌套配置中，第一层是小区级配置，第二层是UE级配置，这两层都是通过RRC信令进行半静态配置，是子帧级的配置。这两层上下行时域资源的配置和子载波带宽没有关系。小区级配置在整个小区的范围内起作用，其中属于灵活调度（标注X）的子帧可在UE级进一步配置。配置周期可以为0.5,0.625,1,1.25,2,2.5,5,10ms。

第三层可以基于UE组进行时隙级的动态配置，配置的是第二层属于灵活调度（标注X）的时隙。配置周期为1，2，4，5，8，10，20个时隙，可以使用DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）format 2_0进行配置，与子载波带宽没有关系。

第四层是基于特定UE的符号级动态配置，配置的是第三层属于灵活调度（标注X）的符号。可以使用DCI format 0、1进行配置。

10.2.4 自包含帧

在移动通信系统中，自包含特性指的是信息接收方解码一个基本的数据单元时，不需要其他基本数据单元的协助，就能够成功地完成解码。

在人们的面对面交谈中，也有类似的问题。如果听众无须上下文的关联，仅一句话就能理解基本的数据单元，这叫自包含特性，比如，“请你上午9:00到复兴路9号”，这句话就具备自包含特性。听话的人很清楚这句话的意思；但是如果说“请准时到他家！”这句话不具备自包含的特性，听话的人需要先回忆说话者前面说过的句子，或者等待将要说的句子，把它们结合起来琢磨分析。说出去的话如果都是自包含的，可以显著减少信息交流的时延，降低听众理解信息的难度，减轻听众的记忆力负担和思考力的负担，信息交流的效率就会大幅提高。

5G NR的自包含特性（self-contained）使得基站或者终端在解码某一时隙或者某个波束的数据时，不需要缓存其他时隙或者波束的数据。5G NR的自包含帧解码一个时隙内的数据时，所有的辅助解码信息，如参考信号（RS）和ACK消息，都能够在本时隙内找到，不需要依赖其他时隙；解码一个波束内的数据时，所有的辅助解码信息，比如参考信号（RS）和ACK消息，都能够在本波束内找到，不需要依赖其他波束。如果没有这种特性，终端或者基站上就需要增加存储硬件的配置，也会额外产生处理本时隙或者本波束数据与其他时隙或其他波束数据的计算负荷。

5G NR的自包含子帧，具备如下三个特点：

1）同一时隙/子帧内包含DL（下行）、UL（上行）和GP（保护间隔），如图10-32所示。

图10-32 自包含时隙/子帧结构

在5G NR无线帧中，参考信号、DL控制信息都放在长度为14个OFDM符号的时隙的前部。当终端接收到DL数据负荷时，已经完成了对参考信号和DL控制信息的解码，能够立刻开始解码DL数据负荷。根据DL数据负荷的解码结果，终端能够在DL、UL切换的GP期间，准备好上行控制信息。一旦切换成UL链路，就发送UL控制信息。这样，基站和终端能够在一个时隙内完成数据的完整交互，大大减少了时延。

2）同一时隙/子帧内包含DL数据和相应的上行HARQ反馈，如图10-33所示。

这样可以实现更快的下行数据的HARQ反馈，降低RTT时延；端到端时延影响因素很多，包括核心网和空口；空口侧时延同时还受限于上下行帧配比，基站和终端处理时延等。自包含特性仅仅能够降低其中的一部分时延（下行数据重传时延）。

3）同一时隙/子帧内传输UL的调度信息和对应的数据信息，如图10-34所示。

图10-33 下行自包含子帧/时隙

图10-34 上行自包含子帧/时隙

这样可以更快地发送上行数据，保证低时延。更小的SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号）发送周期：跟踪信道快速变化，提升MIMO性能。

如前所述，5G NR的自包含特性有三大好处：降低信息交互的时延、降低对终端和基站的软件/硬件配置要求，同时也降低了系统功耗。

但是自包含特性对5G系统的实现也会带来挑战。

1）对终端硬件要求较高。基站发送完下行数据，在同一时隙/子帧内要求手机处理完给出反馈，这对终端硬件能力要求很大。一个子帧1ms，那么留给终端处理下行数据的时间仅有数十个μs，或数个符号。

2）增加GP开销。自包含特性带来频繁的上下行切换，每个上下行切换之间必须有GP。

3）小区覆盖范围受到限制。为了支撑自包含特性，GP的一部分需要预留，用于手机对DL数据的解调，以便生成ACK/NACK等。于是，较小的GP限制了小区覆盖范围（小区覆盖半径R=光速×GP/2），如图10-35所示。但是使用毫米波后，所需的GP本身就很小，这个问题就不大了。

图10-35 GP降低