5G无线技术基础自学系列 | 无线帧结构

Posted 2022-12-04 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络优化实践》

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1.3.1 基本时间单位

NR物理层的基本时间单位为TC，与LTE的基本时间单位TS关系如下：

LTE的基本时间单位TS通过下式计算得到：

根据协议，LTE支持6种不同的传输带宽1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15MHz、20 MHz，子载波间隔为15kHz，所以最大传输带宽20MHz共含有1200个子载波，其余带宽为保护间隔。这1200个子载波分别承载着子序列信息，在做IFFT时，频域采样点数不能少于1200才可以保证信息不会丢失，但在计算机系统里，采样点数必须是2的幂次方，因此采用2048点的IFFT生成OFDM符号。

频域2048个点意味着时域也是2048个采样点，LTE子载波间隔是15kHz，对应OFDM符号长度为1/15000s，符号长度除以2048个采样点，得到采样间隔Ts，即LTE中OFDM符号的采样间隔，为3.255×10-8s。

NR时间单位TC的定义如下（参阅TS38.211　4.1节，实现方式和LTE类似）：

TR38.802规定，5G可扩展子载波间隔至少从15kHz到480kHz（规范中暂未使用480kHz），得到NR最小OFDM符号长度为1/480000s。FR1和FR2频段最大支持的RB数为273个，共有子载波273×12=3276（个），因此需采用4096点的IFFT生成OFDM符号。符号长度除以采样点数得到NR的OFDM符号的采样间隔TC为5.086×10-10s。

不论是LTE还是NR，采样频率固定。LTE子载波间隔固定为15kHz，OFDM符号长度不变，所以每个OFDM符号的采样点个数不变，但NR有多种子载波间隔，OFDM符号长度不固定，因此每个OFDM符号的采样点数不固定。

1.3.2 无线帧结构

NR无线帧长度为10ms，由10个子帧构成，每个子帧长度为1ms，对应1966080TC。一个子帧可以包含一个或多个时隙，每个时隙固定包含14个OFDM符号。与LTE最小调度周期为一个子帧不同，NR以时隙（slot）为调度单位，其时域长度灵活可变。NR无线帧结构如图1-20所示。

NR的帧结构以时隙（slot）为粒度，共支持4种时隙类型。

①Type 1：时隙中14个符号全下行，DL-only slot；

②Type 2：时隙中14个符号全上行，UL-only slot；

③Type 3：全灵活资源，配置为上行或下行，Flexible-only slot；

④Type 4：至少一个上行或下行符号，其余灵活配置（自包含时隙）。

表1-17给出了不同子载波间隔时，无线帧、子帧、时隙长度和符号数间的关系。

正常CP情况下子载波带宽配置与时隙长度如图1-21所示。

图1-20　NR无线帧结构

表1-17　不同SCS配置对应时隙长度（TS38.211表4.3.2-1）

注：μ为5G新引入的变量，不同取值对应不同参数集合。

图1-21　正常CP情况下子载波带宽配置与时隙长度

注：Nslot表示每个时隙符号数；Nframe表示每个无线帧时隙数；Nsubframe表示每个子帧时隙数。NR无线帧结构支持单周期和双周期两种配置方式，其配置参数由分配周期、下行时隙数、下行符号数、上行时隙数和上行符号数组成，由SIB1下发给UE。

上下行时隙配置如图1-22所示。

图1-22　上下行时隙配置示意图

NR支持的上、下行时隙配比有8:2、7:3、4:1和3:1四种，其对应的无线帧结构如下：

①2.5ms双周期帧结构（7:3，DDDSUDDSUU）； ②5ms单周期帧结构（8:2，7D1S2U）；

③2.5ms单周期帧结构（4:1，3D1S1U）；

④2ms单周期帧结构（3:1，DSDU）；

⑤2ms单周期帧结构（3:1，DDSU）；

⑥2.5ms单周期帧结构（4:1，DDDDU）。

中国移动4.9G、中国电信3.5G和中国联通3.5G采用2.5ms双周期帧结构，中国移动2.6G为了兼容LTE采用5ms单周期帧结构。下面分别对几种时隙配比的无线帧结构进行描述（子载波带宽30kHz）。

1．2.5ms双周期帧结构（7:3，DDDSUDDSUU）

2.5ms双周期帧结构仅用于FR1频段。无线帧中每5ms里面包含5个下行时隙D、3个上行时隙U和2个特殊时隙S，如图1-23所示。

特殊时隙采用10:2:2配置时，该模式可支持最多7个SSB块（同步信号块）。从容量上来看，该模式上下行时隙配比为7:3，能提供的上行吞吐率最大。

图1-23　NR 2.5ms双周期帧结构

2．5ms单周期帧结构（8:2，7D1S2U）

5ms单周期帧结构仅用于FR1频段，每5ms包含7个下行时隙D、1个特殊时隙S和2个上行时隙U。该模式可兼容现网2.6GHz TD-LTE，相对于LTE有3ms的时域偏移，如图1-24所示。

图1-24　NR 5ms单周期帧结构

为了和LTE兼容，NR特殊时隙S需配置为6:4:4，可支持最多8个SSB块。该模式下行时隙配比多，上下行转换点少，有利于提高下行吞吐量，不足之处是调度时延较大。

3．2.5ms单周期帧结构（3:1，3D1S1U）

2.5ms单周期帧结构适用于FR1和FR2频段。每2.5ms包含3个下行时隙D、1个特殊时隙S和1个上行时隙U，如图1-25所示。

该模式下行时隙配置较多，有利于提高下行吞吐量。与5ms单周期帧结构相比，该模式的不足之处是上下行转换点增多，但可以降低调度时延。

图1-25　NR 2.5ms单周期帧结构

4．2ms单周期帧结构（3:1，DSDU）

每2ms里面包含2个全下行时隙D、1个上行时隙U和1个特殊时隙S，其中特殊时隙配比可设为D:GP:U=10:2:2（可调整），上行时隙可设为D:GP:U=1:2:11（GP长度可调整），如图1-26所示。优势表现为时延短，但上下行转换点过多，容易影响性能。

图1-26　NR 2ms周期帧结构

5．2ms单周期帧结构（3:1，DDSU）

每2ms里面包含2个全下行时隙D、1个全上行时隙U和1个特殊时隙S，其中特殊时隙配比可设为D:GP:U=12:2:0（GP长度可调整，且大于等于2），如图1-27所示。

图1-27　NR 2ms帧结构

6．2.5ms周期帧结构（4:1，DDDDU）

每2.5ms里面包含5个双向时隙，其中4个下行为主时隙、1个上行为主时隙。上行时隙配比为D:GP:U=1:1:12。下行时隙配比为D:GP:U=12:1:1，如图1-28所示。

图1-28　NR 2.5ms帧结构

为了降低空口时延，NR引入了自包含帧结构，即一个时隙中同时有下行符号D、保护间隔GP和上行符号U，如图1-29所示。自包含帧能显著降低空口时延，适用于uRLLC业务。

图1-29　NR自包含帧时隙结构（示意图）

格式1：主要用于下行数据传输。时隙由1个下行控制符号、11个下行数据符号、保护间隔GP和1个上行控制符号共14个OFDM符号组成。下行调度、数据传输和HARQ反馈可以在同一个时隙完成。

格式2：主要用于上行数据传输。时隙由1个下行控制符号、保护间隔GP、11个上行数据符号和1个上行控制符号共14个OFDM符号组成。上行调度和数据传输可以在同一时隙完成。