【5G NR】帧结构

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【5G NR】帧结构

2024-07-04 04:07| 来源: 网络整理| 查看: 265

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]:

表1. NR支持的参数集 [2]

在这里插入图片描述 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。

在这里插入图片描述

图1. 上行-下行定时关系 [8]  

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=Tc​Ts​​=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]。

表2-1. 正常循环前缀下,每个时隙的OFDM数、每个帧的时隙数、每个子帧的时隙数 [8]

在这里插入图片描述

表2-2. 扩展循环前缀下,每个时隙的OFDM数、每个帧的时隙数、每个子帧的时隙数 [8]

在这里插入图片描述

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。 在这里插入图片描述

图2. 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]。 在这里插入图片描述

图3. NR帧结构 (正常循环前缀)[12]   Reference [1]: 5G NR物理层规划与设计 [2]: 3GPP 38.300 [3]: 3GPP 38.101-1 [4]: 3GPP 38.101-2 [5]: https://www.txrjy.com/thread-1027912-1-1.html [6]: http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_Phy_Numerology.html [7]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/64108857?from_voters_page=true [8]: 3GPP 38.211 [9]: 3GPP 38.321 [10]: 3GPP 38.133 [11]: 3GPP 38.802 [12]: 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards


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