G的空中接口称为NR（New Radio，新空口），铁哥在《5G通信前沿》的上一篇文章中介绍的大规模MIMO即为5G NR的关键技术之一。本期文章将继续为大家介绍5G NR的另一项重要内容——帧结构。

谈起帧结构，首先不得不说的就是复用技术。所谓复用技术，就是在同一信道上同时传输多路信息的方法，这是移动通信网的核心技术之一。

从1G到4G，复用技术经过了频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、码分复用（CDM）和正交频分复用（OFDM）的历程。在经过研究比较之后，3GPP确定5G NR采用与4G LTE相同的复用技术——OFDM。其主要原因是：OFDM能以相对简单的方法实现对频率和时间的充分利用，并且可以很好地抵抗时间色散（即多径传播造成的符号间干扰）。

在多址技术方面，5G NR的上下行链路都采用了OFDMA技术，这样可以简化5G NR的整体设计。但是，4G LTE上行采用的DFT-S-OFDMA技术并没有被5G NR完全舍弃，而是被保留为上行链路的辅助多址方式。因为在某些场景下，需要利用DFT-S-OFDMA的峰均比低、功率放大效率高的优势。

与4G LTE的子载波间隔固定为15kHz不同，5G NR采用了灵活的可变子载波间隔，包括15kHz、30kHz、60kHz、120kHz和240kHz五种选择。CP有正常型和扩展型两种。具体如表1所示。

表1 5G NR的子载波间隔参数集

Cyclic prefix

0

15

Normal

1

30

Normal

2

60

Normal, Extended

3

120

Normal

4

240

Normal

（表格引自3GPP R15 TS38.211规范）

参数μ的取值取决于网络部署选项类型、频率、业务需求、移动性等因素。例如，对于时延敏感型业务或是较高的频段，需要取较大的μ值；对于时延不敏感的业务或是较低的频段，可以取较小的μ值。在频率方面，μ0、1、2适用于6G以下频段,μ=3、4适用于6G以上频段。

子载波间隔最小为15kHz是由相位噪声和多普勒效应决定的。如果子载波间隔太小，相位噪声会产生过大的信号误差，如果要降低相位噪声则会对本地晶振提出过高的要求。同时，如果子载波间隔太小，也会导致物理层容易受到多普勒效应产生的频偏的干扰。

子载波间隔的最大值受到CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度的制约。CP的作用是消除时延扩展，克服多径效应的影响。因此，CP的长度必须大于信道的时延扩展。在5G网络中，信道时延扩展的最大均方根值是0.2μs。而当子载波间隔为240kHz时，其CP时长是0.2915μs，刚好大于0.2μs。

5G NR每个无线帧的长度为10ms，每帧包括10个时长为1ms的子帧。5G NR的帧和子帧的长度与4G LTE相同，利于在4G和5G网络共同部署模式下，进行帧同步，简化小区搜索和频率测量。

5G NR的每个子帧由若干个时隙构成，具体的时隙数量取决于子载波间隔的大小（μ

值）。正常CP情况下，每个时隙包括14个OFDM符号；扩展CP情况下，每个时隙包括12个OFDM符号，扩展CP只在子载波间隔为60kHz时出现。

μ值与时隙数的关系如表2和表3所示。

表2 正常CP情况下，每时隙的OFDM符号数、每帧的时隙数、每子帧的时隙数

μ

Nslotframe,μ

0

14

10

1

1

14

20

2

2

14

40

4

3

14

80

8

4

14

160

16

（表格引自3GPP R15 TS38.211规范）

表3 扩展CP情况下，每帧的OFDM符号数和时隙数，每子帧的时隙数

μ

Nslotframe,μ

2

12

40

4

（表格引自3GPP R15 TS38.211规范）

如果用图形的方式来表示5G NR的帧结构，则如图1所示。

图1 5G NR的帧结构

为什么在正常CP情况下，5G NR每个时隙内的OFDM符号是14个呢？这要从4G LTE说起。

我们知道，在4G LTE中，每个时隙的长度固定为0.5ms，子载波间隔固定为15kHz。那么，在一个时隙里，有0.5ms×15kHz=7.5个正弦波周期。而调制是以正弦波周期为单位进行的，所以1个正弦波周期对应1个OFDM符号。这样，4G LTE的1个时隙可容纳7个OFDM符号。多出来的0.5个符号作为CP平均分配在7个OFDM符号之间。5G NR为了与4G共同部署组网，所以沿用了这一规则。当5G NR的子载波间隔为15kHz

时，每个时隙长度是1ms，因此在正常CP情况下，每个时隙内的OFDM符号是14个。在扩展CP情况下，由于CP加长，每个时隙内的OFDM符号数量减少到12个。当子载波间隔增大时，时隙变短，OFDM符号的长度也相应变短，每个时隙里的OFDM符号数量保持不变。

在TDD的情况下，每个时隙里的OFDM符号可以是下行、上行或灵活配置3种状态，具体由slot formats来定义。正常CP情况下，slot formats配置如表4。

表4 正常CP下的slot formats

（表格引自3GPP R15 TS38.213规范）

表中D表示下行，U表示上行，F表示可灵活配置。众多的slot formats选项使得5G NR可以灵活配置上下行OFDM符号的比例，从而适应不同业务的需求。

迷你时隙：在毫米波频段，由于带宽很大，往往几个OFDM符号就可以完成数据传输，不需要用完整个时隙的14个符号。因此，为了满足低时延业务的需求，5G NR定义了一种子时隙架构，称为Mini-Slot（迷你时隙）。迷你时隙由2个或2个以上OFDM符号组成（普通时隙由14个OFDM符号组成）。迷你时隙可以插在已经存在的某个常规时隙的前面，而不必等到每个时隙的开始之处才开始传输。这对于使用非授权频段的场景是非常有用的。因为在非授权频段通信时，一旦侦测到某个无线信道有空闲，就应当立即开始数据传输，而不是等到这个时隙结束，下个时隙开始。否则，在等待期间，无线信道就可能被别人占用了。

4. RE（资源单元）、RB（资源块）

与4G LTE相同，5G NR的RE由时域上的一个OFDM符号和频域上的一个子载波组成，一个时隙上的所有OFDM符号和频域上的12个子载波构成一个RB。前面我们提到过，，随着μ值的增大（即子载波间隔的增大），5G NR的时隙长度和OFDM符号的长度都缩短。这样就导致当RE和RB在频域上延长时，在时域上的将缩短（见表5），这有利于实现低时延的数据传输。