移动通信基础（8）帧结构

5G子载波间隔与时隙

微时隙

主流帧结构

帧结构配置

半静态帧结构配置

动态DCI上下行配置

不同配置的优先级

帧结构决定过程

5G子载波间隔与时隙

NR支持更多的业务场景，需要更多的参数配置来满足不同特点的场景。载波频率低时，信号衰落慢，所以可以支持半径较大的小区，所以CP长度需要足够长才能抵抗较大的时延扩展，此时使用15kHz或30kHz的SCS即可;应用高频时，相噪影响会更大，因此需要配置更大的SCS，小区半径也比较小，可以配置更短的CP。所以，NR使用灵活的子载波间隔配置，更大的SCS等于基线SCS 15kHz乘以2的幂次。选用15KHZ为基线，是考虑了NR和LTE共存的问题。

NR的帧结构与LTE是不同的，一个无线帧是10ms，包含10个1ms的子帧。一个子帧包含若干时隙(slot)，数量与子载波间隔有关。在正常循环前缀下，子载波间隔为15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz, 240kHz对应的时隙数量为1, 2, 4, 8, 16。一个时隙固定包含14个OFDM符号。也就是说，子载波间隔越大，一个时隙的时间长度越小，一个符号的时间也越短.一个符号上的一个子载波被定义为RE (Resource Element，资源单元)，即由时域和频域共同决定，RE是NR系统里最小的物理资源。频域上连续12个子载波被称为一个RB(Resource Block，资源块)或者PRB(Physical Resource Block,物理资源块)。

LTE的帧结构是固定的，5G的帧结构支持灵活配置的OFDM参数集，时隙长度和OFDM符号个数根据子载波配置参数μ和CP类型变化，如表所示。

为了实现4G向5G的平稳过渡，同时适应更多样化的业务类型和更高的频谱，5G新空口（New Radio,NR）在保留4G帧结构基本特征的基础上，采用灵活的子载波间隔（subcarrier spacing,SCS）实现无线帧结构的设计。 SCS（子载波间隔）的增大可以降低传输时延，提高系统的传输性能。SCS的下限由相位噪声和多普勒频移决定，过小的SCS会对频偏过于敏感，易破坏不同子载波之间的正交性。SCS的最大值由循环前缀（Cyclic Prefix,CP）决定，SCS越大，OFDM符号时长越短，CP也就越短，过短的CP会无法克服多径时延。

SCS采用15k Hz的2的幂次方倍的扩展，便于不同SCS的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）符号在时域上可以实现帧对齐。这种算法与系统数字化二进制的计算特性非常匹配，具有算法简单、效率[5]高、操作方便的特点，提高了系统的适应性与灵活性。同时，SCS的增大可以降低传输时延，提高系统的传输性能

5G帧结构是在LTE标准基础上进行设计的。根据协议38.211,5G上下行链路一个无线帧(Radio Frame)的时长固定为10 ms, 由10个子帧(Subframe)组成，编号为0～9,每个子帧的长度固定为1 ms, 如图1所示。

5G每个时隙中的“符号+CP”也有常规CP和扩展CP 2种模式。5G系统中信息承载单元的定义方式, 延续了4G系统的设计理念, 同样采用了时域频域共同定义的二维平面资源粒子作为最小的信息承载单元, 即1个资源粒子由1个时域符号和1个频域子载波组成, 该资源粒子中承载的二进制数据由基带调制方式决定。可以看出, 4G的资源粒子固定不变, 但5G的资源粒子因符号时长和子载波宽度的变化而灵活多变。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。

微时隙

5G NR主要采用常规CP，每个时隙固定14个OFDMA符号。要实现低时延的数据传输，将使用较大的SCS，以缩短时隙的持续时间。此时，CP也将随着SCS的增大而缩短，前述帧结构不适用于所有的部署场景。因此，5G NR提出微时隙（mini-slot）的结构来实现低时延，即允许每次只传输时隙的一部分。一个时隙可以支持2、4、7个符号的传输。给出了可用于物理下行共享信道（PDSCH）和物理上行共享信道（PUSCH）的微时隙结构，分别携带2和4个符号。此外，这种传输机制还可以用于改变数据传输的顺序，将微时隙的传输数据插入到已经存在的常规时隙传输数据之前，从而获得极低的时延。

主流帧结构

5G系统以符号为粒度实现无线资源的调度[6]，支持符号级的上下行变化。相比于LTE的子帧级别，5G能更有效的利用时域资源。5G NR提出了自包含（Self-contained）时隙/子帧设计，可以在一个时隙内完成下行混合自动请求重传（Hybrid Automatic Repeat re Quest,HARQ）反馈和上行数据调度，达到降低往返时延（Round-Trip Time,RTT）的目的。一个时隙内的OFDM符号类型可以灵活的被定义为下行符号、上行符号和灵活符号。下行数据发送可以在下行符号和灵活符号进行，上心数据发送可以在上行符号和灵活符号进行。灵活符号包含上下行转换点，NR支持每个时隙包含最多两个转换点。

5G NR采用了多种时隙配比的帧结构，图中展示了三种主流帧结构，对应的SCS为30kHz。帧结构由全下行时隙D、全上行时隙U和特殊时隙S组成。其中，特殊时隙的下行符号、保护间隔（Guard Period,GP）和上行符号的配比灵活可调，GP可占2～4个符号长度，图2所示配比为10:2:2。2.5ms双周期的帧结构更适配eMBB业务，2.5ms单周期的下行传输机会更多，下行同步信令块（SSB）覆盖可获得更多的增益，下行容量可以获得更多的增益。

帧结构配置

NR帧结构配置采用半静态无线资源控制（RRC）配置和动态下行控制信号（DCI）配置结合的方式进行灵活配置。

核心思想：兼顾可靠性和灵活性

RRC配置支持：小区专用的RRC配置、UE专用的RRC配置

DCI配置支持：由时隙格式指示（SFI）直接指示和DCI调度决定

半静态帧结构配置

LTE中上下行资源识别只有半静态配置一种。在标准中预先定义了７种不同的上下行时隙配置。对于每种上下行配置中的特殊子帧，标准也定义了数种固定的特殊子帧配置选项。这些配置需要在终端接入系统之前就要被识别出来，从而终端在接入系统之前就已经确定性获悉在每５／１０ｍｓ周期内，哪些资源是上行资源，哪些资源是下行资源，哪些资源是用于下行道上行转换的间隔GP。

在LTE的帧结构配置中,也遵循一定的规则.在每个重复周期内,首先是一个含有同步信号的系统信息下行子帧(包含固定系统信息的子帧),然后接一个包含下行道上行转换点的特殊子帧,特殊子帧之后是上行子帧.当周期内的下行子帧多于上行子帧时,上行子帧后跟着下行子帧(总是下行-上行-下行的资源配置方式,包括下行到上行和上行到下行各一个转换点)

缺点:下行资源到上行资源的转换间隔和组合相对受限,这种限制使TDD系统面对远端基站干扰时，下行可以妥协规避干扰的余地受限．因此，NR 设计中没有继续沿用LTE中基于表格指示的上下行资源配置和特殊时隙配置联合的方式,而是采用新的更加灵活的配置原则.

1.基于周期的配置方式,每个周期中只有一个下行到上行的转换点

保证每个周期中下行资源连续,上行资源连续
独立的下行和独立的上行资源配置指示
无须额外的GP配置指示

2. 上下行响应时延的灵活性

为了支持不同时延响应的要求,需要支持不同的周期配置,不仅限于LTE的5ms周期或10ms周期
通过双周期下行和上行资源配置方式,提供更灵活的周期组合和上下行资源配置组合

3.友好的前向兼容性

需要由足够数量的配置保证小区级的上下行资源配置,在此基础上支持UE级上下行资源配置.小区级和UE级的上下行资源指示,最小颗粒度均为符号级.

小区专用的半静态上下行公共配置信息由下行时隙数,下行公共符号数,上行时隙数,上行公共符号数,上下行发送周期,参考子载波间隔6个参数决定

小区专用的半静态上下行公共配置信息参数2由下行时隙数,下行公共符号数,上行时隙数,上行公共符号数4个参数决定.(为了支持连续两个周期的不同上下行配比,小区专用的半静态上下行公共配置信息和小区专用的半静态上下行公共配置信息参数两个配置串联在一起)

UE专用的半静态上下行公共配置信息主要作为测量配置,由UE专用的RRC配置信息发送.被配置的符号可根据配置的具体内容进行相应的上下行发送

动态DCI上下行配置

为了减少DCI的开销,基站会在单时隙表格中选择部分值,然后把这些值根据不同的SFI(时隙格式指示)周期,组成若干个时隙SFI组合.这些组合会通过高层RRC信令通知给UE,DCI每次只进行多时隙SFI的序号指示.

不同配置的优先级

NR中的RRC高层配置和DCI物理层配置均可以实现对帧结构的修改.NR 中半静态上下行配置,半静态测量配置,动态SFI和DCI覆盖规则如下

半静态上下行配置的上行及下行不能被修改,半静态上下行配置的灵活符号可以由半静态测量配置, 动态SFI和DCI配置更改
半静态上下行配置中的上下行配置可以被动态SFI和DCI配置更改,一旦更改发生,半静态测量相关行为将被终止
DCI配置的数据发送不能和SFI配置的上下行冲突,但是可以对SFI配置中的灵活部分进行更改

帧结构决定过程

根据优先级规则,基站进行小区级和UE侧的帧结构配置.小区级的半静态配置提供基础的框架性结构,UE专用半静态配置和DCI级别配置在小区级半静态配置基础上进行进一步的灵活配置.

基站希望采用固定的帧结构时,小区半静态配置可以分配尽量多的固定上下行符号.
基站希望进行更动态的帧结构分配时,小区半静态配置可以分配更多的灵活符号.通过SFI及DCI调度等方式实现更多符号的动态使用.

系统配置RRC参数>>帧结构的确定

被配置为接收SS/PBCH的符号,不能用于上行PUSCH,PUCCH,PRACH或SRS的发送.
如果通过DCI格式0_1给UE分配了多时隙的PUSCH发送,而里面任何一个时隙中如果由符号被上下行公共配置,上下行公共配置参数集2或上下行专用配置等信号配置为下行,那么DCI调度的该时隙不用做PUSCH的发送.