5G NR基础参数及帧结构

本篇主要讲述5G的基础知识——基础参数及帧结构

1、子载波间隔：

我们知道LTE中子载波间隔是固定的15kHz，但NR中采用了更加灵活的子载波间隔，如下表：

我们可以把它叫做numerology，也就是说NR中有5种不同的子载波间隔，每种子载波间隔给它起个编号，从0到4，对应的子载波间隔分别是15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz。也就是说：

5G中子载波间隔是15kHz的2的幂次方倍的扩展。这样方便不同子载波间隔的OFDM符号在时域上可以实现帧对齐，这对于TDD来说比较重要。
相位噪声和多普勒频移决定了15kHz这个下限，过小的子载波间隔会对频偏过于敏感，会导致不同子载波之间的正交性遭到破坏。
循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值，因为子载波间隔越大，OFDM符号时长越短，CP也就越短，CP的作用之一是抵抗多径时延，CP要大于最大多径时延，所以过短的CP会无法克服多径时延。

2、帧结构

LTE中每帧固定10ms，一帧中包含10个子帧，每个子帧1ms，一个子帧中固定有14个OFDM符号。NR中延续了LTE的帧长，主要是考虑到LTE还将长期存在，所以要考虑NR与LTE的兼容性。NR帧长10ms，包含10个子帧，每个子帧1ms，10个子帧前5个构成前半帧，后5个构成后半帧。
NR中子帧中包含的时隙个数与子载波间隔有关，不同子载波间隔情况下每个子帧中包含的时隙可以看前面那个表格，15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz子载波间隔下每个子帧分别包含1 2 4 8 16个时隙，每个时隙中包含14个OFDM符号，但60kHz情况下的扩展CP除外，因为60kHz的子载波间隔可以配置扩展CP，每个时隙中包含12个OFDM符号。在5种不同的子载波间隔中，60kHz不用于同步，240kHz不用于数据传输。
不同子载波间隔下，OFDM符号长度也不同。在时域上符号长度为T的子载波，通过傅里叶变换，在频域就是一个sinc函数，该sinc函数会在频率1/T处过0，而一个OFDM符号内的各个子载波就相当于是一个sinc函数在频域上的平移，平移的量就是子载波间隔。所以想要不同的子载波正交，一个sinc函数的最高点就要出现在其他sinc函数的0点，那么符号长度T与子载波间隔u之间的关系为

所以不同子载波间隔下OFDM符号长度分别如下：

就以15kHz为例，OFDM符号长度为66.67微秒，14个OFDM符号总共14*66.67=0.93338ms，1个时隙长1ms，所以剩下的时间就是CP的时间。

3、时隙格式：

在LTE中，上下行的配置是以时隙也就是子帧为单位，下表是LTE TDD的7种配置，表中U表示上行子帧，D表示下行子帧，S表示特殊子帧，包含上下行转换点，转换周期是5ms或10ms。

在NR中，上下行配置是以符号为粒度，配置更加灵活。具体的配置过程如下：
①首先配置小区半静态上下行配置
高层提供参数TDD-UL-DL-ConfigurationCommon，该参数中包含参考子载波间隔u（reference SCS configuration）和pattern1，pattern1中又包含

时隙配置周期（slot configuration period） P ms
下行时隙数Dslots（number of slots with only downlink symbols）
下行符号数 Dsym（number of downlink symbols）
上行时隙数Uslots（number of slots with only uplink symbols）
上行符号数Usym（number of uplink symbols）
其中配置周期P=0.625ms仅对120kHz子载波间隔有效，P=1.25ms仅对60和120kHz子载波间隔有效，P=2.5ms仅对30 60和120kHz子载波间隔有效。那么一个配置周期就可以通过公式S=P*2u得知该周期包含多少时隙。在这些时隙中，前Dslots个时隙是下行时隙，接着是Dsym个下行符号，接着是Usym个上行符号，最后是Uslots个上行时隙。S个时隙中配置完上下行之后，剩下的就是灵活符号X。
如果参数同时给了pattern1和pattern2，则可以连续配置两种不同的时隙格式，pattern2中的参数形式和pattern1类似。

②然后配置小区专用上下行配置
如果在①中配置的基础上，进一步提供了高层参数 TDD-UL-DL-ConfigDedicated，那么该参数可以配置参数TDD-UL-DL-ConfigurationCommon配置的灵活符号。也就是说①中配置的上下行符号不可以改变，但灵活符号可以被TDD-UL-DL-ConfigDedicated重写。
该参数提供一系列时隙配置，对于每个时隙配置，提供时隙索引slot index和符号配置，对于slot index指定的slot，其：

if symbols = allDownlink, all symbols in the slot are downlink
if symbols = allUplink, all symbols in the slot are uplink
if symbols = explicit, nrofDownlinkSymbols provides a number of downlink first
也就是说如果是explicit，那么参数nrofDownlinkSymbols 提供下行符号的数量，nrofUplinkSymbols 提供上行符号的数量，下行符号在最前面，上行符号在最后面，如果参数nrofDownlinkSymbols 未被提供，则没有下行符号，如果nrofUplinkSymbols 未被提供，则没有上行符号。配置完之后若还有剩余，则剩余的符号还是灵活符号X。②中的参考子载波间隔reference SCS configuration与①中相同。

③动态DCI上下行配置
动态DCI实现的上下行配置通过DCI format 2-0实现，或者直接通过DCI format 0-0 0-1 1-0 1-1的上下行数据调度直接实现。DCI format 2-0专门用作SFI指示。SFI主要根据单时隙可支持的时隙格式，实现周期的帧结构配置，也就是从收到DCI format 2-0开始，持续PDCCH monitoring period个slot，这些slot都按照这个DCI中的SFI（slot format indicator）的指示来配置。单时隙支持的最大格式数为256个，已经标准化的格式为56个，可以直接参考协议38213 表11.1.1-1，下面截取表格的一部分：

如果上面的几种情况有冲突时，覆盖规则为：
①中配置的上下行不可改变，灵活符号可以被②或③改变；②中配置的上下行可以被③改变。
也就是说小区半静态配置是一个框架性的结构，小区专用上下行配置和DCI上下行配置是在这个基础上进行进一步的灵活配置。当基站希望采用更加固定的帧结构时，小区半静态上下行配置可以分配尽可能多的上下行符号，当基站希望帧结构更加灵活时，小区半静态配置可以尽量多的留一些灵活符号。
被①和②配置为上行的符号，UE不希望后续DCI或高层信令指示来发送下行内容，反之亦然。未被小区公共半静态配置和小区专用半静态配置配置为上下行的符号，当DCI和高层指示不冲突时，若指示用作上行发送则进行上行发送，指示为下行发送则进行下行发送。如果高层指示为上行发送，但DCI指示为下行，则UE不进行上行发送，反之亦然。如果高层指示为上行发送，DCI未做任何指示，则可以进行上行发送，下行也一样。