5G无线技术基础自学系列 | 基础参数及帧结构

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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5G在空中接口的参数定义大多和LTE一致，包括时域资源和频域资源，其中，时域方面包括帧、时隙、上下行配比等；频域方面包括RB、CCE、BWP等。

3.2.1 Numerology

3GPP Rel-15协议引入了灵活Numerology，定义了不同的子载波间隔的循环前缀(Cyclic Prefix， CP) 长度。CP包括Normal CP和Extend CP两种类型，其中， Extend CP只有在子载波间隔为60kHz的时候可以支持，其余子载波间隔不支持。如表3-2所示， NR中支持5种Numerology配置，子载波间距的范围从最小15kHz到最大240kHz。

根据协议的规定，灵活Numerology支持的子载波间隔有15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz，其中， 240kHz子载波间隔只用于下行同步信号的发送。协议规定，不同频段支持的子载波间隔如表3-3所示。

μ的选择取决于各种因素，包括部署类型(室内/室外、宏基站/小基站等)、载波频率、业务需求(时延、可靠性和吞吐量等)、硬件损伤(振荡器相位噪声)、移动性和实现的复杂性等。例如，较宽的子波间距可用于时延关键型服务(如uRLLC) 、覆盖区域较小和载波频率较高的场景；较窄的子载波间距可以用于载波频率较低、覆盖区域较大、窄带设备和演进型多媒体广播/多播服务的场景。

3.2.2 帧结构

每个系统帧由10个子帧组成，每个子帧长为1ms。每个系统帧会被分成2个大小相等的半帧，每个半帧包含5个子帧。其中，半帧0包含子帧04，半帧1包含子帧59。在NR中，系统帧的编号为01023，一个系统帧内的子帧编号为09。

无线帧和子帧的长度固定，从而可以更好地保持LTE与NR间的共存。不同的是，5G NR定义了灵活的子载波架构，时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。

对于正常的循环前缀，一个时隙包含14个OFDM符号；对于扩展的循环前缀，一个时隙包含12个OFDM符号。由于OFDM符号的长度与其子载波间距成反比，子载波间距越大，一个OFDM符号的长度越短。相应的，时隙的长度也会随着选择的Numerology的不同而变化，这也意味着每个子帧包含的时隙数也会随着选择的Numerology的不同而变化。不同的子载波间隔对应的每子帧包含的时隙数如表3-4所示。

3.2.3 时隙格式

在NR中，一个时隙内的OFDM符号分为3类：下行符号(仅用于下行传输，以“D”表示) 、上行符号(仅用于上行传输，以“U”表示) 和灵活符号(Flexible Symbol，既可用于下行传输，又可用于上行传输，但不能同时用于上下行传输，以“X”表示)。

时隙格式取决于一个时隙内用于上行符号、下行符号以及灵活符号的OFDM符号数的不同。一个时隙可以仅用于下行传输(该时隙内所有的OFDM符号均为下行符号) ，也可以仅用于上行传输(该时隙内所有的OFDM符号均为上行符号) ，或者至少包含一个下行部分和至少一个上行部分(混合时隙) 。

不同的时隙格式类似于LTE中不同的TDD上下行子帧配比。不同之处在于， NR时隙格式中的上下行分配是OFDM符号级别的；而LTE TDD中的上下行分配是子帧级别的。与LTE TDD上下行子帧配比相比，NR时隙格式的变种更多，更加灵活。

NR支持多种时隙配比方案，基站可以通过以下几种方式给UE进行配置，从而实现动态的时隙配比调整。与LTE相比， NR增加了UE级配置，灵活性高，资源利用率高。多层嵌套配置示意图如图3-5所示，NR灵活性可以通过不同级别的配置实现。

(1) 第一级配置：通过系统消息进行半静态配置。

(2) 第二级配置：通过用户级RRC消息进行配置。

(3) 第三级配置：通过UE-group的DCI中的SFI指示进行配置(符号级配比) 。

(4) 第四级配置：通过UE-specific的DCI进行配置(符号级配比) 。

使用这么多种时隙格式的主要目的是使NR调度更加灵活，尤其是进行TDD操作时。通过应用一个时隙格式，或对多个时隙进行聚合，可支持多种不同的调度类型。

第一级为Cell-specific RRC configuration，即信令半静态配置，小区级半静态配置支持有限的配比周期选项，通过RRC信令实现上下行资源的灵活静态配置。

SIB1携带了以下配置参数。

UL-DL-configuration-common：{X， x1， x2， y1， y2} ，

UL-DL-configuration-common-Set 2：{Y， x3， x4， y3， y4} 。

其中，X和Y为配比周期，取值为{0.5，0.625，1，1.25，2，2.5，5，10}ms。

其中， 0.625ms仅用于120kHz SCS， 1.25ms用于60kHz以上SCS； 2.5ms用于30kHz以上SCS；小区半静态配置支持单周期和双周期配置。单周期配置示意图如图3-6所示。

双周期配置示意图如图3-7所示。

x1x3：全下行时隙数目。取值：{0，1，...，配比周期内时隙数}。

y1/y3：全上行时隙数目。取值：{0，1，...，配比周期内时隙数}。

x2/x4：全下行时隙后面的下行符号数。取值：{0，1，...，13}。

y2/y4：全上行时隙前面的上行符号数。取值：{0，1，…，13}。

这种Cell-specific半静态时隙格式在ServingCellConfig（NSA）和SIB1（SA）中配置。如图3-8所示， ServingCellConfig（NSA）和SIB1(SA) 中包含了TDD-UL-DL-ConfigCommon配置信息。

3.2.4 频域资源

NR的频域资源包括RG、RE、RB、REG、CCE、RBG等。

(1) RG：Resource Grid， PHY层资源组，上下行分别定义(每个Numerology都有对应的RG定义)。

时域：1个子帧。频域：传输带宽内可用RB资源。

(2) RE：Resource Element， PHY层资源的最小粒度。

时域：1个OFDM符号。频域：1个子载波。

(3) RB：Resource Block，数据信道资源分配基本调度单位，用于资源分配type1。

频域：12个连续子载波。

(4) RBG：Resource Block Group，数据信道资源分配基本调度单位，用于资源分配type0，可降低控制信道开销。

频域：{2，4，8，16}个RB。

(5) REG：Resource Element Group，控制信道资源分配基本组成单位。

时域：1个OFDM符号。频域：12个子载波(1PRB) 。

(6) CCE：Control Channel Element，控制信道资源分配基本调度单位。

频域：1CCE=6REG=6PRB。

CCE聚合等级：1、2、4、8、16。

Global Raster是全局的频点栅格，用于计算NR小区的中心频点， 5G频点号(NR-ARFCN) 计算公式如下：

其中， FGlobal为每个频点栅格的间隔，在5G中，频点栅格的间隔不是固定值，和具体的频段相关。详细的取值如表3-5所示。

Channe Raster用于指示空口信道的频域位置，进行资源映射(RE和RB的映射) ，即小区的实际的频点位置必须满足Channel Raster的映射。Channel Raster的大小为1个或多个Global Raster，与具体的频段相关。

Synchronization Raster是同步栅格，是5G第一次出现的概念，其目的在于加快终端扫描SSB所在频率位置。UE在开机时需要搜索SS/PBCH block，在UE不知道频点的情况下，需要按照一定的步长盲检UE支持频段内的所有频点。由于NR中小区带宽非常宽，如果按照Channel Raster去盲检，会导致UE接入速度非常慢，为此， UE专门定义了Synchronization Raster，其中， Synchronization Raster的搜索步长与频率有关。例如， Sub3G频段的搜索步长是1.2MHz， C-Band的搜索步长是1.44MHz，毫米波的搜索步长是17.28MHz。以n41频段为例， 100MHz带宽的载波， SCS=30kHz，有273个RB。如果按照1.2MHz扫描， 1200/30=40个SCS，需要扫描273x 12/40≈82次就能扫完整个载波；如果按照15kHz的信道栅格，则需要扫描6552次才能完成。采用Synchronization Raster显然非常有利于加快UE同步的速度。

全球同步栅格信道(Global Synchronization Channel Number， GSCN) 是用于标记SSB的信道号，在实际下发的测量配置消息中， gNodeB会将GSCN转换成标准的频点号下发。每一个GSCN对应一个SSB的频域位置SSREF(SSB的RB10的第0个子载波的起始频率) ， GSCN按照频域增序进行编号。

3.2.5 BWP

BWP的全称是Bandwidth Part(部分带宽) ，是NR标准提出的新概念；它是网络侧给UE分配的一段连续的带宽资源，可实现网络侧和UE侧灵活传输带宽配置；每个BWP对应一个特定的Numerology，是5G UE接入NR网络的必备配置。

BWP是UE级的概念，不同UE可配置不同BWP， UE不需要知道gNodeB侧的传输带宽，只需要支持配置给UE的BWP信息。

BWP主要有以下3类应用场景。

(1) 场景1：应用于小带宽UE接入大带宽网络。

(2) 场景2：UE在大小BWP间进行切换，达到省电的效果。

(3) 场景3：不同BWP配置不同Numerology，承载不同业务。

BWP主要分为以下4种类型。

(1) InitialBWP：UE初始接入阶段使用的BWP。

(2) Dedicated BWP：UE在RRC连接态配置的BWP；协议规定， 1个UE最多可以通过RRC信令配置4个Dedicated BWP。

(3) ActiveBWP：UE在RRC连接态某一时刻激活的BWP，是Dedicated BWP中的1个。协议规定，UE在RRC连接态某一时刻只能激活1个配置的Dedicated BWP作为其当前时刻的Active BWP。UE只在Active的下行的BWP中接收PDCCH、PDSCH、CSI-RS，在工作的上行的BWP中发送SRS、PUCCH、PUSCH。

(4) Default BWP：UE在RRC连接态时，当其BWP Inactivity Timer超时后UE所工作的BWP，也是Dedicated BWP中的1个，通过RRC信令指示UE哪一个配置的Dedicated BWP为Default BWP。