5G NR的帧结构

donnar

大家都已经很熟悉LTE及其使用的OFDM调制技术。经过一番挑选和权衡，5G NR最终判定，OFDM依然是最适合它的的调制技术。OFDM能够很好地抵御时间色散（即由于多径传播信号的不同路径的时延差别造成符号间干扰）对通信质量的影响；OFDM能够用简便的方法实现对时域资源和频域资源的充分利用；这些都是OFDM能够战胜FBMC、GFDM、UFMC等对手的重要原因。和LTE在上行链路使用DFT-S-OFDM不同，5G NR的上行链路基本上使用与下行链路一样的常规OFDM，因为对于具有空间复用功能的接收机来说，常规OFDM更有利于简化设计，而且可以统一上、下行链路的传输机制。DFT-S-OFDM仍然保留作为5G NR上行链路的辅助调制方式，因为在有些场景下，需要用到它峰均比低、功率放大效率高的优势。

       为了支撑多种多样的部署场景，适应从低于1GHz到毫米波的频谱范围，5G NR支撑灵活可变的OFDM numerology，其子载波间隔可以在15KHz到240KHz的范围内选择，相应的循环前缀（CP，cyclic prefix）同时进行成比例的调整。5G NR的子载波间隔为15X2^n KHz，其中n为整数，而15KHz是4G LTE使用的子载波间隔。扩展系数2^n意味着不同的numerology的时隙和OFDM符号在时域是对齐的，这对于TDD网络有着重要的意义。参数N的选择取决于很多因素，包括部署的方式（FDD或者TDD）、载频、业务需求（时延、可靠性和数据速率）、硬件品质（本地晶振的相位噪声）、移动性，以及实现复杂性。比如，设计大的子载波间隔的目的是支撑时延敏感型业务（URLLC）、小面积覆盖场景，和高载频场景，而设计小的子载波间隔的目的是支撑低载频场景、大面积覆盖场景、窄带宽设备，和增强型广播/多播（eMBMSs）业务。

       为什么子载波间隔的下限是15KHz，而上限是240KHz？简单地说，相位噪声和多普勒效应决定了子载波间隔的最小值，而循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值。

       大家当然希翼子载波间隔越小越好，这样在带宽相同的情况下，能够传输更多的数据。但如果子载波间隔太小，相位噪声会产生过高的信号误差，而消除这种相位噪声会对本地晶振提出过高要求。如果子载波间隔太小，物理层性能也容易受多普勒频偏的干扰。为什么子载波间隔为15KHz时，不需要担心相位噪声和多普勒效应呢？3GPP设计Release 8 LTE规范时曾做过详尽的研究比较，这里就不赘述了。

       如果子载波间隔的设置过大，OFDM符号中的CP的持续时间就太短。设计CP的目的是尽可能消除时延扩展（delay spread），从而克服多径干扰的消极影响。CP的持续时间必须大于信道的时延扩展，否则就起不到克服多径干扰的作用。因此，CP时长（或者说信道的时延扩展）决定了子载波间隔的最大值。对sub 6GHz频段和毫米波频段的实际测量发现，不同频段的时延扩展差不多，基本不受频率高低的影响；而且，与非视距（NLOS）场景相比，视距（LOS）场景下的时延扩展小得多。时延扩展的最大均方根值（RMS）是0.2微秒，这决定了最大子载波间隔是240KHz，因为根据OFDM的技术特点，当子载波间隔是240KHz时，CP时长是0.2915微秒，刚好大于0.2微秒。

       在带宽上限是400MHz的前提下，可以使用的子载波最大数量是3300个，因此不同子载波间隔的最大带宽也不同——15/30/60/120 kHz子载波间隔对应的最大带宽分别是50/100/200/400 MHz。如果需要更大的带宽，则需要用到载波聚合技术。

       尽管NR的物理层规范适用所有的频率，但并不是所有的numerologies都适合所有的频率。3GPP当前只分配了2个频段给5G使用：0.45GHz—6GHz的频段称为FR1频段，而24.25GHz—52.6 GHz的频段称为FR2频段。6GHz—24.25GHz之间的频段目前还没有被分配使用。FR1频段可以使用子载波间隔为15/30/60KHz的numerologies，而FR1频段可以使用子载波间隔为60/120KHz的numerologies。子载波间隔为240KHz的numerology只能用于同步信道（PSS，SSS和PBCH），不能用于数据信道（PDSCH、PUSCH等）；子载波间隔为60KHz的numerology只能用于数据信道（PDSCH、PUSCH等），不能用于同步信道（PSS，SSS和PBCH）；其它的numerologies既能够用于数据信道，也能够用于数据信道。

       LTE中，所有的终端都支撑最大20MHz的载波带宽。但在5G NR中，由于其带宽比较大，要求所有终端都支撑最大的载波带宽并不合理。为了减少终端的能耗，5G NR允许进行终端自己对接收带宽进行调整。带宽调整机制意味着，终端可以平时使用适度的带宽监测控制信道，并且以适度的数据速率接收数据，然后只有在需要时，启用大的接收带宽，以很高的数据速率来接收大流量数据。

       为了实现上述功能，5G NR定义了带宽分块（bandwidth parts）机制，来指示当前终端判定用来接收数据（基于某个特定的numerology）的某个带宽范围。如果一个终端能够同时接收几个带宽分块（bandwidth parts），那么原则上，这个终端就有可能在一个载波上，混合不同numerologies传输的数据，尽管Release 15仍然只允许终端激活一个带宽分块（bandwidth parts）。

       在时间域，5G NR帧的基本单元是时长为10ms的无线帧。每个帧由10个时长为1ms的子帧组成。每个子帧由若干个时隙组成；每个时隙包含14个OFDM符号。每个子帧内的时隙数量，取决于使用哪一个numerology。

       5G NR帧结构上与LTE有很大的差别。即便选择与LTE一样子载波间隔为15KHz的numerology，帧结构也有明显区别。LTE的子帧由2个0.5ms的slot（时隙）组成。如果使用normal CP，那么每个slot（时隙）由7个OFDM符号组成。而子载波间隔为15KHz的5G NR中，每个子帧只包含1个slot（时隙），也就是说每个帧里只包含了总共10个slot，而不是LTE中的每个帧20个slot。如果使用normal CP，每个5G NR slot（时隙）由14个OFDM符号组成，而不是LTE中的每个slot 7个OFDM符号。当然每个LTE子帧和每个子载波间隔为15KHz的5G NR子帧都由14个OFDM子帧组成，这有利于LTE与5G NR的共存。

       由于每个5G NR时隙内的OFDM符号数量是固定的14个，因此如果使用较大的子载波间隔，每个时隙的持续时间就会缩短——原则上，这能被用于实现较低时延的数据传输，但是由于循环前缀（CP）也随着子载波间隔的增大而缩短，因此不适用所有的部署场景。基于上述考虑，5G NR使用一种更有效率的机制来实现低时延，即允许一次传输一个时隙的一部分，也就是所谓的“迷你时隙（mini-slot）”传输机制。一个迷你时隙最短只有1个OFDM符号。这种传输机制还能被用于改变数据传输队列的顺序，让“迷你时隙（mini-slot）”传输数据立即插到已经存在的发送给某个终端的常规时隙传输数据的前面，以获得极低的时延。这种不需要拘泥于在每个时隙的开始之处开始数据传输的特性，在使用非授权频段的场景中是特别有用的。在非授权频段，发射机在发送数据前，需要确定无线信道没有被其它传输占用，即使用所谓的LBT（listen-before-talk）策略。显然，一旦发现无线信道有空，就应该立即开始数据传输，而不是等这个时隙结束，下一个时隙开始。等到下一个时隙开始时，无线信道可能又被另一个传输占用了。

       “迷你时隙（mini-slot）”在使用毫米波载频的场景中也非常有用。由于毫米波载频的带宽很大，往往几个OFDM符号就足够传输完数据负荷，不需要用到1个时隙的14个OFDM符号。“迷你时隙（mini-slot）”特别适合于模拟式波束赋形一起使用，因为使用模拟式波束赋形时，传输到多个终端设备的不同波束无法在频域实现复用，只能在时域复用。

       与LTE不同，5G NR没有小区专用参考信号（CSRS），只有用户专用的解调参考信号（DMRS）用于信道估测。用户专用的解调参考信号（DMRS）足以支撑波束赋形和多天线操作，也与前面提到的极简主义（ultra-lean）设计风格相符合。与小区专用参考信号不同，DMRS只有在需要传输用户数据时才开始传输，这明显改善了网络的能耗效率，减少了干扰。

       5G NR的帧结构支撑TDD和FDD传输，可以同时工作于授权频段和非授权频段。它能够实现极低的时延、快速HARQ确认、动态TDD和时长可变的传输（比如，针对URLLC的短时长和针对eMBB的大时长）。为了保证前向兼容性，减小不同功能之间的互操作，5G NR的帧结构遵循三个设计原则：

       原则一：5G NR帧是自包含（self-contained）的。解码一个时隙内的数据时，所有的辅助解码信息都能够在本时隙内找到，不需要依赖其它时隙；解码一个波束内的数据时，所有的辅助解码信息都能够在本波束内找到，不需要依赖其它波束。这就是说，数据解码所需要的参考信号（RS）和ACK消息都在数据负荷所在的时隙或者波束内。

       原则二：无论在时域还是频域，信息传输都是非常集中的。将信息传输集中起来，有助于在未来开发新的传输方式，并后向兼容现有的传输。NR帧结构不会像LTE那样，将控制信息散布在整个载波带宽。

       原则三：避免不同时隙之间，或者不同传输方向之间静态或者僵化的时间同步联系。比如，用异步HARQ代替预先确定的重传输定时。

       5G NR支撑快速的HARQ ACK确认，即数据解码与DL数据接收同时进行，而UE在上下行链路切换的保护时段（guard period）准备HARQ ACK，一旦从下行链路切换到上行链路，就立即发送ACK。为了获得低时延，控制信号和参考信号被放在一个时隙（或者一个时隙组）的头部位置。