5G 幀結構 |帶你讀《5G空口特性與關鍵技術》之七

第 2 章 5G 新空口關鍵技術

| 2.3 5G 信道編碼 |

| 2.4 5G 幀結構 |

2.4.1 5G 參數集（Numerology）

5G 系統中，參數集采用子載波間隔和 CP 開銷來定義。

5G 支援多種參數集，對應的不同子載波間隔是由 15kHz 基本子載波間隔擴充而成的。TR38.802 中規定，可擴充子載波間隔為 15～480kHz，但 R15 規範中不采用 480kHz。R15 所支援的子載波間隔請參見 TS38.211（見表 2-12）。

LTE 系統中隻定義了一種子載波間隔，而 5G 系統需要支援多種不同的業務類型，是以 R15 中定義了多種子載波間隔。5G 系統中的子載波間隔是在15kHz 的基礎上采用 2μ 擴充而來的，5G 系統支援 15kHz、30kHz、60kHz、120kHz和 240kHz 等多種子載波間隔（見表 2-12）。其中，除了 60kHz 采用擴充 CP之外，其餘均用于正常 CP。另外，480kHz 在 R14 研究階段進行了定義，但是沒有包含在 R15 規範中。和特定 BWP 相關的 μ 以及循環字首分别采用參數subcarrierSpacing 和 cyclicPrefix 來表示。

雖然在較高的載波頻率下通常不使用較小的子載波間隔，但是參數集可以獨立于頻段進行選擇。不同子載波間隔可用于不同的場景下。如對于室外宏覆寫和微小區，可以采用 30kHz 子載波間隔；而室内站則可以采用 60kHz 子載波間隔；對于毫米波，則可以采用更大的子載波間隔，如 120kHz。

另外，資料信道和同步信道也可以采用不同的子載波間隔。比如：

（1）6GHz 以下頻段中，同步信道可以采用 15kHz 和 30kHz，資料信道則可以采用 15kHz、30kHz 或者 60kHz；

（2）6GHz 以上頻段中，同步信道可以采用 120kHz 和 240kHz，資料信道則可以采用 60kHz 或者 120kHz。

2.4.2 5G 子載波間隔讨論背景

2.4.2.1 基本原理

R1-163227 中提到，對于給定的頻段，相位噪聲和多普勒頻移等因素決定了最小子載波間隔（SCS），具體原因為：

（1）采用較小的 SCS，會導緻較高的相位噪聲，進而影響 EVM，也會對本地振蕩器産生較高的要求，還會使多普勒頻移較高時的性能降低；

（2）采用較大的 SCS，會使符号長度縮短，進而降低延遲時間；

（3）所需的 CP 開銷（時延擴充預期）設定了 SCS 的上限，SCS 過大會導緻 CP 開銷增加；

（4）OFDM 調制器的 FFT 長度和 SCS 共同決定了信道帶寬。

考慮到上述關系，最優化的 SCS 應當足夠小但是仍應當足夠強壯，以抵抗相位噪聲和多普勒頻移，并對預期的信道帶寬和時延提供支援。

R1-162386：Numerology for new radio interface 中提到，子載波間隔（SCS）是系統設計的重要參數。SCS 較小時，符号周期增加，CP 開銷降低，反之亦然。

2.4.2.2 選取原則

R1-163227 中提到，參數集選取時，可以考慮不同頻率獨立選取，也可以考慮采用 OFDM 參數集家族的方式，即設定一個基準參數集，并對 SCS、符号長度和 CP 等進行相應擴充。采用擴充的方法，不同 OFDM 參數集下的時鐘采樣率（Ts 的倒數）借助擴充系數 n 互相關聯，進而便于實作。

R1-163397：Numerology Requirements 中提到參數集選取的一些原則。

1. 靈活的參數集和 TTI 按比例縮放

   （1）子載波間隔乘以 2k。

① 更短的 TTI 結合優化的導頻/控制資訊利于低延遲時間 HARQ 傳送和處理。

② 支援可擴充的符号長度和參數集的設計，以便實作下行資料的處理，也利于上行導頻和 ACK 信道的波形産生。

③ 當擴充成更大帶寬時 FFT 的複雜度應保持中等。

④ mmWave 下支援足夠多的 UE 進行時分複用。

（2）SCS 擴充比例為 2k，以擷取長時延擴充下的強壯性，其中 k 是非負整數。

（3）TTI 長度縮短為 1/2k，無須犧牲對抗時延擴充的強壯性。

1. 不同載波、不同業務間的參數集複用，以支援不同的時延和效率需求

   R1-162227 中提到，為了簡化設計并降低成本，5G 和 LTE 應當能夠共享本振，在此基礎上考慮 5G 的采樣率，并建議将 CP-OFDM 作為基準，對不同頻段進行相應擴充（×2n），以支援 eMBB/URLLC/mMTC 等多種業務的 KPI需求。

2.4.2.3 候選方案

RAN1 #84bis 會議上同意 NR 支援多種 SCS，并由基準 SCS 乘以整數 N 擴充而成。包括以下選項：

（1）選項 1：包括 15kHz 的 SCS；

（2）選項 2：包括 17.5kHz 的 SCS；

（3）選項 3：包括 17.06kHz 的 SCS；

（4）選項 4：包括 21.33kHz 的 SCS（選項 3 采用擴充 CP）。

這 4 種 SCS 之間的關系請參見 R1-163864（ZTE&Qualcomm），如表 2-13所示。

2.4.2.4 對比分析

1.基準子載波間隔（SCS）對比

下面列舉幾個提案中的分析結論，其他更多結論和分析方法請參見會議文稿。

對于上述 4 種 SCS，R1-160431 中分析認為，17.07/21.33kHz 在複用 LTE硬體方面較為複雜，原因為：

（1）FFT 大小不是 2 的 N 次方，17.06kHz 時為 1800，21.33kHz 時為 1440；

（2）15kHz 的擴充系數更複雜：17.06kHz 時為 853/750，21.33kHz 時為711/500。

R1-160431 中對 15kHz 和 17.5kHz 進行了對比，如表 2-14 所示。結論是建議考慮 15kHz，不考慮 17.5kHz。

其他提案中有些不同的結論。例如，R1-164271 中建議考慮選項 3，即17.07kHz。該提案說明，15kHz（選項 1）和 17.07kHz（選項 3）具有類似的性能，但是在特别長的 DS（時延擴充）的低延遲時間子幀下，17.07kHz 的性能優于15kHz。

2．擴充系數（2m 和 M）對比

R1-165439 中采用 3 種相位噪聲模型，分析了不同 SCS 下的性能。書中提到，通常頻率偏移量指數增加時，相位噪聲的功率譜密度（dBc/Hz）會線性下降。也就是說，f 加倍時，SNR 不是指數式而是線性增加。例如，f = 240kHz 和480kHz，3 種模型所對應的 SNR 差異分别約為 2、2 和 1.8dB；而 f = 60kHz 和120kHz，SNR 的差異會更小。其最終結論是，從相位補償的角度講，

粒度就夠了，而

粒度過大。是以，建議考慮

該 R1- 165525 中則建議考慮

其主要原因是，南韓 200MHz 可能被 2 個或者 3 個營運商所使用，如果采用 60MHz，則 NR 采用 FFT 長度為 2048 的 45kHz 的 SCS 就可以了；而 100MHz 下，則可以采用 FFT 長度為 2048 的 75kHz 的 SCS。美國的大多數公司具有 200MHz 信道帶寬，可能會采用 100MHz 或者 200MHz 的載波帶寬。100MHz 可采用 75kHz 和 2048 FFT 長度，而 200MHz 則可采用 150kHz 和2048 的 FFT 長度。是以，KT 和 Verizon 在提案中建議考慮

R1-164622 中提到，為了保證不同參數集間的共存性，較大的擴充系數應當能夠被小的擴充系數所整除，

。這意味着不同參數集間的排程間隔是比對的，這有利于同一個載波上的參數集的混合使用。雖然這本身并不意味着排除 75kHz，但是 N = 2n 在保證更大的擴充系數能夠被最小的擴充系數所整除時，仍能夠對參數集提供最高的靈活性。尤其是為了滿足擴充系數間的整除關系，采用 SCS 為 15kHz 和 75kHz 的參數集中，在 15kHz和 75kHz 間不可能存在其他 SCS。是以，建議考慮擴充系數采用

2.4.2.5 5G 系統中子載波間隔的最終結論

RAN1 #85 讨論中，對于采用 15kHz 作為基準且擴充系數采用

的工作建議，多家公司表示支援，但是也有一些營運商和晶片廠家則持有異議。有一些機關建議将

作為每 1ms 中 OFDM 符号的設計基準，并線下進一步讨論，也有一些機關建議在 15kHz 作為基準且擴充系數采用

的基礎上增加75kHz，但最終沒有達成協定。

線上下讨論的基礎上，RAN1#86 會議明确在

的基礎上讨論是否在擴充的 Numerology 間進行符号對齊。由此可見，對于 SCS，RAN1#86 上已經初步确認采用

的選項了。

2.4.3 R15 中 5G 幀結構的分析和說明

本節描述幀結構相關的一些基本概念，如無線幀、子幀、符号以及時隙等特性及互相之間的關系。

2.4.3.1 基本時間單元

表 2-15 所示為 5G 系統中的基本時間單元。

5G 基本時間單元 Tc 與 LTE 基本時間單元 Ts 的關系對比如下：

（1） ( ) c max f T = 1 Δf ⋅ N ，其中，最大子載波間隔 3max Δ= × f 480 10 Hz，FFT 長度 Nf = 4096；

（2） ( ) s 1 ref Nf,ref T = Δf ⋅ ，其中，子載波間隔 3ref Δ =× f 15 10 Hz ，FFT 長度Nf,ref =2048。

故 Tc=1/(480000×4096) = 0.509ns，Ts=1/(15000×2048) = 32.552ns，Ts 與 Tc之間滿足固定的比值關系，即κ = Ts/Tc=64，也就是說 5G 中基本的時間單元更短，為 LTE 的 1/64。

2.4.3.2 幀和子幀

5G 系統中，幀長度為 10ms，子幀長度固定為 1ms，每個無線幀分為等長的 2 個半幀，每半幀包含 5 個子幀，即 0～4 和 5～9，如圖 2-45 所示。

2.4.3.3 符号及其特性

随着子載波間隔的增加，對應的時域 OFDM 符号長度越來越短。不同子載波間隔下的符号長度見表 2-16。

不同子載波對應的符号長度不同，是以對于不同的子載波，特定時間段如1ms 子幀或者 0.5ms 半幀範圍内所包含的符号數也不同，15kHz 下符号長度（包含 CP）是其他 SCS 下的符号長度的 2μ 倍，即 15kHz 下包含 CP 時的符号長度相當于 2 個 30kHz 的符号長度之和或者 4 個 60kHz 的符号長度之和。

以 0.5ms 半幀為例，不同子載波間隔下的符号長度之間的關系如圖 2-46 所示。圖中每種子載波間隔下，除了第一個符号之外，子幀中其餘所有符号的長度都是相同的。

由此可見，μ取值為 0，1，2，3 和 4 時的正常 CP 下，每個時隙中都包含14 個符号。μ取值為 2 時的擴充 CP 下，每個時隙中包含 12 個符号，如表 2-17所示。

2.4.3.4 時隙及其特性

以正常 CP 為例，每個時隙中所包含的符号數是相同的，而符号長度和子載波長度有關。是以，不同子載波下的時隙長度是不同的，15kHz 下時隙長度為 1ms，30kHz 下時隙長度為 500µs，60kHz 下時隙長度為 250µs，120kHz 下時隙長度為 125µs，240kHz 下時隙長度為 62.5µs，如圖 2-47 所示。

2.4.3.5 微時隙的概念

5G 還定義了一種子時隙或稱微時隙，它适用于低延遲時間類業務，用于快速靈活的排程。上述正常時隙中包含 14（正常 CP 下）或者 12 個（擴充 CP 下）OFDM符号，除此之外，微時隙（Mini-Slot）則僅占用 2、4 或者 7 個 OFDM 符号，它是 5G NR 中的最小排程單元。

5G 中的排程單元可以是一個時隙或者一個微時隙。基于正常時隙的排程稱為基于時隙（Slot-Based）的排程，它支援時隙間的聚合功能，如圖 2-48 所示。基于微時隙的排程稱為基于非時隙（Non-Slot Based）的排程，其符号長度可變，起點可以在任何 OFDM 位置上，如圖 2-49 所示。

2.4.4 時隙配置及排程

每個時隙中的符号可以為“下行”“靈活”或者“上行”等類型。下行幀中的每個時隙上，UE 認為所有的下行傳送是在“下行”或者“靈活”類的符号上進行的。同理，上行幀中的每個時隙上，UE 認為所有的上行傳送是在“上行”或者“靈活”類的符号上進行的。

時隙格式中的 OFDM 符号可以分為“下行”“靈活配置”或“上行”。下行幀中的每個時隙上，UE 認為所有的下行傳送是在“下行”或者“靈活”類的符号上進行的。同理，上行幀中的每個時隙上，UE 認為所有的上行傳送是在“上行”或者“靈活”類的符号上進行的。時隙配置及時隙格式确定過程請參見 TS38.213 第 11.1 節。

高層采用 tdd-UL-DL-ConfigurationCommon 和 tdd-UL-DL-ConfigurationCommon2 以及 tdd-UL-DL-ConfigDedicated 等參數設定多個時隙中的每個時隙配置所對應的時隙格式，并對 UE 進行時隙格式相關參數的配置，如僅包含上行或者下行符号的時隙的數目、上行和下行符号的數目、不同類型時隙（僅下行/僅上行/靈活配置）的位置關系等。

高層采用參數 SlotFormatIndicator 對時隙組合進行配置，并采用 DCI 格式2-0 中的 SFI 索引域對 UE 進行排程，SFI 索引域用以訓示每個 DL BWP 或者每個 UL BWP 的多個時隙中的每個時隙的格式，對應 TS38.213-f20 中的表 11.1.1-1所表述的不同的上下行的配置。其中，下行可采用“D”來表示，靈活配置可采用“F”來表示，上行可采用“U”來表示。摘錄 TS38.213-f20 中表 11.1.1-1的部分内容，如表 2-19 所示。

2.4.5 幀結構實際配置舉例

5G 系統中，可以采用單獨時隙的自包含幀結構，也可以采用多個時隙組合來形成更長周期的幀結構。下面以 30kHz 子載波間隔為例，來說明不同的幀結構類型群組合。

30kHz 子載波間隔下，時隙長度為 0.5ms，每個時隙包含 14 個符号。0.5ms自包含子幀、2ms 或者 2.5ms 的組合幀等類型分析對比如下。

2.4.5.1 0.5ms 自包含子幀

自包含子幀中，一個時隙記憶體在 DL 和 UL 資料符号以及 ACK/SRS 符号，可以在同一時隙内實作上行和下行排程，如圖 2-50 所示。它具有以下特點：

（1）0.5ms 自包含子幀結構式可以有效降低 eMBB 業務的時延，更好地支援 NR 業務；

（2）每個時隙中都有 SRS，是以可以有效利用 TDD 信道的互易性，高效支援 mMIMO；

（3）上下行業務靈活性更高。更快速的 TDD 轉換，有利于實作更加靈活的容量配置設定；

（4）頭部可以靈活添加，如為非授權和共享頻譜進行頭部保留。

2.4.5.2 2ms 組合幀結構

采用 4 個 0.5ms 的時隙進行組合，可以形成 2ms 周期的幀結構。

常見的組合包括 DDSU 或者 DSDU 等，其中 D 表示全下行時隙，U 表示全上行時隙，S 則包含保護間隔和上下行轉換符号。

DDSU 格式示例如圖 2-51 所示。傳送周期為 2ms，支援 2～4 個符号的 GP配置（圖中為 4 個符号的 GP）。每 2ms 内，時隙#0 和#1 固定作為 DL，時隙#2 為下行主導時隙，其格式為 DL-GP。時隙#3 固定作為 UL 時隙，PRACH 可以在時隙#3 上傳送。

2.4.5.3 2.5ms 組合幀結構

将 5 個時隙組合在一起，可以形成 2.5ms 周期的幀結構。在不同覆寫和容量要求下，我們可以考慮采用 2.5ms 單周期或者雙周期方式。

2.5ms 單周期：傳送周期為 2.5ms，每 2.5ms 内幀格式都相同。

2.5ms 雙周期：傳送周期為 5ms，每 5ms 内前後 2.5ms 的幀格式略有差異。

這兩種方式的幀結構分析如下。

1．2.5ms 單周期

采用類似 LTE 系統的 DDDSU 格式。其中，D 表示全下行時隙，U 表示全上行時隙，S 則包含保護間隔和上下行轉換符号。

如圖 2-52 所示，每 2.5ms 内，時隙#0、#1 和#2 固定作為 DL，時隙#3 為下行主導時隙，其格式為 DL-GP-UL。時隙#4 固定作為 UL 時隙，上行接入信道（PRACH）可以在時隙#4 上傳送。

2．2.5ms 雙周期

2.5ms 雙周期是指前後兩個 2.5ms 采用不同的配置，如前 2.5ms 采用類似LTE 系統的 DDDSU 格式，後 2.5ms 采用 DDSUU 格式，如圖 2-53 所示。其中，D 表示全下行時隙，U 表示全上行時隙，S 則包含保護間隔和上下行轉換符号。

（1）每 2.5ms+2.5ms 的周期内，對于第一個 2.5ms，時隙#0、#1 和#2 固定作為 DL，時隙#3 為下行主導時隙，其格式為 DL-GP。時隙#4 固定作為 UL 主導時隙，上行接入信道（PRACH）可以在時隙#4 上傳送。

（2）每 2.5ms+2.5ms 的周期内，對于第二個 2.5ms，時隙#5 和#6 固定作為DL，時隙#7 為下行主導時隙，其格式為 DL-GP。時隙#8 和#9 固定作為 UL 時隙，上行接入信道（PRACH）可以在時隙#8 和#9 上傳送。

3.1 頻段及帶寬特性