5G的空口是我認為通信技術中最意思的一部分内容，因為它相對簡單些。
導讀
什麼是"空口"?
空口就是空中接口，Air Interface。下圖1中基站到手機之間的空中"路徑"就是我們所謂的接口，它定義了無線信号傳輸規範，包括頻率、帶寬、編碼等等一系列内容。
圖1 GSM基站與手機，空中接口
5G為什麼又叫作NR，New Radio？
這是由3GPP組織用來描述5G的，就像我們也用LTE來說4G。NR源自于R15版本。
通信中，我們常常說到幀Frame，那麼什麼是幀呢？
如果我們的手機和基站進行通信，需要發送一系列資料，那麼這一系列資料排好隊，然後一個一個向基站發送，在時間上，這些資料是分開的，有規律的。這樣"有組織有紀律"的"部隊"，就是幀。
在時間域中，無線傳輸被組織成無線幀radio frames、子幀subframes、時隙slots和符号symbols。
圖2 無線幀，時隙，符号
5G中無線幀是10ms，有10個子幀；
每個子幀就是1ms；
每個子幀又由多個時隙slot組成，每個slot又由14個OFDM符号構成。具體多少個呢？不确定，這就是5G的靈活性！
一些預備知識
在此之前，班長寫了3篇關于OFDM的文章，當時就告訴各位同學，這是為了學習5G的空口打下基礎。
有興趣的同學可以連結過去仔細閱讀，如果沒有興趣，可以直接跳過，我會補充一些預備知識，不會影響本文的了解。
OFDM調制：相比于傳統的頻分複用，利用正交子載波實作多載波通信
OFDM技術：相比FDM提高頻帶使用率，子載波間隔可以随意選取嗎？
OFDM技術：信号的産生為何與FFT算法有關？為什麼要串并轉換？
先看下矩形脈沖的傅裡葉變換
圖3 矩形脈沖(碼元)的頻域波形
這是第2次放這副圖了。這幅圖告訴我們3個知識點：
- 矩形脈沖的傅裡葉變換，頻域波形是Sa函數；
- 時間域内，脈沖寬帶為τ，那麼頻域内帶寬定義為B=1/τ，這是一個反比例關系。是以說一定時間内，如果想傳遞更多的脈沖(碼元)，提高傳輸速率，必然要縮短τ；對應到頻域，就是帶寬變大；
- 頻域的1波形我們叫它為1個子載波；
為什麼叫作子載波？
因為我們用到了多個不同頻率的載波，為了區分他們，是以使用子載波的概念。
圖4 不同的子載波調制
同樣的，這幅圖4之前在我的文章中出現過，當我們用不同頻率的載波f1和f2，去調制發送的矩形脈沖(1個碼元)時，頻域發生了什麼？
Sa函數會在頻域内移動，形成兩個子載波，它們中心的對稱點分别為f1和f2。
且我們證明過，子載波間隔為Δf=f2-f1=1/Ts，其中Ts為碼元的持續時間。圖4中是1。
有了上面的基本認識，我們現在再來看時頻資源圖，會更加的清晰。
圖5 OFDM時間頻域圖
圖5中左側的坐标軸是時間，上面就是我們傳送的碼中繼資料，我們叫作符号Symbol。右側的坐标軸是頻率軸，是碼元對應的頻域波形，稱之為子載波。
4GLTE中的子載波間隔固定為15kHz。
是以根據Δf=1/Ts的公式，我們可以計算出4GLTE的符号長度為66.7us(自己動手算算)
再換一個俯視的視角，見圖6。橫向為子載波，頻率軸；縱向為符号，時間軸；時間與頻率形成了一個二維資源格Resouce Grid。每一個小方塊(資源格)可以給一個使用者使用。
圖6 時間頻域資源
5G的子載波間隔scs=subcarrier spacing
與4GLTE數字(子載波間距和符号長度)相比，5G NR支援多種不同類型的子載波間隔(在LTE中隻有一種子載波間隔-15 kHz)。
圖7 不同的子載波間隔
38.211中總結了NR參數集(Numerology)。正如在圖7和圖8看到的，每一個數字都被标記為一個參數u。
- 數字(u=0)表示子載波間隔15 kHz，與LTE相同；
- 數字(u=1)表示子載波間隔30 kHz；
- 數字(u=2)表示子載波間隔60 kHz；
Δf=2^u*15kHz，其他子載波間距是從(u=0)的乘幂上放大而來。
圖8 不同的參數u對應的子載波間隔
無線幀結構
5G NR1個時隙slot含有14個或者12OFDM符号。
随着u的變化，時隙的長度會發生變化。
圖9 不同的參數對應不同的子載波間隔，不同的時隙長度
随着子載波間距的增大，時隙會變短。
子載波間隔為15KHz是，符号長度為66.7us，1個時隙共有14個符号，那麼時隙的長度為66.7us*14，約等于1ms(先這樣了解，實際中要加上CP)；
子載波間隔為30kHz時，符号長度為1/30kHz，1個時隙共有14個符号，那麼時隙的長度為1/30kHz*14，約等于0.5ms(先這樣了解)；
依次類推......
圖10 OFDM的符号長度變化
如上所述，在5GNR中，支援多個參數集Numerology，并且無線幀結構因u的不同而略有不同。然而，不管什麼情況，無線幀和子幀的長度固定的。
無線幀的長度總是10 ms，子幀的長度總是1 ms。
那麼，不同參數u的情況下，在考慮不同數字的實體性質時，應該有什麼不同的差別呢？
最重要的是在一個子幀中放置不同數量的時隙。
還有另一個具有數理的變化參數。它是子幀中的符号數。但是，子幀内的符号數量不會随參數u變化，僅随時隙配置數量而變化。
現在，我們來看一下每個參數u和時隙配置的無線幀結構。
| 正常的CP，參數Numerology=0 |
在該配置中，1個子幀僅有1個時隙，這意味着1無線幀包含10個時隙。時隙内的OFDM符号的數目是14。
圖11 正常的CP，參數Numerology=0
| 正常的CP，參數Numerology=1 |
在這種配置中，1個子幀僅有2個時隙，這意味着1個無線幀中包含20個時隙。時隙内OFDM符号的數目為14。
圖12 正常的CP，參數Numerology=1
| 正常的CP，參數Numerology=2 |
在這種配置中，1個子幀僅有4個時隙，這意味着1個無線幀中包含40個時隙。時隙内OFDM符号的數目為14。
圖13 正常的CP，參數Numerology=2
| 正常的CP，參數Numerology=3 |
在這種配置中，1個子幀僅有8個時隙，這意味着1個無線幀中包含80個時隙。時隙内OFDM符号的數目為14。
圖14 正常的CP，參數Numerology=3
| 正常的CP，參數Numerology=4 |
在這種配置中，1個子幀僅有16個時隙，這意味着1個無線幀中包含160個時隙。時隙内OFDM符号的數目為14。
圖15 正常的CP，參數Numerology=4
| 擴充的CP，參數Numerology=2 |
在這種配置中，1個子幀僅有8個時隙，這意味着1個無線幀中包含80個時隙。時隙内OFDM符号的數目為12。
圖16 擴充的CP，參數Numerology=2
時隙配置
時隙配置就是定義每個時隙如何使用。
它定義了哪些符号用于上行鍊路，哪些符号用于下行鍊路。在4G LTE TDD中，如果子幀(相當于NR中的時隙)配置為DL或UL，則子幀中的所有符号都應用作DL或ULl。但在NR中，時隙内的符号可以按以下2種方式配置。
- 不需要使用時隙中的每個符号；
- 單個時隙可分為多個連續符号段，可用于DL、UL或Flexible。
理論上，我們可以在一個時隙内，組合無數多個DL符号、UL符号、Flexible符号的組合。但3GPP隻允許61個預定義的符号組合，如下圖17所示。這些預定義的符号配置設定稱為時隙配置。
圖17 Slot formats for normal cyclic prefix>D : Down
為什麼我們需要這麼多不同類型的時隙配置呢？
顯然，這不是讓我們學習起來更加困難。
這是為了使NR排程靈活，特别是對于TDD操作。通過應用時隙配置或按順序組合不同的時隙格式，我們可以實作各種不同類型的排程，如下例圖18所示。
圖18 不同場景，不同的時隙配置
時頻資源
NR的時間頻域資源網格定義如下圖19。看起來它與LTE資源網格幾乎完全相同，但子載波間隔、無線幀内OFDM符号的數目，在NR中因參數u而異。
圖20 時頻資源圖
下行鍊路和上行鍊路的最大和最小資源塊數定義如下(這與LTE不同)
圖21 不同的資源塊
圖22是根據圖21制成，将下行部分轉換為帶寬。最大的RB數是138個，最大的帶寬397.44MHz。
總結
5GNR的空口結構因為參數u的取值不同而不同，進而實作靈活多變。
原文 | sharetechnote-5G/NR-Frame Structure ,班長翻譯、編輯、整理。預備知識為班長原創添加。
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