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深度解读移动通信中5G无线帧架构

电子设计 2021-02-27 14:15 次阅读

移动通信中,数据在无线网络上是以帧(Frame)为单位进行传输的,其实就是数据传输的时间单位而已。

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帧一般占用的时间很短,比如LTE一个无线帧才10ms,子帧更是仅有1ms,这样便可以实现1s内给多个用户的数据分配不同的子帧去传输数据,由于子帧切换非常快(LTE TTI=1ms)用户感觉自己是在实时传输。

与LTE相同,5G无线帧和子帧的长度固定,从而允许更好的保持LTE与NR间共存。不同的是,5G NR定义了灵活的子构架,时隙和字符长度可根据子载波间隔SCS灵活定义。

无线帧=10(ms)

子帧=1(ms)

时隙=12/14个符号周期 (ms)

符号周期=1/SCS +CP长度 (ms)

与4G LTE相比,5G NR支持多种不同类型的子载波间隔。5G采用u这个参数来表述载波间隔,比如u=0代表等同于LTE的15kHz,其他的各项配置如下图所示。

20201230115910838.jpg

根据公式 符号周期=1/SCS +CP长度,我们可以知道随着u的变化,符号周期成比例变化,相应的CP也成比例变化。即随着子载波间距的增大,时隙会变短。

当NR SCS=15khz时,此时NR时隙=14个符号=1ms

当NR SCS=30khz时,此时NR时隙=14个符号=0.5ms

当NR SCS=60khz时,此时NR时隙=12/14个符号(12对应扩展CP,14对应普通CP)=0.25ms

当NR SCS=120khz时,此时NR时隙=14个符号=0.125ms

当NR SCS=240khz时,此时NR时隙=14个符号=0.0625ms

20201230115942988.jpg

与LTE 按子帧进行调度不同的是,时隙是NR的基本调度单位,更高的子载波间隔导致了更小的时隙长度,因而数据调度粒度就更小,更适合于时延要求高的传输。

(此外5G定义了一种子时隙构架,叫Mini-Slot。Mini-slots主要用于超高可靠超低时延(URLLC)应用场景。Mini-Slot由两个或多个符号组成,第一个符号包含控制信息。对于低时延的HARQ以及快速灵活的调度可配置于Mini-Slot上,Mini-Slot也可以用于模拟波束赋形以及非授权频谱的部署,目前仅一些5G终端支持Mini-Slot。)

当然并不是所有频段支持的SCS均相同,频段及支持的SCS如下:

20201230120016752.png

5G时隙配置

和LTE相比,NR子帧具有灵活性和多样性:NR中引入了灵活时隙的概念,可以针对不同的UE进行动态调整,可以调整到符号级别。NR中Slot类型更多,支持更多的场景和业务类型。

20201230120054644.jpg

时隙Slot基本构成:

Downlink,D,用于下行传输;

Flexible,X,可用于下行传输,上行传输以及GP(相当于LTE的特殊子帧S)

Uplink,U,用于上行传输

Slot类型

Type 1:全下行,DL-only slot,12/14个符号每个符号都用于下行

20201230120120853.png

Type 2:全上行,UL-only slot,12/14个符号每个符号都用于上行

20201230010854253.png

Type 3:全灵活资源,Flexible-only slot,每个符号灵活多变

20201230010913963.png

Type 4:至少一个上行或下行符号,其余灵活配置,有多种配置,如下:

20201230010937829.png

NR系统支持四级时隙配比的配置方案,依次从第一级到第四级,其中第一级和第二级采用半静态配置,在网管中配置后保持恒定,第三级和第四级可以实现动态配置也可以采用半静态配置。

第一级别:Cell-specificRRC信令半静态配置。

通过SIB1:UL-DL-configuration-common和UL-DL-configuration-common-Set2下发

20201230011112343.jpg

第二级别:UE-specificRRC信令半静态配置

高层信令:UL-DL-configuration-dedicated中下发

第三级别:UE-groupSFI信令动态配置。在DCIformat2_0之中下发

第四级别:UE-specificDCI信令动态配置。在DCI format 0,1之中下发

配置周期为:{0.5,0.625,1,1.25,2,2.5,5,10} ms

依赖于当前NR小区的SCS,如SCS=30khz,如果以10个时隙配置则配置周期为5ms,如果10个时隙中前5个和后5个时隙配置完全一致,则可以按5时隙配置,周期为2.5ms。总结:0.625ms仅用于120kHzSCS,1.25ms用于60kHz及以上SCS;2.5ms用于30kHz及以上SCS;5ms用于15kHz及以上SCS,10ms仅用于15khz。

需要注意的是配置周期中存在奇怪的几种配置,0.5ms、1ms以及2ms。这三种采用的是8个时隙配置一次。

当前主流时隙配置

当然目前NR时隙配置和LTE类似主要采用半静态配置,主流配置有以下四种:

覆盖对比

协议定义C-bandSSB最大数目为8,SSB在无线帧中的时域位置已确定

协议定义一个SSB周期内的所有波束要在5ms内发完:为支持最大7~8个SSB波束,建议连续4个下行或下行为主的slot

20201230011159145.jpg

时延对比

四种候选帧结构上下行均可以满足ITU定义的空口单向4ms指标;Case1/2/3三种帧结构E2E时延差别较小;8:2 E2E时延相对较大(增加25%)

20201230011310526.jpg

20201230011345763.jpg

容量对比

Case1/4下行容量能力最强,Case2/3下行容量能力差;Case2上行能力最强;Case3的GP开销最大。

20201230011438386.jpg

编辑:hfy

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