5G帧结构解析

Drony

3GPP正在定义5G NR(New Radio)的物理层，相对于4G，5G最大的特点是支持灵活的帧结构。

WHY？

因为5G要支持更多的应用场景，其中，超高可靠低时延（URLLC）是未来5G的关键服务，需要比LTE时隙更短的帧结构。

这是怎样的一种帧结构呢？

1 Numerology

Numerology这个概念可翻译为参数集，大概意思指一套参数，包括子载波间隔，符号长度，CP长度等等。

5G的一大新特点是多个参数集（Numerology），其可混合和同时使用。Numerology由子载波间隔（subcarrier spacing）和循环前缀（cyclic prefix）定义。

在LTE/LTE-A中，子载波间隔是固定的15kHz，5G NR定义的最基本的子载波间隔也是15kHz，但可灵活可扩展。

所谓可灵活扩展，即NR的子载波间隔设为15*(2^m) kHz，m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}，也就是说子载波间隔可以设为3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...（如下表）：

2 帧结构

对于5G帧结构，由固定结构和灵活结构两部分组成。

如上图，与LTE相同，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。这样的固定结构，利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步，简化小区搜索和频率测量。

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灵活定义。

3 Mini-Slots

5G定义了一种子时隙构架，叫Mini-Slot。Mini-slots主要用于超高可靠低时延（URLLC）应用场景。

如上图（红色方框），Mini-Slot由两个或多个符号组成（待进一步研究），第一个符号包含控制信息。对于低时延的HARQ可配置于Mini-Slot上，Mini-Slot也可用于快速灵活的服务调度，估计仅一些5G 终端支持Mini-Slot。

4 同步信号

为了连接网络，5G UE需执行初始小区搜索，其主要目的：

•寻找信号最强的小区来连接
•获取系统帧timing，即帧的起始位置
•确定小区的PCI
•解调参考信号

为了支持小区搜索，需用到PSS（Primary  Synchronization  Signal，主同步信号）和SSS（Secondary  Synchronization  Signal，辅同步信号）。

PSS和SSS在同步信号块（Synchronisation Signal Block）里传输，与PBCH（物理广播信道）一起，配置于固定的时隙位置，如下图：

在初始小区搜索期间，UE通过匹配滤波器对接收信号和同步信号序列进行相关，并执行以下步骤：

1）发现主同步序列，获得符号和5ms帧timing。

2）发现辅同步序列，检测CP长度和FDD / TDD双工模式，并从匹配滤波器结果中获得准确的帧timing，从参考信号序列索引获取CI。

3）解码PBCH并获得基本的系统信息。

为了支持波束扫描，同步信号块被组织成一系列脉冲串（burst），并周期性发送。

5 PBCH（物理广播信道）

PBCH向UE提供基本的系统信息，任何UE必须解码PBCH上的信息后才能接入小区。

例如，PBCH提供的信息包括（待进一步讨论）：

•下行系统带宽
•无线电帧内的定时信息
•同步信号脉冲发送的周期性
•系统帧号
•其他较高层信息（待进一步讨论）

其他广播信息被映射到共享信道上。

6 同步信号和PBCH的映射

目前，3GPP正在讨论同步信号和PBCH如何映射到物理资源。一种可能的映射如下图：

PSS/SSS/PBCH只有4个符号，这样可确保快速的获得时间。 PSS/SSS的保护带确保减少干扰。 所有5G UE都必须支持24个PRB的带宽。

同步信号块带宽取决于子载波间隔，如下图所示：

7 系统信息

系统信息获取采用分级的方式。 基本小区配置信息由PBCH提供，共享信道进一步提供更多的系统信息。完整的信息可以通过以下步骤获得：

1）UE读取提供基本小区配置的PBCH，并找到下行控制信道（其调度共享信道）。
2）UE读取为所有其他系统信息块提供调度信息的最小系统信息。
3）UE读取其他所需的系统信息。
4）UE请求系统信息，例如，仅与特定UE相关的系统信息。

参考：3GPP TS 38.201, TS 38.202, TS 38.211, TS 38.212, TS 38.213, TS 38.214, TS 38.215

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