深度解析5G无线帧基本架构:时隙与子载波间隔的灵活调整

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在移动通信中,无线帧是数据传输的基本单位。而5G无线网络的帧结构相对于LTE来说更加灵活多样化。本文将深入探讨5G无线帧的基本架构,包括时隙和子载波间隔的调整,不同的时隙类型及配置方案,并分析覆盖、时延和容量等关键指标的对比。

1. 5G无线帧与子帧的时间配置

5G无线帧和子帧相较于LTE来说长度固定,主要为了兼容并保持与LTE之间的共存性。然而,5G NR引入了更灵活的子构架,可以根据子载波间隔(SCS)的设定来灵活定义时隙和符号周期。

- 无线帧长度:10ms

- 子帧长度:1ms

- 时隙长度:12/14个符号周期

2. 子载波间隔(SCS)对时隙长度的影响

根据公式 `符号周期 = 1/SCS + CP长度`,我们可以得知,随着子载波间隔的变化,时隙长度也成比例地发生变化。当SCS增大时,时隙变短。

以下是不同子载波间隔(SCS)下的时隙长度示例:

- NR SCS = 15kHz 时,NR时隙为14个符号,即1ms

- NR SCS = 30kHz 时,NR时隙为14个符号,即0.5ms

- NR SCS = 60kHz 时,NR时隙为12/14个符号(12对应扩展CP14对应普通CP),即0.25ms

- NR SCS = 120kHz 时,NR时隙为14个符号,即0.125ms

- NR SCS = 240kHz 时,NR时隙为14个符号,即0.0625ms

3. 时隙类型和配置方案

LTE按子帧进行调度不同的是,时隙成为了5G NR的基本调度单位。由于不同的子载波间隔导致时隙长度的差异,这种灵活性使得数据调度的粒度更小,更适合于对时延要求较高的传输。

以下是一些常见的时隙类型:

- Type 1:全下行(DL-only slot),每个符号都用于下行传输

- Type 2:全上行(UL-only slot),每个符号都用于上行传输

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

- Type 4:至少一个上行或下行符号,其余灵活配置

4. 时隙配置及系统支持

5G系统支持四级时隙配置方案,根据不同级别的灵活性和半静态配置,可以实现针对不同用户的动态调整。

- 第一级别:基于小区的RRC信令半静态配置

- 第二级别:基于用户设备的RRC信令半静态配置

- 第三级别:基于用户组的SFI信令动态配置

- 第四级别:基于用户的DCI信令动态配置

配置周期根据当前NR小区的子载波间隔(SCS)而定,其中0.625ms仅用于120kHz SCS1.25ms用于60kHz及以上SCS2.5ms用于30kHz及以上SCS5ms用于15kHz及以上SCS10ms仅用于15kHz

需要注意的是,在配置周期中还存在一些特殊情况,如0.5ms1ms2ms,这三种配置采用了8个时隙进行配置。

目前主流的时隙配置与LTE类似,主要采用半静态配置。以下是四种常见的时隙配置方案:

- Case 13个下行时隙+1个上行时隙(3DL:1UL

- Case 24个下行时隙+1个上行时隙(4DL:1UL

- Case 37个下行时隙+1个上行时隙(7DL:1UL

- Case 48个下行时隙+2个上行时隙(8DL:2UL

5. 性能对比:覆盖、时延和容量

不同的帧结构会对通信系统的性能产生影响,包括覆盖范围、时延和容量等指标。

- 覆盖对比:在C频段,5G NR定义最大8SSBSynchronization Signal Block),并确定了SSB在无线帧中的时域位置。为了支持最大7~8SSB波束,建议连续4个下行或下行为主的时隙。

- 时延对比:四种候选帧结构在ITU定义的空口单向4ms时延指标上都能够满足需求,其中Case 1/2/3三种帧结构的端到端时延差别较小,而8:2时延相对较大(增加25%)。

- 容量对比:Case 1Case 4具有较高的下行容量能力,而Case 2Case 3的下行容量能力较弱。而Case 2具有最强的上行容量能力,而Case 3GPGeneral Purpose)开销最大。

综上所述,5G无线帧基本架构中的时隙和子载波间隔的灵活调整使得5G系统能够更好地适应不同用户需求,并提供更高的容量和更低的时延。不同的帧结构对覆盖、时延和容量等性能指标有不同的影响,因此需要根据具体场景进行选择和配置。

 

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