5GNR漫谈1:NR物理层帧结构

发布网友发布时间：2022-09-09 00:09

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热心网友时间：2023-01-24 06:38

5GNR标准是3GPP组织在4G LTE标准后，为适应新的移动通信发展需要，制订的新标准，它主要考虑的是大数据量、低时延、万物互联的应用场景。虽然是新的标准协议，但NR标准仍然处处有着LTE标准的“影子”，传统上做为代差最明显的物理层核心调制解调技术，NR和LTE采用的都是OFDM技术，这明显区别于2G的GSM采用TDMA／FDMA技术，3G的WCDMA和TD-SDMA采用的是CDMA技术。这也是众多的业内人士认为5G不够“新”的原因，理论技术创新应用不如前几代通信技术在改朝换代时那么明显。虽然在信道编码方面采用了LDPC和Polar编码，但两种编码方式与3G/4G时代用的Turbo编码在吐吞性能上相比，并没有数量级上质的飞跃，3GPP组织内部讨论采用何种信道编码方式时，也做了激烈的争论，最后由于LDPC和Polar工程上实现起来运算量更少利于实现，而最终做了权衡，长码字用LDPC，短码字用Polar，当然这里面也涉及到了产业内各大玩家参与者的利益之争。

从3G时代的CDMA时代开始，到4G/5G时代，无线空口的1个无线帧长(radio frame)都是10ms，体现了其技术体系的一脉相承。不过，NR相对于LTE的子帧(sub frame)和时隙(slot)结构有了很大的区别，LTE子帧固定为1ms，包含2个时隙，子载波间隔(subcarrier space)固定为15KHz，而NR在这方面则灵活变化得多。这种灵活变化，主要是为了适应NR时代的各种应用场景。标准协议定义了一个参数Numerologies（u ）来体现这种变化，由 u值的不同，决定了子载波间隔的不同，进而定义了每个无线帧包含的时隙个数、每个子帧包含的时隙个数、每个时隙包含的OFDM符号数的不同。这里边最关键的定义依据来源，在于OFDM子载波间隔的改变，带来OFDM在时间符号长度上的改变。相同的是，NR在资源块（Resource Block，RB）的定义上仍然相同，频域占用12个子载波，时域占用一个时隙的长度。

理论上，OFDM时域符号长度（不包含保护间隔），由子载波间隔决定，为其倒数，由此可知，子载波间隔越大，OFDM时域符号长度就长小，这正有利于低时延场景的应用。

每个资源块（RB）占用带宽

子载波间隔与符号时长关系

NR物理层上行信道定义有随机接入信道PRACH、上行控制信道PUCCH、上行共享信道PUSCH，下行信道定义有主同步信道PSS、辅同步信道SSS、广播信道PBCH、下行控制信道PDCCH、下行共享信道PDSCH，由此可见，上行信道类型大体和LTE相同，但下行信道少了LTE的控制格式指示信道PCFICH和混合自动重传指示信道PHICH。前面说道NR定义了一个参数集Numerologies，那么，是不是每个上下行信道都可以对应多种值呢？答案是否定的。

每个物理信道承载的业务类型是有其自身特点的，不必要求每个信道支持所有的 u值参数，那样系统过于复杂，也不利于工程实现。比如，NR仅在子载波为60KHz（u =2）的时候，支持Normal和Extended两种CP类型，其它子载波间隔的时候仅支持Normal CP类型。那么，在设计SSB（包含PSS、SSS、PBCH）信道的时候，就不支持子载波间隔为60KHz的场景，这是为了给终端在开机检测接收SSB的时候带来简便，节省时间和实现资源，因为如果SSB支持60KHz的场景，则要检测SSB的时候，就要从接收的空口基带数据中，找到无线帧起始，然后区分CP类型，从而再对接收数据进行相应的OFDM符号级提取数据处理，这无疑带来工程实现上的复杂繁琐

不同于LTE里面的TDD帧结构定义了7种上下行时隙配比无线帧模式，以及9种特殊子帧导频时隙DwPTS、UpPTS的时长，NR并没有预先定义严格的上下行配比以及特殊子帧配比，代之以灵活的广播通知模式，在广播消息里告知上下行结构模式，在一个上下行发射周期内（Transmission Periodicity），通过告知下行时隙个数（nrofDownlinkSlots），下行符号个数（nrofDownlinkSymbols），上行符号个数（nrofUplinkSymbols），上行时隙个数（nrofUplinkSlots）来确定上下行时间结构。通过这种手段，使得NR帧结构可以适应更为灵活的业务结构。

协议里面包含了6种上下行（UL/DL）周期( Periodicity,P)模式，系统可支持其中一种或者多种模式。

以eMBB（增强型无线宽带）场景，30KHz子载波间隔为例，这里例举实现中3种各厂家可能的帧结构。

第一种：

2.5ms双周期结构，在5ms里面有两个不同类型的周期，第一个2.5ms为DDDSU，第二个2.5ms为DDSUU，合在一起为：DDDSUDDSUU。这种类型有两个连续上行时隙，意味着能够接收更远的随机接入申请，有利于提升上行覆盖。

第二种：

2.5ms单周期结构，以2.5ms为周期，重复发射模板DDDSU。这种类型下行时隙多，有利于增大下行吞吐量。

第三种：

2ms单周期结构，以2ms为周期，重复发射DSDU。这种模式上下行转换较为均衡，有效减少网络时延。但上下行切换频繁，需要在上行时隙中牺牲一部分符号做切换。

由前所述，虽然灵活的上下行时隙配置，给灵活的实现各类场景的业务，带来技术实现上的便利，却也给传统的直放站（RP repeater）厂商带来了麻烦。直放站为了解决信号覆盖差的问题，在5G以前的时代，技术上可以实现搜索无线帧边界和确定上下行切换时间点后，对接收的无线帧信号进行中继放大。因为5G前时代的技术标准，上下行帧结构的切换模式较为固定，变化最多的LTE也不超过10种，这种上下行变化少的帧结构特点，给技术上工程实现信号的再生放大带来简单化。然而NR标准中上下行帧结构的不确定性，给实现信号的再生放大，带来了巨大挑战。当然，并非不可实现。

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