第 2 章 5G 新空口关键技术
| 2.3 5G 信道编码 |
| 2.4 5G 帧结构 |
2.4.1 5G 参数集（Numerology）
5G 系统中，参数集采用子载波间隔和 CP 开销来定义。
5G 支持多种参数集，对应的不同子载波间隔是由 15kHz 基本子载波间隔扩展而成的。TR38.802 中规定，可扩展子载波间隔为 15～480kHz，但 R15 规范中不采用 480kHz。R15 所支持的子载波间隔请参见 TS38.211（见表 2-12）。
LTE 系统中只定义了一种子载波间隔，而 5G 系统需要支持多种不同的业务类型，因此 R15 中定义了多种子载波间隔。5G 系统中的子载波间隔是在15kHz 的基础上采用 2μ 扩展而来的，5G 系统支持 15kHz、30kHz、60kHz、120kHz和 240kHz 等多种子载波间隔（见表 2-12）。其中，除了 60kHz 采用扩展 CP之外，其余均用于正常 CP。另外，480kHz 在 R14 研究阶段进行了定义，但是没有包含在 R15 规范中。和特定 BWP 相关的 μ 以及循环前缀分别采用参数subcarrierSpacing 和 cyclicPrefix 来表示。
虽然在较高的载波频率下通常不使用较小的子载波间隔，但是参数集可以独立于频段进行选择。不同子载波间隔可用于不同的场景下。如对于室外宏覆盖和微小区，可以采用 30kHz 子载波间隔；而室内站则可以采用 60kHz 子载波间隔；对于毫米波，则可以采用更大的子载波间隔，如 120kHz。
另外，数据信道和同步信道也可以采用不同的子载波间隔。比如：
（1）6GHz 以下频段中，同步信道可以采用 15kHz 和 30kHz，数据信道则可以采用 15kHz、30kHz 或者 60kHz；
（2）6GHz 以上频段中，同步信道可以采用 120kHz 和 240kHz，数据信道则可以采用 60kHz 或者 120kHz。
2.4.2 5G 子载波间隔讨论背景
2.4.2.1 基本原理
R1-163227 中提到，对于给定的频段，相位噪声和多普勒频移等因素决定了最小子载波间隔（SCS），具体原因为：
（1）采用较小的 SCS，会导致较高的相位噪声，从而影响 EVM，也会对本地振荡器产生较高的要求，还会使多普勒频移较高时的性能降低；
（2）采用较大的 SCS，会使符号长度缩短，从而降低时延；
（3）所需的 CP 开销（时延扩展预期）设定了 SCS 的上限，SCS 过大会导致 CP 开销增加；
（4）OFDM 调制器的 FFT 长度和 SCS 共同决定了信道带宽。
考虑到上述关系，最优化的 SCS 应当足够小但是仍应当足够强壮，以抵抗相位噪声和多普勒频移，并对预期的信道带宽和时延提供支持。
R1-162386：Numerology for new radio interface 中提到，子载波间隔（SCS）是系统设计的重要参数。SCS 较小时，符号周期增加，CP 开销降低，反之亦然。
2.4.2.2 选取原则
R1-163227 中提到，参数集选取时，可以考虑不同频率独立选取，也可以考虑采用 OFDM 参数集家族的方式，即设定一个基准参数集，并对 SCS、符号长度和 CP 等进行相应扩展。采用扩展的方法，不同 OFDM 参数集下的时钟采样率（Ts 的倒数）借助扩展系数 n 相互关联，从而便于实现。
R1-163397：Numerology Requirements 中提到参数集选取的一些原则。
- 灵活的参数集和 TTI 按比例缩放
（1）子载波间隔乘以 2k。
① 更短的 TTI 结合优化的导频/控制信息利于低时延 HARQ 传送和处理。
② 支持可扩展的符号长度和参数集的设计，以便实现下行数据的处理，也利于上行导频和 ACK 信道的波形产生。
③ 当扩展成更大带宽时 FFT 的复杂度应保持中等。
④ mmWave 下支持足够多的 UE 进行时分复用。
（2）SCS 扩展比例为 2k，以获取长时延扩展下的强壮性，其中 k 是非负整数。
（3）TTI 长度缩短为 1/2k，无须牺牲对抗时延扩展的强壮性。
- 不同载波、不同业务间的参数集复用，以支持不同的时延和效率需求
R1-162227 中提到，为了简化设计并降低成本，5G 和 LTE 应当能够共享本振，在此基础上考虑 5G 的采样率，并建议将 CP-OFDM 作为基准，对不同频段进行相应扩展（×2n），以支持 eMBB/URLLC/mMTC 等多种业务的 KPI需求。
2.4.2.3 候选方案
RAN1 #84bis 会议上同意 NR 支持多种 SCS，并由基准 SCS 乘以整数 N 扩展而成。包括以下选项：
（1）选项 1：包括 15kHz 的 SCS；
（2）选项 2：包括 17.5kHz 的 SCS；
（3）选项 3：包括 17.06kHz 的 SCS；
（4）选项 4：包括 21.33kHz 的 SCS（选项 3 采用扩展 CP）。
这 4 种 SCS 之间的关系请参见 R1-163864（ZTE&Qualcomm），如表 2-13所示。
2.4.2.4 对比分析
1.基准子载波间隔（SCS）对比
下面列举几个提案中的分析结论，其他更多结论和分析方法请参见会议文稿。
对于上述 4 种 SCS，R1-160431 中分析认为，17.07/21.33kHz 在复用 LTE硬件方面较为复杂，原因为：
（1）FFT 大小不是 2 的 N 次方，17.06kHz 时为 1800，21.33kHz 时为 1440；
（2）15kHz 的扩展系数更复杂：17.06kHz 时为 853/750，21.33kHz 时为711/500。
R1-160431 中对 15kHz 和 17.5kHz 进行了对比，如表 2-14 所示。结论是建议考虑 15kHz，不考虑 17.5kHz。
其他提案中有些不同的结论。例如，R1-164271 中建议考虑选项 3，即17.07kHz。该提案说明，15kHz（选项 1）和 17.07kHz（选项 3）具有类似的性能，但是在特别长的 DS（时延扩展）的低时延子帧下，17.07kHz 的性能优于15kHz。
2．扩展系数（2m 和 M）对比
R1-165439 中采用 3 种相位噪声模型，分析了不同 SCS 下的性能。书中提到，通常频率偏移量指数增加时，相位噪声的功率谱密度（dBc/Hz）会线性下降。也就是说，f 加倍时，SNR 不是指数式而是线性增加。例如，f = 240kHz 和480kHz，3 种模型所对应的 SNR 差异分别约为 2、2 和 1.8dB；而 f = 60kHz 和120kHz，SNR 的差异会更小。其最终结论是，从相位补偿的角度讲，
粒度就够了，而
粒度过大。所以，建议考虑
该 R1- 165525 中则建议考虑
其主要原因是，韩国 200MHz 可能被 2 个或者 3 个运营商所使用，如果采用 60MHz，则 NR 采用 FFT 长度为 2048 的 45kHz 的 SCS 就可以了；而 100MHz 下，则可以采用 FFT 长度为 2048 的 75kHz 的 SCS。美国的大多数公司具有 200MHz 信道带宽，可能会采用 100MHz 或者 200MHz 的载波带宽。100MHz 可采用 75kHz 和 2048 FFT 长度，而 200MHz 则可采用 150kHz 和2048 的 FFT 长度。因此，KT 和 Verizon 在提案中建议考虑
R1-164622 中提到，为了保证不同参数集间的共存性，较大的扩展系数应当能够被小的扩展系数所整除，
。这意味着不同参数集间的调度间隔是匹配的，这有利于同一个载波上的参数集的混合使用。虽然这本身并不意味着排除 75kHz，但是 N = 2n 在保证更大的扩展系数能够被最小的扩展系数所整除时，仍能够对参数集提供最高的灵活性。尤其是为了满足扩展系数间的整除关系，采用 SCS 为 15kHz 和 75kHz 的参数集中，在 15kHz和 75kHz 间不可能存在其他 SCS。因此，建议考虑扩展系数采用
2.4.2.5 5G 系统中子载波间隔的最终结论
RAN1 #85 讨论中，对于采用 15kHz 作为基准且扩展系数采用
的工作建议，多家公司表示支持，但是也有一些运营商和芯片厂家则持有异议。有一些单位建议将
作为每 1ms 中 OFDM 符号的设计基准，并线下进一步讨论，也有一些单位建议在 15kHz 作为基准且扩展系数采用
的基础上增加75kHz，但最终没有达成协议。
在线下讨论的基础上，RAN1#86 会议明确在
的基础上讨论是否在扩展的 Numerology 间进行符号对齐。由此可见，对于 SCS，RAN1#86 上已经初步确认采用
的选项了。
2.4.3 R15 中 5G 帧结构的分析和说明
本节描述帧结构相关的一些基本概念，如无线帧、子帧、符号以及时隙等特性及相互之间的关系。
2.4.3.1 基本时间单元
表 2-15 所示为 5G 系统中的基本时间单元。
5G 基本时间单元 Tc 与 LTE 基本时间单元 Ts 的关系对比如下：
（1） ( ) c max f T = 1 Δf ⋅ N ，其中，最大子载波间隔 3max Δ= × f 480 10 Hz，FFT 长度 Nf = 4096；
（2） ( ) s 1 ref Nf,ref T = Δf ⋅ ，其中，子载波间隔 3ref Δ =× f 15 10 Hz ，FFT 长度Nf,ref =2048。
故 Tc=1/(480000×4096) = 0.509ns，Ts=1/(15000×2048) = 32.552ns，Ts 与 Tc之间满足固定的比值关系，即κ = Ts/Tc=64，也就是说 5G 中基本的时间单元更短，为 LTE 的 1/64。
2.4.3.2 帧和子帧
5G 系统中，帧长度为 10ms，子帧长度固定为 1ms，每个无线帧分为等长的 2 个半帧，每半帧包含 5 个子帧，即 0～4 和 5～9，如图 2-45 所示。
2.4.3.3 符号及其特性
随着子载波间隔的增加，对应的时域 OFDM 符号长度越来越短。不同子载波间隔下的符号长度见表 2-16。
不同子载波对应的符号长度不同，因此对于不同的子载波，特定时间段如1ms 子帧或者 0.5ms 半帧范围内所包含的符号数也不同，15kHz 下符号长度（包含 CP）是其他 SCS 下的符号长度的 2μ 倍，即 15kHz 下包含 CP 时的符号长度相当于 2 个 30kHz 的符号长度之和或者 4 个 60kHz 的符号长度之和。
以 0.5ms 半帧为例，不同子载波间隔下的符号长度之间的关系如图 2-46 所示。图中每种子载波间隔下，除了第一个符号之外，子帧中其余所有符号的长度都是相同的。
由此可见，μ取值为 0，1，2，3 和 4 时的常规 CP 下，每个时隙中都包含14 个符号。μ取值为 2 时的扩展 CP 下，每个时隙中包含 12 个符号，如表 2-17所示。
2.4.3.4 时隙及其特性
以常规 CP 为例，每个时隙中所包含的符号数是相同的，而符号长度和子载波长度有关。因此，不同子载波下的时隙长度是不同的，15kHz 下时隙长度为 1ms，30kHz 下时隙长度为 500µs，60kHz 下时隙长度为 250µs，120kHz 下时隙长度为 125µs，240kHz 下时隙长度为 62.5µs，如图 2-47 所示。
2.4.3.5 微时隙的概念
5G 还定义了一种子时隙或称微时隙，它适用于低时延类业务，用于快速灵活的调度。上述常规时隙中包含 14（常规 CP 下）或者 12 个（扩展 CP 下）OFDM符号，除此之外，微时隙（Mini-Slot）则仅占用 2、4 或者 7 个 OFDM 符号，它是 5G NR 中的最小调度单元。
5G 中的调度单元可以是一个时隙或者一个微时隙。基于常规时隙的调度称为基于时隙（Slot-Based）的调度，它支持时隙间的聚合功能，如图 2-48 所示。基于微时隙的调度称为基于非时隙（Non-Slot Based）的调度，其符号长度可变，起点可以在任何 OFDM 位置上，如图 2-49 所示。
2.4.4 时隙配置及调度
每个时隙中的符号可以为“下行”“灵活”或者“上行”等类型。下行帧中的每个时隙上，UE 认为所有的下行传送是在“下行”或者“灵活”类的符号上进行的。同理，上行帧中的每个时隙上，UE 认为所有的上行传送是在“上行”或者“灵活”类的符号上进行的。
时隙格式中的 OFDM 符号可以分为“下行”“灵活配置”或“上行”。下行帧中的每个时隙上，UE 认为所有的下行传送是在“下行”或者“灵活”类的符号上进行的。同理，上行帧中的每个时隙上，UE 认为所有的上行传送是在“上行”或者“灵活”类的符号上进行的。时隙配置及时隙格式确定过程请参见 TS38.213 第 11.1 节。
高层采用 tdd-UL-DL-ConfigurationCommon 和 tdd-UL-DL-ConfigurationCommon2 以及 tdd-UL-DL-ConfigDedicated 等参数设定多个时隙中的每个时隙配置所对应的时隙格式，并对 UE 进行时隙格式相关参数的配置，如仅包含上行或者下行符号的时隙的数目、上行和下行符号的数目、不同类型时隙（仅下行/仅上行/灵活配置）的位置关系等。
高层采用参数 SlotFormatIndicator 对时隙组合进行配置，并采用 DCI 格式2-0 中的 SFI 索引域对 UE 进行调度，SFI 索引域用以指示每个 DL BWP 或者每个 UL BWP 的多个时隙中的每个时隙的格式，对应 TS38.213-f20 中的表 11.1.1-1所表述的不同的上下行的配置。其中，下行可采用“D”来表示，灵活配置可采用“F”来表示，上行可采用“U”来表示。摘录 TS38.213-f20 中表 11.1.1-1的部分内容，如表 2-19 所示。
2.4.5 帧结构实际配置举例
5G 系统中，可以采用单独时隙的自包含帧结构，也可以采用多个时隙组合来形成更长周期的帧结构。下面以 30kHz 子载波间隔为例，来说明不同的帧结构类型和组合。
30kHz 子载波间隔下，时隙长度为 0.5ms，每个时隙包含 14 个符号。0.5ms自包含子帧、2ms 或者 2.5ms 的组合帧等类型分析对比如下。
2.4.5.1 0.5ms 自包含子帧
自包含子帧中，一个时隙内存在 DL 和 UL 数据符号以及 ACK/SRS 符号，可以在同一时隙内实现上行和下行调度，如图 2-50 所示。它具有以下特点：
（1）0.5ms 自包含子帧结构式可以有效降低 eMBB 业务的时延，更好地支持 NR 业务；
（2）每个时隙中都有 SRS，因此可以有效利用 TDD 信道的互易性，高效支持 mMIMO；
（3）上下行业务灵活性更高。更快速的 TDD 转换，有利于实现更加灵活的容量分配；
（4）头部可以灵活添加，如为非授权和共享频谱进行头部保留。
2.4.5.2 2ms 组合帧结构
采用 4 个 0.5ms 的时隙进行组合，可以形成 2ms 周期的帧结构。
常见的组合包括 DDSU 或者 DSDU 等，其中 D 表示全下行时隙，U 表示全上行时隙，S 则包含保护间隔和上下行转换符号。
DDSU 格式示例如图 2-51 所示。传送周期为 2ms，支持 2～4 个符号的 GP配置（图中为 4 个符号的 GP）。每 2ms 内，时隙#0 和#1 固定作为 DL，时隙#2 为下行主导时隙，其格式为 DL-GP。时隙#3 固定作为 UL 时隙，PRACH 可以在时隙#3 上传送。
2.4.5.3 2.5ms 组合帧结构
将 5 个时隙组合在一起，可以形成 2.5ms 周期的帧结构。在不同覆盖和容量要求下，我们可以考虑采用 2.5ms 单周期或者双周期方式。
2.5ms 单周期：传送周期为 2.5ms，每 2.5ms 内帧格式都相同。
2.5ms 双周期：传送周期为 5ms，每 5ms 内前后 2.5ms 的帧格式略有差异。
这两种方式的帧结构分析如下。
1．2.5ms 单周期
采用类似 LTE 系统的 DDDSU 格式。其中，D 表示全下行时隙，U 表示全上行时隙，S 则包含保护间隔和上下行转换符号。
如图 2-52 所示，每 2.5ms 内，时隙#0、#1 和#2 固定作为 DL，时隙#3 为下行主导时隙，其格式为 DL-GP-UL。时隙#4 固定作为 UL 时隙，上行接入信道（PRACH）可以在时隙#4 上传送。
2．2.5ms 双周期
2.5ms 双周期是指前后两个 2.5ms 采用不同的配置，如前 2.5ms 采用类似LTE 系统的 DDDSU 格式，后 2.5ms 采用 DDSUU 格式，如图 2-53 所示。其中，D 表示全下行时隙，U 表示全上行时隙，S 则包含保护间隔和上下行转换符号。
（1）每 2.5ms+2.5ms 的周期内，对于第一个 2.5ms，时隙#0、#1 和#2 固定作为 DL，时隙#3 为下行主导时隙，其格式为 DL-GP。时隙#4 固定作为 UL 主导时隙，上行接入信道（PRACH）可以在时隙#4 上传送。
（2）每 2.5ms+2.5ms 的周期内，对于第二个 2.5ms，时隙#5 和#6 固定作为DL，时隙#7 为下行主导时隙，其格式为 DL-GP。时隙#8 和#9 固定作为 UL 时隙，上行接入信道（PRACH）可以在时隙#8 和#9 上传送。
