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5G NR 基础参数 及接入设计 |带你读《5G 无线系统设计与国际标准》之八

简介: NR 帧结构配置不再沿用 LTE 阶段采用的固定帧结构方式,而是采用半静态无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)配置和动态下行控制信息(DCI,Downlink ControlInformation)配置结合的方式进行灵活配置。这样设计的核心思想还是兼顾可靠性和灵活性。
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2.4 NR 标准体系架构介绍

第3章 5G NR 基础参数及接入设计

本章主要介绍 NR 基础参数配置和接入相关设计。其中 3.1 节就 NR 一些基础系统参数和概念,以及基础帧结构的设计及配置方式进行介绍。3.2 节就 UE 接入相关的设计进行分析,包括小区搜索过程、下行同步信号相关设计及随机接入信道设计。

3.1 基础参数及帧结构

3.1.1 基础参数

NR 基本时间单元为 T fN c max f =Δ ⋅ 1 ( ) ,其中 3max Δ= × f 480 10 , f N = 4096 。并定义常数κ = ΔfmaxNf (Δfref Nf,ref ) = 64 ,其中 3ref Δ =× f 15 10 Hz , f,ref N = 2048。NR 中最基本的资源单位为 RE(Resource Element,资源单元),代表频率上一个子载波及时域上一个符号。
RB(Resource Block,资源块)为频率上连续 12 个子载波。
NR 支持 5 种子载波间隔配置,具体配置如表 3.1 所示[1]。6GHz 以下频段将主要采用
15kHz、30kHz、60kHz 三种子载波间隔,而 6GHz 以上主要采用 120kHz 及以上的子载波间隔。
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可以看到,关于子载波带宽这个参数,其基准子载波带宽与 LTE 一致,但在 NR 设计之初在这个基本参数的设计上,出于不同维度的考量,各公司的建议并不统一。比较有代表性的有以下两种。
① 代表观点 1:充分考虑 LTE 到 NR 的沿袭性,借鉴甚至重用 LTE 的一些设计,尤其在设备实现上可以有更好的兼容性,原有的 CP 开销也相对较低。
要求 NR 继承 LTE 子载波间隔及 OFDM 符号长度参数的定义的基本框架,以 LTE的 15kHz 和每毫秒 14 个 OFDM 符号为基准参数。
② 代表观点 2:建议新定义一套子载波间隔及 OFDM 符号长度参数,主要是考虑设备实现的便利,载波间隔和特定时间颗粒度内(比如 1ms)的符号数目都是 2 的幂次,要求 1ms 中最少包含 16 个 OFDM 符号。
基于 CP(Cyclic Prefix)的开销问题,会上给出了 17.5kHz 和 17.06kHz 两种基准子载波间隔。如果引入 17.5kHz 作为基准子载波带宽,CP 开销约为 8.6%;如果引入 17.06kHz 作为基准子载波带宽,CP 的开销降到 6.3%。关于其他子载波带宽,各公司也给出了不同观点。
① 代表观点 1:只支持 15kHz 的 2 的幂次倍数的其他子载波带宽。
② 代表观点 2:支持 15kHz 的自然数倍数的其他子载波带宽。
在这部分的讨论中,又涉及部分关于实现复杂度的讨论。比如有些公司坚持沿用最大 2048 的 DFT 阵,在 6GHz 以下频段,要使用 2048 的 DFT 实现 60MHz 和 100MHz 带宽,其他子载波带宽为基准子载波宽度自然数倍数扩展,将 20MHz 的 LTE 子载波宽度相应扩展到 45kHz 和 75kHz。而多数公司认为可以采用并接受更大的 4096 的 DFT 阵,这样按照最大 4096 的 DFT,已经具有足够灵活性去支持各种带宽,比如使用 30kHz 的子载波去支持60MHz/100MHz 载波。
从表 3.1 中可以看到对于扩展 CP 选项,只有 60kHz 子载波的情况支持,对于其他子载波宽度,只有一种 CP 选项,这实际上是各方面平衡后的一个结论。在 LTE 设计中,当时出于不同覆盖和传播环境的考虑,给出了基于普通 CP 和扩展 CP 的两种设计,因此很自然地,在 NR 中也会涉及是否需要引入扩展 CP 的讨论,当时各公司也给出了不同的考量。
① 代表观点 1:在 LTE 中虽然引入了扩展 CP 的设计,但鲜有应用场景,因此在NR 中没有再引入的必要。
② 代表观点 2:有些公司认为需要考虑一些业务或部署要求,应该保留这个特性,并对每个子载波宽度都需要引入对应的扩展 CP 选项,需要引入21.33kHz 的子载波宽度,以支持 15.6μs 的 CP 长度;引入 42.67kHz 的子载波宽度,以支持 7.8μs 的 CP 长度;引入 85.33kHz 的子载波宽度,以支持 3.9μs 的 CP 长度。
众多公司经过评估后认为,扩展 CP 的开销确实相对较大,与其带来的好处相比在大多数场景不成比例,所以最后仅有限支持扩展 CP 这一特性。

3.1.2 帧结构

NR 采用 10ms 的帧长度,一个帧中包含 10 个子帧。5 个子帧组成一个半帧,编号 0~4的子帧和编号 5~9 的子帧分别处于不同的半帧。
NR 的基本帧结构以时隙(slot)为基本颗粒度。正常 CP 情况下,每个时隙包含14 个符号,扩展 CP 情况下每个时隙含有 12 个符号。当子载波间隔变化时,时隙的绝对时间长度也随之改变,每子帧内包含的时隙个数也有所差别。表 3.2 和表 3.3 给
出不同子载波间隔时,时隙长度以及每帧和每子帧包含时隙个数的关系。可以看出,每帧所包含的时隙是 10 的整数倍,随着子载波间隔加大,每帧/子帧内的时隙数也增加。
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每个时隙中的符号被分为三类:下行符号(标记为 D)、上行符号(标记为 U)和灵活符号(标记为 X)。下行数据发送可以在下行符号和灵活符号进行,上行数据发送可以在上行符号和灵活符号进行。灵活符号包含上下行转换点,NR 支持每个时隙包含最多两个转换点。
NR 帧结构配置不再沿用 LTE 阶段采用的固定帧结构方式,而是采用半静态无线资源控制(RRC,Radio Resource Control)配置和动态下行控制信息(DCI,Downlink ControlInformation)配置结合的方式进行灵活配置。这样设计的核心思想还是兼顾可靠性和灵活性。前者可以支持大规模组网的需要,易于网络规划和协调,并利于终端省电;而后者考虑可以支持更动态的业务需求来提高网络利用率。但是完全动态的配置容易引入上下行的交叉时隙干扰而导致网络性能的不稳定,也不利于终端省电,在实际网络使用中要比较谨慎。
RRC 配置支持小区专用(Cell Specific)的 RRC 配置和 UE 专用(UE specific)的RRC 配置两种方式。DCI 配置的方式支持由时隙格式指示(SFI,Slot Format Indication)直接指示和 DCI 调度决定两种方式。
1. 半静态帧结构配置
LTE 中上下行资源识别只有半静态配置一种。在标准中预先定义了七种不同的上下行时隙配置,对于每种上下行时隙配置中的特殊子帧,标准也定义了数种固定的特殊子帧配置选项。这些配置需要在终端接入系统之前就被识别出来,从而终端在接入系统之前就已经确定性地获悉在每 5ms/10ms 周期内,哪些资源是下行资源,哪些资源是上行资源,哪些资源是用于下行到上行转换的间隔(GP)。
在 LTE 的帧结构配置中,也遵循一定的规则。在每个重复周期内,首先是一个含有同步信号的系统信息下行子帧(包含固定系统信息的子帧),然后接一个包含下行到上行转换点的特殊子帧,特殊子帧后是上行子帧。当周期内的下行子帧多于上行子帧时,上行子帧后又跟着下行子帧(总是下行—上行—下行的资源配置方式,包括下行到上行和上行到下行各一个转换点)。这种帧结构设计在 TD-LTE 大规模组网中发挥了巨大作用,但是在实际网络使用中也遇到了一些问题。其中一个比较严重的问题是下行资源到上行资源的转换间隔和组合相对受限,这种限制使得 TDD 系统在面对“远端基站干扰”时,下行可以妥协规避干扰的余地受限(最多将特殊子帧中的下行传输抑制掉)。因此,NR 设计中没有继续沿用 LTE 中基于表格指示的上下行资源配置和特殊时隙配置联合的
方式,而是采用新的更加灵活的配置原则。
(1)基于周期的配置方式,每个周期中只有一个下行到上行的转换点
① 保证每个周期中下行资源连续,上行资源连续。
② 独立的下行和独立的上行资源配置指示。
③ 无须额外的 GP 配置指示。
(2)上下行响应时延的灵活性
① 为了支持不同时延响应的要求,需要支持不同的周期配置,而不仅限于 LTE 的5ms 周期或 10ms 周期。
② 通过双周期下行和上行资源配置方式,提供更灵活的周期组合和上下行资源配置组合。
(3)友好的前向兼容性
需要有足够数量的配置保证小区级的上行和下行资源配置,在此基础上支持 UE 级上行和下行资源配置。小区级和 UE 级的上下行资源指示,最小颗粒度均为符号级。
小区专用的半静态上下行公共配置信息(UL-DL-configuration-common)由下行时隙数(number-of-DL-slots)、下行公共符号数(number-of-DL-symbols-common)、上行时隙数(number-of-UL-slots)、上行公共符号数(number-of-UL-symbols-common)、上下行发送周期(DL-UL-transmission-periodicity),参考子载波间隔(reference-SCS)6 个参数确定。
上行时隙数和上行公共符号数表示上行资源分配。上行时隙数表示配置的周期结束前连续的全上行时隙数。上行公共符号数表示在数个全上行时隙后连续全上行符号的个数,取值{0, 1,…, 13}。上下行配置之间部分为未知区域,可以被 UE 专用的 RRC 或者 DCI 进行配置。上下行发送周期表示上下行配置的周期,取值{0.5ms、0.625ms、1ms、1.25ms、2ms、2.5ms、5ms、10ms}。参考子载波间隔为上下行配置的参考子载波间隔,取值{15、30、60、120}。
为支持连续两个周期的不同上下行配比,NR 中引入了小区专用的半静态上下行公共配置参数集 2(UL-DL-configuration-common-set2)。当需要配置连续两个上下行配比时,小区发送上下行公共配置信息和上下行公共配置信息参数集 2,两个配置串联在一起。
UE 专用的半静态上下行配置信息(UL-DL-configuration-dedicated)由下行符号指示的时隙号(slot-index-of-DL-symbol-indication)、下行专用符号数(number-of-DL-symbols-dedicated)、上行符号指示的时隙号( slot-index-of-UL-symbol-indication )、上行专用符号数( number-of-UL-symbols-dedicated)4 个参数确定。
下行符号指示的时隙号和下行专用符号数确定下行资源分配,下行符号指示的时隙号表示由小区专用配置中确定的上下行周期内的时隙位置,取值为{1,…,(上下行发送周期的时隙数)}。下行专用符号数表示下行符号指示的时隙号里最开始连续的下行符号数,取值包括{0, 1,…, 13, 14}。
上行符号指示的时隙号和上行专用符号数确定上行资源分配。上行符号指示的时隙号表示由小区专用配置中确定的上下行周期内的时隙位置,取值为{1,…,(上下行发送周期的时隙数)},上行专用符号数表示上行符号指示的时隙号里最后面连续的下行符号数,取值包括{0, 1,…, 13, 14}。
UE 专用的半静态上下行配置信息主要作为测量配置,该配置信息由 UE 专用的 RRC配置信息发送。被配置的符号可根据配置的具体内容进行相应的上下行发送,包括周期或者半静态为进行 CSI 测量的 CSI-RS、周期的 CSI 报告、周期或者半静态 SRS;每个
BWP 配置的 UE-specific RRC PRACH;类型 1 的免调度上行发送;类型 2 的免调度上行发送。
2. 动态 DCI 上下行配置
动态 DCI 实现的上下行配置可以通过 DCI 格式 2_0 实现,或者直接通过 DCI0_0/0_1/1_0/1_1 的上下行数据调度直接实现。直接通过 DCI 进行数据指示的方式没有直接改变帧结构,但是 DCI 调度的上行或者下行数据发送隐性地给出了被调度符号的方向性。
DCI 格式 2_0 是专门用作 SFI 指示。SFI 主要根据单时隙可支持的时隙格式,实现周期的帧结构配置。单时隙支持的最大格式数为 256 个,已经标准化的值可直接参照标准 38.213[5]。为减少 DCI 的开销,基站会在单时隙表格中选择部分值,然后把这些值根据不同的 SFI 周期,组成若干个多时隙 SFI 组合。这些组合基站会通过高层 RRC 信令通
知给 UE,DCI 每次仅进行多时隙 SFI 的序号指示。
3. 不同配置的优先级
NR 中 RRC 高层配置和 DCI 物理层配置均可以实现对帧结构的修改。当不同配置对帧结构进行更改时,一旦发生冲突,就需要确定各种配置相互覆盖的规则。NR 中半静态上下行配置,半静态测量配置,动态 SFI 及 DCI 的相互覆盖规则如下。

  • 半静态上下行配置的上行及下行不能被修改,半静态上下行配置的灵活符号可以由半静态测量配置、动态 SFI 及 DCI 配置更改。
  • 半静态测量配置中的上行及下行配置可以被动态 SFI 及 DCI 配置更改,一旦更改发生,半静态测量相关的行为将被终止。
  • DCI 配置的数据发送不能和 SFI 配置的上行和下行冲突,但是可以对 SFI 配置中的灵活部分进行更改。

4. 帧结构决定过程
根据优先级规则,基站进行小区级及 UE 侧的帧结构配置。小区级的半静态配置提供基础的框架性结构,UE 专用半静态配置和 DCI 级别配置在小区及半静态配置基础上进行进一步的灵活配置。当基站希望采用固定的帧结构时,小区半静态配置可以分配尽量多的固定上行与下行符号;而基站希望进行更动态的帧结构分配时,小区半静态配置可以分配更多的灵活符号,通过 SFI 及 DCI 调度等方式实现更多符号的动态使用。
当系统配置了 RRC 参数后,帧结构的确定主要分为两种情况:没有 SFI 配置时帧结构决定和有 SFI 配置时帧结构决定。
(1)没有 SFI 配置时帧结构决定
UE 按照上下行公共配置信息来配置上下行时隙格式。如果上下行公共配置参数集 2存在,按照上下行公共配置参数集 2 配置两个时隙周期的格式。如果上下行专用配置存在,按照上下行专用配置来配置上下行公共配置信息或上下行公共配置参数集 2 中的灵活符号部分。其中由上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置确定为下行的符号,UE 考虑用作接收。而由上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置确定为上行的符号,UE 考虑用作发送。被配置为上行的符号,UE 不希望被后续的 DCI 或者高层信令配置进行 PDSCH、PDCCH 和 CSI-RS 的接收;而被配置为下行的符号,UE 不希望被后续的 DCI 或者高层信令配置进行 PUCCH、PUSCH、SRS或者 PRACH 的发送。
没被上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置确定为配置的部分需要考虑如下情况。

  • 当 UE 收到 DCI 或者高层配置的 PDSCH 或者 CSI-RS 接收指示时,进行 PDSCH或者 CSI-RS 的接收。
  • 当 UE 收到 DCI 或者高层配置的 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 发送指示时,进行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 发送。
  • 如果 UE 收到高层指示进行 PDCCH、PDSCH 或者 CSI-RS 接收,当 DCI 并没有指示在这些符号进行上行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 发送时,UE 进行PDCCH 和 PDSCH 的接收。否则,UE 不进行 PDCCH 和 PDSCH 的接收。
  • 如果 UE 收到高层配置的类型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH 或者 PRACH 发送,当 DCI 没有指示在这些符号进行 PDSCH 或 CSI-RS 接收时,UE 进行类型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH 或者 PRACH 发送,否则 UE 不进行类型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH或者 PRACH 的发送。
    还有一些情况,标准也进行了专门规定:对于被配置为接收 SS/PBCH 的符号,不能用于上行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的发送。如果通过 DCI 格式 1_1 给 UE分配了多时隙的 PDSCH 接收,而里面任何一个时隙中如果有符号被上下行公共配置、

上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为上行,那么 DCI 调度的该时隙不用作 PDSCH 接收。如果通过 DCI 格式 0_1 给 UE 分配了多时隙的 PUSCH 发送,而里面任何一个时隙中如果有符号被上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为下行,那么 DCI 调度的该时隙不用作 PUSCH 发送。
(2)有 SFI 配置时帧结构决定
由 SFI 分配为上行的符号,不应被用于其他 DCI 格式调度用作 PDSCH 或者 CSI-RS的接收。由 DCI 格式 2_0 分配为下行的符号,也不应被其他 DCI 格式调度用作 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 发送。
被高层信令上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为上行或者下行的符号,UE 不希望被 SFI 配置为相反方向或者灵活符号。
被高层信令上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为灵活符号或者未配置的符号,需要考虑如下情况。

  • 只有当 SFI 指示为下行时,如果一个或者多个符号配置为 PDCCH 监测,UE 进
    行 PDCCH 的接收。
  • 对 SFI 指示为灵活的符号,可以由 DCI 调度进行 PDSCH 或者 CSI-RS 的接收,也可以由 DCI 调度进行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的发送。
  • SFI 指示为灵活的符号,UE 认为这些符号为保留符号,不进行发送或者接收。
  • 高层触发的 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH 只在 SFI 配置为上行的符号进行发送。对于上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为灵活符号或者未配置的符号,当 UE 被配置为监测 SFI,但是又没有监测到 SFI 时,需要考虑如下情况。
  • UE 继续进行 SFI 的监测,直到下一个 SFI 的监测周期。
  • 如果 UE 被配置了高层触发的 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH,在下一个 SFI 监测周期之前,上述操作被取消。
  • 如果在下一个 SFI 监测周期之前,UE 被高层信令配置了 CSI-RS 或者 SPS PDSCH的接收,UE 也不进行 CSI-RS 和 SPS PDSCH 接收。

如果 UE 在被高层信令配置进行 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH的符号有一部分被 SFI 指示为下行或者灵活的符号,那么 UE 在承载 SFI 的控制资源集合的最后一个符号开始到N2 间的这段时间内的上行发送不会被取消,而在之后的发送将被取消,其中 N2 是 PUSCH 反馈时间指示能力,在规范 38.214[6]中给出。
如果高层信令配置了 CSI-RS 或 PDSCH 的接收,UE 只有在检测到 SFI 指示为下行的符号时才进行 CSI-RS 和 PDSCH 的接收。
如果高层信令配置了 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH 的发送,UE 检测到 SFI 指示为上行的符号或者在有一部分被 SFI 指示为下行或者灵活的符号时,处于从承载 SFI 的控制资源集合的最后一个符号开始到 N2 间的这段时间内的符号,进行type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH 的发送。
如果 UE 没有检测到 SFI 指示一个时隙中的若干符号为灵活或者上行符号,那么 UE假设配置给 UE 做 PDCCH 监测的处于控制资源集合内的符号为下行符号。
对于上下行公共配置、上下行公共配置参数集 2 或上下行专用配置等信号配置为灵活符号或者未配置的符号,但是 UE 又没有监测到 SFI 时,需要考虑如下情况。

  • UE 收到 DCI 指示或者高层信令配置的 PDSCH 或者 CSI-RS 接收,UE 进行相应的接收操作。
  • UE 收到 DCI 指示或者高层信令配置的PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 发送,UE 进行相应的发送操作。
  • 当 UE 由高层信令配置进行 PDCCH、PDSCH 或者 CSI-RS 接收,而 DCI 没有配置 UE 进行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的上行发送时,UE 进行与高层配置相应的 PDCCH、PDSCH 或 CSI-RS 接收,否则,UE 将不进行 PDCCH、PDSCH 或 CSI-RS接收,而进行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的上行发送。
  • 当 UE 由高层信令配置进行 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH发送,而 DCI 没有配置 UE 进行 PDSCH 或者 CSI-RS 接收时,UE 进行与高层配置相应的 type 0 SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH 发送。否则,UE 将不进行 type 0SRS、PUCCH、免调度 PUSCH 或者 PRACH 发送。

5. 帧结构分析

根据目前的 NR 帧结构配置机制,可以非常容易地实现目前 LTE 的各种帧结构配置。实际网络中帧结构的配置需要考虑业务分布、网络干扰、时延和覆盖等多种情况。
对于 6GHz 以下频段,采用 15kHz、30kHz、60kHz 三种子载波间隔配置。对于6GHz 以上频段,主要采用 120kHz 和 240kHz 子载波间隔配置。采用更大的子载波间隔,符号长度也会缩短。根据目前标准规定,子载波间隔扩大一倍,符号长度基本缩
短一半。在数据传输时延方面,大的载波间隔有更大优势,对于 TDD 配置,这一优势更加突出。子载波间隔和 CP 长度及保护间隔也存在相互的制约关系,子载波间隔越大,相应的这些开销也会增加。

3.2 接入设计

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