深度解读移动通信中5G无线帧架构

移动通信中，数据在无线网络上是以帧(Frame)为单位进行传输的，其实就是数据传输的时间单位而已。
 

帧一般占用的时间很短，比如LTE一个无线帧才10ms，子帧更是仅有1ms，这样便可以实现1s内给多个用户的数据分配不同的子帧去传输数据，由于子帧切换非常快(LTE TTI=1ms)用户感觉自己是在实时传输。

与LTE相同，5G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。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SCS灵活定义。

无线帧=10(ms)

子帧=1(ms)

时隙=12/14个符号周期 (ms)

符号周期=1/SCS +CP长度 (ms)

与4G LTE相比，5G NR支持多种不同类型的子载波间隔。5G采用u这个参数来表述载波间隔，比如u=0代表等同于LTE的15kHz，其他的各项配置如下图所示。
 

根据公式 符号周期=1/SCS +CP长度，我们可以知道随着u的变化，符号周期成比例变化，相应的CP也成比例变化。即随着子载波间距的增大，时隙会变短。

当NR SCS=15khz时，此时NR时隙=14个符号=1ms

当NR SCS=30khz时，此时NR时隙=14个符号=0.5ms

当NR SCS=60khz时，此时NR时隙=12/14个符号(12对应扩展CP，14对应普通CP)=0.25ms

当NR SCS=120khz时，此时NR时隙=14个符号=0.125ms

当NR SCS=240khz时，此时NR时隙=14个符号=0.0625ms
 

与LTE 按子帧进行调度不同的是，时隙是NR的基本调度单位，更高的子载波间隔导致了更小的时隙长度，因而数据调度粒度就更小，更适合于时延要求高的传输。

(此外5G定义了一种子时隙构架，叫Mini-Slot。Mini-slots主要用于超高可靠超低时延(URLLC)应用场景。Mini-Slot由两个或多个符号组成，第一个符号包含控制信息。对于低时延的HARQ以及快速灵活的调度可配置于Mini-Slot上，Mini-Slot也可以用于模拟波束赋形以及非授权频谱的部署，目前仅一些5G终端支持Mini-Slot。)

当然并不是所有频段支持的SCS均相同，频段及支持的SCS如下：
 

5G时隙配置

和LTE相比，NR子帧具有灵活性和多样性：NR中引入了灵活时隙的概念，可以针对不同的UE进行动态调整，可以调整到符号级别。NR中Slot类型更多，支持更多的场景和业务类型。
 

时隙Slot基本构成：

Downlink，D，用于下行传输;

 

Flexible，X，可用于下行传输，上行传输以及GP(相当于LTE的特殊子帧S)

Uplink，U，用于上行传输

Slot类型

Type 1：全下行，DL-only slot，12/14个符号每个符号都用于下行

Type 2：全上行，UL-only slot，12/14个符号每个符号都用于上行

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，有多种配置，如下：
 

NR系统支持四级时隙配比的配置方案，依次从第一级到第四级，其中第一级和第二级采用半静态配置，在网管中配置后保持恒定，第三级和第四级可以实现动态配置也可以采用半静态配置。

第一级别：Cell-specificRRC信令半静态配置。

通过SIB1：UL-DL-configuration-common和UL-DL-configuration-common-Set2下发
 

第二级别：UE-specificRRC信令半静态配置

高层信令：UL-DL-configuration-dedicated中下发

第三级别：UE-groupSFI信令动态配置。在DCIformat2_0之中下发

第四级别：UE-specificDCI信令动态配置。在DCI format 0，1之中下发

配置周期为：{0.5,0.625,1,1.25,2,2.5,5,10} ms

依赖于当前NR小区的SCS，如SCS=30khz，如果以10个时隙配置则配置周期为5ms，如果10个时隙中前5个和后5个时隙配置完全一致，则可以按5时隙配置，周期为2.5ms。总结：0.625ms仅用于120kHzSCS，1.25ms用于60kHz及以上SCS;2.5ms用于30kHz及以上SCS;5ms用于15kHz及以上SCS，10ms仅用于15khz。

需要注意的是配置周期中存在奇怪的几种配置，0.5ms、1ms以及2ms。这三种采用的是8个时隙配置一次。

当前主流时隙配置

当然目前NR时隙配置和LTE类似主要采用半静态配置，主流配置有以下四种：

覆盖对比

协议定义C-bandSSB最大数目为8，SSB在无线帧中的时域位置已确定

协议定义一个SSB周期内的所有波束要在5ms内发完：为支持最大7~8个SSB波束，建议连续4个下行或下行为主的slot
 

时延对比

四种候选帧结构上下行均可以满足ITU定义的空口单向4ms指标;Case1/2/3三种帧结构E2E时延差别较小;8：2 E2E时延相对较大(增加25%)
 

容量对比

Case1/4下行容量能力最强，Case2/3下行容量能力差;Case2上行能力最强;Case3的GP开销最大。
 

编辑：hfy