5G新空口资源

引言

对于5G中的上下行传输，我们首先要确定空口上有哪些资源可用来发送这些数据。5G空口资源包括时域、频域和空域三个维度，今天我们主要介绍5G的时域以及频域资源。
5G时域资源包括无线帧、子帧、时隙(Slot)、符号(Symbol)等概念，5G频域资源包括RE、RB、RG、BWP等概念。5G新引入了Numerology概念，Numerology可以理解为OFDM系统的基础参数集，包括：子载波间隔(SCS)、符号长度、循环前缀(CP)长度等。5G采用的是灵活的Numerology配置，用μ来表示子载波间隔(SCS)，比如u = 0等同于4G的15kHz，其他的各项配置如下图所示：

∆f=2^μ ∙15 [kHz]

△f 子载波间隔kHz
μ 子载波配置值

5G定义的无线帧和子帧的长度是固定的，无线帧长度固定为10 ms，子帧长度固定1 ms，每个Slot固定包含14个Symbol（如果是扩展CP，则对应12个OFDM符号）。由上图可以看出，SCS越大，符号长度和Slot长度就越小，由于子帧长度是固定的，所以每帧时隙数就会增多。

5G帧长度	子帧长度	每子帧时隙个数	每时隙长度	每时隙符号数
10ms	1ms	2的μ次方	1/2的μ次方	14

因此，灵活的Numerology应用于如下场景：

1. 时延场景：不同时延需求业务，可以采用不同的子载波间隔。子载波间隔越大，对应的时隙时间长度越短，可以缩短系统的时延。
2. 移动场景：不同的移动速度，产生的多普勒频偏不同，更高的移动速度产生更大的多普勒频偏。通过增大子载波间隔，可以提升系统对频偏的鲁棒性。
3. 覆盖场景：子载波间隔越小，对应的CP长度就越大，支持的小区覆盖半径也就越大。
4. 高频段场景：大的子载波间隔会对高频相位噪声起到抑制作用。
   

时域资源

1. 帧结构

从时域上来看，5G标准的传输由10ms无线帧组成，每个帧被划分为10个等时间长度的子帧，每个子帧1ms。
与4G相同，5G无线帧和子帧的长度固定，从而允许更好的保持4/5G间共存。不同的是，5G定义了可变子载波间隔的灵活构架，时隙和字符长度可根据子载波间隔灵活定义。

2. 循环前缀

R15协议引入了灵活Numerology，定义了不同的子载波间隔的循环前缀CP(CyclicPrefix)长度。CP包括Normal CP和Extend CP两种类型，对于Normal CP，每个时隙包含14个OFDM符号；对于Extend CP，每个时隙包含12个OFDM符号，Extend CP只有子载波间隔为60kHz（u=2）的时候可以支持，其余子载波间隔不支持。

3. Slot长度

5G协议中定义的无线帧和子帧的长度是固定的，一个无线帧10ms，每个子帧1ms。在下行调度中1 Slot = 14 Symbol ，Slot长度和符号长度是可变的，所以每个子帧内的Slot个数和符号个数是不一样的，具体计算见下文。

频域资源

1. 子载波间隔

NR一共支持5种子载波间隔配置：15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz，如下图所示。

2. 资源块 Resource Blocks（RB）

RB是资源分配的最小单位，是一个时频的二维概念。一个RB的定义是一个Slot包含的符号数(14) * 12个子载波。
每个RB的带宽不一样，RB带宽=12子载波间隔。但和4G中一个RB的带宽固定为1512=180 KHz不同，NR中对于不同的子载波间隔 ，RB带宽资源的大小是不一样的，如上图所示。
在100 MHz带宽、30 kHz子载波间隔下，在一个载波中最大支持275个RB，即275 * 12 = 3300个子载波。具体计算如下：
最大RB数 = 100 MHz * 1000 / (30 kHz * 12) = 275
最大可用RB数 = 273

3. 资源栅格Resource Grid（RG）

一个资源栅格在频域上包含（RB数 * 每RB的子载波数）个子载波，在时域上包含的符号数不一致，具体取值为 l=14*2^μ-1；资源栅格如下图所示：

4. 资源单位 Resource Elements（RE）

资源栅格中的每个单元称为资源单位（RE），是传输的最小时频资源单位。和4G一样，RE在时域上占据1个OFDM符号，在频域上占据1个子载波。

5. 资源块组Resource Block Group（RBG）

RBG数据信道资源分配基本调度单位，用于资源分配，降低控制信道开销，频域上可以分为：{2，4，8，16}个RB。

6. 资源单位组Resource Element Group（REG）

REG是控制信道资源分配基本组成单位，时域上是1个OFDM符号，频域上是12个子载波。1 REG = 1 PRB，PRB是指BWP内的物理资源块，频域上是12个子载波。

7. 控制信道元素Control Channel Element（CCE）

CCE是控制信道资源分配基本调度单位，频域上，1CCE = 6REG = 6PRB；CCE聚合等级有{1，2，4，8，16}。

8. 部分带宽bandwidth part（BWP）

bandwidth part（BWP）是38.211协议中引入的一个新的概念，即一系列连续的RB集合。单个UE可以配置最多4个BWP，在同一时刻，只有一个BWP被激活，进行上下行调度。简单来说， UE工作的带宽可以比gNB小，这样可以降低终端功耗和成本。