5G NR学习笔记:帧结构和物理资源

5G NR学习笔记:帧结构和物理资源

参数集(numerology)

与LTE的参数集(子载波间隔和符号长度)不同,NR支持不同的子载波间隔(Sub-Carrier Spacing, SCS),所有的SCS都支持正常循环前缀(Cyclic Prefix, CP)。每个参数集对应一个参数 μ μ μ, μ = 0 , 1 , . . , 4 μ=0,1,..,4 μ=0,1,..,4 μ = 0 μ=0 μ=0时SCS=15KHz,与LTE相同,每12个连续的子载波定义为一个物理资源块(Physical Resource Block, PRB)。 μ = 2 μ=2 μ=2时SCS=60KHz,支持扩展CP。子载波间隔越大,一个PRB对应的实际带宽越大。如此定义的好处是简化了参考信号的设计,即在一个PRB内定义的参考信号图样将适用于所有的子载波间隔,不必为每个子载波间隔单独进行设计。此外,PRB是资源在频域内进行分配的基本单位,将PRB固定为12个子载波也将使得不同子载波的数据间的FDM和TDM复用更加容易实现。
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不是每个参数集都可用于每个物理信道和信号,具体如下表所示
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NR的时域基本单元是 T c = 1 / ( Δ f m a x × N f ) T_c=1/(Δf_{max}\times N_f) Tc=1/(Δfmax×Nf),其中最大SCS Δ f m a x = 480 × 1 0 3 H z Δf_{max}=480\times 10^3Hz Δfmax=480×103Hz,FFT的长度是 N f = 4096 N_f=4096 Nf=4096,故 T c = 0.509 n s T_c=0.509ns Tc=0.509ns,对应的最大采样率为 1 / T c 1/T_c 1/Tc,即1966.08MHz。LTE系统的基本时间单元是 T s = 1 / ( Δ f r e f × N f , e r f ) T_s=1/(Δf_{ref}\times N_{f,erf}) Ts=1/(Δfref×Nf,erf)。其中,最大的SCS Δ f r e f = 15 × 1 0 3 H z Δf_{ref}=15\times 10^3Hz Δfref=15×103Hz,FFT的长度是 N f , e r f = 2048 N_{f,erf}=2048 Nf,erf=2048,故 T s = 32.552 n s T_s=32.552ns Ts=32.552ns,对应的最大采样率为 1 / T s 1/T_s 1/Ts,即30.72MHz。

帧和子帧

NR无线帧(Frame)的长度 T f = ( Δ f m a x × N f / 100 ) × T c = 10 m s T_f=(Δf_{max} \times N_f/100)\times T_c=10ms Tf=Δfmax×Nf/100×Tc=10ms,每个无线帧包含10个长度为 T s f = ( Δ f m a x × N f / 1000 ) × T c = 1 m s T_{sf}=(Δf_{max}\times N_f/1000)\times T_c=1ms Tsf=(Δfmax×Nf/1000)×Tc=1ms的子帧(Subframe),与LTE不同,NR的子帧仅作为计时单位,不作为基本调度单元,一个子帧进一步分割为若干个时隙(Slot),无论Slot长度为多少,一个Slot都包含14个OFDM符号(扩展CP为12个OFDM符号)。SCS越长,对应的Slot长度就越短,SCS=15KHz时,一个Slot的长度等于一个子帧,为1ms。
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slot format,slot format显示单个时隙内每个符号的用处,它定义了符号用于上行(uplink),下行(downlink)或是灵活使用(flexible),具体如下:
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物理资源

资源网格(Resource Grid, RG)
资源网格由 N g r i d , x s i z e , μ N S C R B N^{size,μ}_{grid,x}N^{RB}_{SC} Ngrid,xsize,μNSCRB个连续子载波和 N s y m b s u b f r a m e , μ N^{subframe,μ}_{symb} Nsymbsubframe,μ个连续OFDM符号组成。其中 N S C R B = 12 N^{RB}_{SC}=12 NSCRB=12 N g r i d , x s i z e , μ N^{size,μ}_{grid,x} Ngrid,xsize,μ是当前SCS配置为 μ μ μ时的PRB数量,上行和下行方向各有一个资源网格, N g r i d , x s i z e , μ N^{size,μ}_{grid,x} Ngrid,xsize,μ的下标 x x x取值为DL和UL,分别表示下行方向和上行方向,无混淆风险时可以省略。 N s y m b s u b f r a m e , μ N^{subframe,μ}_{symb} Nsymbsubframe,μ为一个子帧内的OFDM符号。资源网格的横坐标方向表示的是时域(横向的一格代表子帧时域的一个OFDM符号),纵坐标方向表示的是频域(纵向的一格代表频域的一个子载波)。其中每一格代表一个资源单元(Resource Element, RE),物理层最小资源粒度(在频域占用一个载波,在时域占用一个OFDM符号,用 ( k , l ) (k,l) (k,l)表示, k k k是频域索引, l l l表示相对于特定参考点的时域符号),每12个SCS为一个资源块(Resource Block, RB)。
不同子载波间隔配置 μ μ μ的资源网格是是重叠的,对于相同带宽、不同SCS配置 μ μ μ的资源网格,PRB的数目是不同的,每个子帧的OFDM长度和数量也是不同的,但是资源网格内包含的RE数目是相同的。
e.g.带宽18MHz,SCS配置 μ = 0 ( S C S = 15 K H z ) μ=0(SCS=15KHz) μ=0(SCS=15KHz)时,频域上有100个PRB(12100=1200个子载波),一个子帧上有14个OFDM符号,资源网格上共有141200=16800个RE;当子载波间隔配置 μ = 1 ( S C S = 30 K H z ) μ=1(SCS=30KHz) μ=1(SCS=30KHz)时,频域上有50个PRB(1250=600个子载波)、一个子帧上有28个OFDM符号,资源网格上也共有28600=16800个RE。
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资源块(Resource Blocks, RB)
频域每12个连续的子载波就是一个资源块。
Point A:Point A是不同子载波间隔配置 μ μ μ的资源网格的公共参考点,有两种获取方式:
1. o f f s e t T o P o i n t A offsetToPointA offsetToPointA:Point A与UE初始小区选择所使用的最小资源块索引之间的频率偏移,单位PRB,FR1的SCS=15KHz,FR2的SCS=60KHz。1RB = 12sc, 如果FR1,1个单位等于 15 * 12 = 180 kHz. 如果FR2,1个单位等于 60 * 12 = 720 kHz.
2. a b s o l u t e F r e q u e n c y P o i n t A absoluteFrequencyPointA absoluteFrequencyPointA:直接定义了Point A的频率,单位是ARFCN。
公共资源块(Common Resource Blocks, CRB)
对于不同的子载波间隔配置 μ μ μ,CRB的索引在频域上从0开始,往上递增,CRB0的子载波0的中心位置就是Point A。CRB的索引 n C R B μ n^μ_{CRB} nCRBμ和资源单元 ( k , l ) (k,l) (k,l)的关系如式所示: n C R B μ = ⌊ k N S C R B ⌋ n^μ_{CRB}=\lfloor \frac{k}{N^{RB}_{SC}} \rfloor nCRBμ=NSCRBk。式中, k k k是CRB子载波与Ponit A的相对值, k = 0 k=0 k=0对应Point A
物理资源块(Physical Resource Blocks, PRB)
PRB定义在BWP之内,其索引是 0 ∼ N B W P , i s i z e − 1 0 \sim N^{size}_{BWP,i}-1 0NBWP,isize1。其中 i i i是第 i i i个BWP索引,第 i i i个BWP的PRB n P R B n_{PRB} nPRB和CRB n C R B n_{CRB} nCRB的关系为 n C R B = n P R B + N B W P , i s t a r t n_{CRB}=n_{PRB}+N^{start}_{BWP,i} nCRB=nPRB+NBWP,istart。式中 N B W P , i s t a r t N^{start}_{BWP,i} NBWP,istart是BWP开始的CRB的索引与CRB0的相对值。
部分带宽(Bandwidth Part, BWP)
BWP是NR提出的新概念,其是CRB的一个子集,可以理解为UE的工作带宽。对于某个特定参数集 μ i μ_i μi,开始位置为 N B W P , i s t a r t , μ N^{start,μ}_{BWP,i} NBWP,istart,μ,带宽为 N B W P , i s i z e , μ N^{size,μ}_{BWP,i} NBWP,isize,μ的第 i i i个BWP应满足 N g r i d , x s t a r t , μ ≤ N B W P , i s t a r t , μ < N g r i d , x s t a r t , μ + N B W P , i s t a r t , μ N^{start,μ}_{grid,x}\le N^{start,μ}_{BWP,i}Ngrid,xstart,μNBWP,istart,μ<Ngrid,xstart,μ+NBWP,istart,μ N g r i d , x s t a r t , μ < N B W P , i s i z e , μ + N B W P , i s t a r t , μ ≤ N g r i d , x s t a r t , μ + N g r i d , x s i z e , μ N^{start,μ}_{grid,x}Ngrid,xstart,μ<NBWP,isize,μ+NBWP,istart,μNgrid,xstart,μ+Ngrid,xsize,μ

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