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$\mu$,$\mu =0,1,..,4$，$\mu =0$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）。$\mu =2$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。

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

NR的时域基本单元是$T_c=1/(\Delta f_{max}\times N_f)$，其中最大SCS$\Delta f_{max}=480\times 10^{3}Hz$，FFT的长度是$N_f=4096$,故$T_c=0.509ns$，对应的最大采样率为$1/T_c$,即1966.08MHz。LTE系统的基本时间单元是$T_s=1/(\Delta f_{ref}\times N_{f,erf})$。其中，最大的SCS$\Delta f_{ref}=15\times 10^{3}Hz$，FFT的长度是$N_{f,erf}=2048$,故$T_s=32.552ns$，对应的最大采样率为$1/T_s$,即30.72MHz。

帧和子帧

NR无线帧（Frame）的长度$T_f=（\Delta f_{max}\times N_f/100）\times T_c=10ms$，每个无线帧包含10个长度为$T_{sf}=(\Delta f_{max}\times N_f/1000)\times T_c=1ms$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。


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：

物理资源

资源网格（Resource Grid, RG）
资源网格由$N_{grid,x}^{size,\mu }{N}_{SC}^{RB}$个连续子载波和$N_{symb}^{subframe,\mu }$个连续OFDM符号组成。其中$N_{SC}^{RB}=12$，$N_{grid,x}^{size,\mu }$是当前SCS配置为$\mu$时的PRB数量,上行和下行方向各有一个资源网格，$N_{grid,x}^{size,\mu }$的下标$x$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。$N_{symb}^{subframe,\mu }$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$(k,l)$表示，$k$是频域索引，$l$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$\mu$的资源网格是是重叠的，对于相同带宽、不同SCS配置$\mu$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$\mu =0(SCS=15KHz)$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$\mu =1(SCS=30KHz)$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。

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$\mu$的资源网格的公共参考点，有两种获取方式：
1.$offsetToPointA$: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.$absoluteFrequencyPointA$：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$\mu$，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$n_{CRB}^{\mu }$和资源单元$(k,l)$的关系如式所示：$n_{CRB}^{\mu }=\lfloor \frac{k}{N_{SC}^{RB}}\rfloor$。式中，$k$是CRB子载波与Ponit A的相对值，$k=0$对应Point A
物理资源块（Physical Resource Blocks, PRB）
PRB定义在BWP之内，其索引是$0\sim N_{BWP,i}^{size}-1$。其中$i$是第$i$个BWP索引，第$i$个BWP的PRB$n_{PRB}$和CRB$n_{CRB}$的关系为$n_{CRB}=n_{PRB}+N_{BWP,i}^{start}$。式中$N_{BWP,i}^{start}$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${\mu }_i$，开始位置为$N_{BWP,i}^{start,\mu }$，带宽为$N_{BWP,i}^{size,\mu }$的第$i$个BWP应满足$N_{grid,x}^{start,\mu }\le N_{BWP,i}^{start,\mu }<N_{grid,x}^{start,\mu }+N_{BWP,i}^{start,\mu }$和$N_{grid,x}^{start,\mu }<N_{BWP,i}^{size,\mu }+N_{BWP,i}^{start,\mu }\le N_{grid,x}^{start,\mu }+N_{grid,x}^{size,\mu }$