5G幀結構解析

3GPP正在定義5G NR(New Radio)的物理層,相對於4G,5G最大的特點是支持靈活的幀結構。

 

WHY?

 

因爲5G要支持更多的應用場景,其中,超高可靠低時延(URLLC)是未來5G的關鍵服務,需要比LTE時隙更短的幀結構。

 

這是怎樣的一種幀結構呢?

 

1 Numerology

 

Numerology這個概念可翻譯爲參數集,大概意思指一套參數,包括子載波間隔,符號長度,CP長度等等。

 

5G的一大新特點是多個參數集(Numerology),其可混合和同時使用。Numerology由子載波間隔(subcarrier spacing)和循環前綴(cyclic prefix)定義。

 

在LTE/LTE-A中,子載波間隔是固定的15kHz,5G NR定義的最基本的子載波間隔也是15kHz,但可靈活可擴展。

 

所謂可靈活擴展,即NR的子載波間隔設爲15*(2^m) kHz,m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5},也就是說子載波間隔可以設爲3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...(如下表):

 

1

 

 

2 幀結構

 

對於5G幀結構,由固定結構和靈活結構兩部分組成。

 

2

 

如上圖,與LTE相同,無線幀和子幀的長度固定,從而允許更好的保持LTE與NR間共存。這樣的固定結構,利於LTE和NR共同部署模式下時隙與幀結構同步,簡化小區搜索和頻率測量。

 

不同的是,5G NR定義了靈活的子構架,時隙和字符長度可根據子載波間隔靈活定義。

 

3 Mini-Slots

 

5G定義了一種子時隙構架,叫Mini-Slot。Mini-slots主要用於超高可靠低時延(URLLC)應用場景。

 

如上圖(紅色方框),Mini-Slot由兩個或多個符號組成(待進一步研究),第一個符號包含控制信息。對於低時延的HARQ可配置於Mini-Slot上,Mini-Slot也可用於快速靈活的服務調度,估計僅一些5G 終端支持Mini-Slot。

 

4 同步信號

 

爲了連接網絡,5G UE需執行初始小區搜索,其主要目的:

 

•尋找信號最強的小區來連接

•獲取系統幀timing,即幀的起始位置

•確定小區的PCI

•解調參考信號

 

爲了支持小區搜索,需用到PSS(Primary  Synchronization  Signal,主同步信號)和SSS(Secondary  Synchronization  Signal,輔同步信號)。

 

PSS和SSS在同步信號塊(Synchronisation Signal Block)裏傳輸,與PBCH(物理廣播信道)一起,配置於固定的時隙位置,如下圖:

 

3

 

在初始小區搜索期間,UE通過匹配濾波器對接收信號和同步信號序列進行相關,並執行以下步驟:

 

1)發現主同步序列,獲得符號和5ms幀timing。

 

2)發現輔同步序列,檢測CP長度和FDD / TDD雙工模式,並從匹配濾波器結果中獲得準確的幀timing,從參考信號序列索引獲取CI。

 

3)解碼PBCH並獲得基本的系統信息。

 

爲了支持波束掃描,同步信號塊被組織成一系列脈衝串(burst),並週期性發送。

 

5 PBCH(物理廣播信道)

 

PBCH向UE提供基本的系統信息,任何UE必須解碼PBCH上的信息後才能接入小區。

 

例如,PBCH提供的信息包括(待進一步討論):

 

•下行系統帶寬

•無線電幀內的定時信息

•同步信號脈衝發送的週期性

•系統幀號

•其他較高層信息(待進一步討論)

 

其他廣播信息被映射到共享信道上。

 

6 同步信號和PBCH的映射

 

目前,3GPP正在討論同步信號和PBCH如何映射到物理資源。一種可能的映射如下圖:

 

4

PSS/SSS/PBCH只有4個符號,這樣可確保快速的獲得時間。 PSS/SSS的保護帶確保減少干擾。 所有5G UE都必須支持24個PRB的帶寬。

 

同步信號塊帶寬取決於子載波間隔,如下圖所示:

 

 

5

6

 

 

 

7 系統信息

 

系統信息獲取採用分級的方式。 基本小區配置信息由PBCH提供,共享信道進一步提供更多的系統信息。完整的信息可以通過以下步驟獲得:

7

 

1)UE讀取提供基本小區配置的PBCH,並找到下行控制信道(其調度共享信道)。

2)UE讀取爲所有其他系統信息塊提供調度信息的最小系統信息。

3)UE讀取其他所需的系統信息。

4)UE請求系統信息,例如,僅與特定UE相關的系統信息。

 

參考:3GPP TS 38.201, TS 38.202, TS 38.211, TS 38.212, TS 38.213, TS 38.214, TS 38.215

 

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