5G帧结构

安小中元

1.帧结构的基本理论知识
        • LTE帧结构与NR帧结构区别？
        LTE：一个无线帧（Radio Frame）固定长度10ms，包含10个子帧，每个子帧（Subframe）1ms，一个子帧中固定有14个OFDM符号。
        NR：NR帧（Radio Frame）长的时间仍为10ms，包含10个子帧，每个子帧（Subframe）1ms，编号为#0~#9，每个NR帧又分为两个半帧（half-frame），编号为#0和#1，#0的半帧包括#0~#4的子帧，#1的半帧包含#5~#9的半帧，同样的每个时隙包含14个OFDM符号（扩展CP除外）。
2.子载波间隔基本概念
        • LTE的子载波间隔与NR子载波间隔的区别？
        LTE：子载波间隔固定为15KHZ
        NR：NR中配置了更加灵活的子载波间隔，我们统称为numerology，也就是说NR中包含了5种子载波间隔（5kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz）;分别对应时隙个数为10个、20个、40个、80个、160个；

        • 各个子载波间隔对应OFDM符号长度
        概念：不同子载波间隔下，OFDM符号长度也不同。在时域上符号长度为T的子载波，通过傅里叶变换，在频域就是一个sinc函数，该sinc函数会在频率1/T处过0，而一个OFDM符号内的各个子载波就相当于是一个sinc函数在频域上的平移，平移的量就是子载波间隔。所以想要不同的子载波正交，一个sinc函数的最高点就要出现在其他sinc函数的0点，那么符号长度T与子载波间隔μ之间的关系为”μ=1/T“
        Slot长度与子载波间隔配置相关，具体为T s l o t = 1 / 2 ^u；
        所以不同子载波间隔下OFDM符号长度分别如下：
   
        μ        0        1        2        3        4
        时隙（T）        1ms        0.5ms        0.25ms        0.125ms        0.0625ms
       

        举例：
        以SCS=15KHZ为例，OFDM符号长度为T=1/μ=1/15=0.067ms, 14个OFDM符号 14*0.067=0.938ms，那么子载波间隔为15KHZ的一共有10个时隙，每个时隙1ms， 1-0.938=0.062 就是14个CP的长度，那么单独一个CP的长度就为 0.062/14=0.0044ms
        拓展1：为什么子载波间隔都是15的倍数？
        答：5G中子载波间隔是15kHz的2的幂次方倍的扩展（2^μ*15KHZ）。这样方便不同子载波间隔的OFDM符号在时域上可以实现帧对齐，这对于TDD来说比较重要。
        拓展2：为什么子载波间隔最小为15KHZ，最大为240KHZ？
        答：简单来相位噪声和多普勒频移动决定15KHZ这个下限，循环前缀CP决定了子载波间隔最大值；1、因子载波间隔越小，传输数据越多，但同时相位噪声以及频偏（频率偏移的大小不到子载波间隔的5%，就不会对NR造成无法容忍的影响）造成的信号误差较高，而15KHZ的子载波间隔各方面受到影响最小；2、子载波间隔最大240的原因为：OFDM符号越小，OFDM中的CP持续时间就更短，而设置CP的目的就是为了消除时延扩展，从而消除多径干扰的消极影响，经一系列XX验证，最后得出这个时延扩展为0.2μs，而在SCS=240KHZ时， OFDM长度T=1/240=0.00417， 一个时隙内总CP长度为：0.0625-14*0.00417=0.00412，单个CP长度为： 0.00412/14=0.00029ms，刚好大于0.2μs，故子载波最大值为240KHZ；

3.时隙及配比基本概念
        • 子载波间隔与时隙间的关系
        不同子载波间隔时隙数是不同的，子载波间隔15KHZ、30KHZ、60KHZ、120KHZ、240KHZ对应NR帧（radio frame）的时隙数分别为10、20、40、80、160个，对应NR子帧（Subframe）分别为1，2，4，8，16；具体看下图：

        为什么子载波间隔不同，对应的时隙数不同？对应的OFDM个数不同？
答：个人理解可以把OFDM符号当成一个在时域上和频域上固定面积的长方体，当我们子载波间隔越大时，那么OFDM符号的在频域上就变相增大了，那么固定面积下，对应的时域上就越短，而NR帧中一个时隙固定14个OFDM符号的（extend CP除外）,那么可以理解为单个时隙在时域上就变短，那么一个固定1ms的子帧包含的时隙数就会增多，而同样时隙数增多，对应的OFDM符号数在时域上就变相增多了