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5G无线通信帧结构

上节内容讲解了4G LTE的无线帧结构,着重讲解了FDD与TDD帧结构的构成。5G系统的帧结构在4G的基础上又有所变化,但总体有非常相似之处,即都是由系统帧,子帧,时隙和符号组成。但由于5G的子载波的构成不同,以及通信效率、延迟的要求等因素的要求,因此整体帧结构在使用不同子载波间隔的情况下也出现不同的变化。下面就子载波,子载波间隔,以及帧、子帧、时隙、符号之间的关系进行描述。

1. 子载波及其间隔

4G无线通信中在频域上采用15KHz的,这些子载波的波形符合内插函数的波形,也是奈奎斯特(Nyquist)抽样定理的基本分析函数,其波形如图1-1,图1-2所示。内插函数是周期采样函数的时、频分析函数,该函数是对偶的,即时域上的等间隔采样,频域上是SINC(x)函数,频域上等间隔采样在时域上是sinc(x)函数。关于采样即内插恢复等理论知识,将会在DSP的章节中讲解。

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图1-1  内插函数波形

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图1-2 内插函数的频域波形

4G频率上15Khz为间隔的频谱,可以看作对频域的带宽内以15K为间隔的采样,因此时域内即是各内插函数的组合,如图2-1,2-2所示。

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图2-1

2. 5G子载波间隔

5G系统不仅采用了15KHz的子载波间隔,还引入了numerology(用符号μ 表示)的概念,即子载波的间隔除了15KHz外还有30Khz,60KHz, 120KHz , 240Khz,480Khz几种分别对应μ=0,1,2,3,4。当μ=0时,5G的子载波间隔与4G LTE的子载波间隔相同。目前480KHz还没有正式使用。如图3所示。

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图3  5G NR 不同子载波间隔

由于5G子载波间隔发生了变化,因此为了适应新的子载波的要求,子帧,时隙,符号也相应发生了变化,如图4所示。

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图4  5G  NR 不同子载波间隔下时隙占用的时间

图4显示了5G NR在不同子载波间隔下的时隙时间以及每帧中的子帧数目。总结如下:

  • 与4G相同,系统帧都是10ms,每帧有10个子帧,每个子帧1ms.
  • 15KHz的子载波间隔
    • 5G每个子帧有1个时隙,每个时隙1ms; 每个时隙含14个符号。只有正常CP(normal CP),没有扩展CP(Extended CP)。
    • 4G每个子帧有两个时隙,每个时隙0.5毫秒。正常CP下,每个时隙包含7个符号;扩展CP下,每个时隙包含6个符号。
  • 30KHz的子载波间隔

30KHz的子载波间隔下,每个子帧包含2个时隙,每个时隙0.5 ms, 总共20个时隙,每个时隙有14个符号,没有扩展CP。

  • 60KHz的子载波间隔

60KHz的子载波间隔下,每个子帧包含4个时隙,每个时隙0.25 ms, 总共40个时隙;正常CP下,每个时隙有14个符号;扩展CP下,12个符号。

  • 120KHz的子载波间隔下,每个子帧包含8个时隙,每个时隙0.125 ms, 总共80个时隙,每个时隙有14个符号,没有扩展CP。
  • 2400KHz的子载波间隔下,每个子帧包含16个时隙,每个时隙0.0625 ms, 总共160个时隙,每个时隙有14个符号,没有扩展CP。

3.符号时间及计算

在频域上的子载波,以15K~240K 存在。 频域上的子载波周期(两个相邻子载波的间距)对应时域上的一个符号的长度。以15Khz的周期为例,符号的长度为1/15000s=66.7us。那么一个时隙0.5ms可以容纳几个符号呢?可以计算如下:

Max_Sym=0.5ms/66.7us=0.0005*15000=7.5

也就是说在0.5ms内最多可以容纳7.5个符号。因此在4G LTE的符号设计中有两种情况,一种是正常循环前缀CP(Cyclic Prefix),另一种为扩展前缀Extended CP。

正常前缀采样7个符号,因此将剩余的0.5个符号所占用的时间分散到7个循环前缀中,其中有效符号占用的时间为66.7us。第一个CP占用的时间为5.21us,称为长CP,其他的CP长度都为4.69us。所占用的时间如表1所示.

 表1   Normal CP 符号占用时间

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扩展前缀采样6个符号,因此将剩余的1.5个符号所占用的时间分散到6个循环前缀中,扩展CP在每个符号前缀占用的时间相等。所占用的时间如表2所示.

表2 Extended CP符号占用时间

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