5G 帧结构、物理资源与物理信道

概述

在本规范中，除非另有说明，时域中各个域的大小表示为若干时间单位 $T_{\text{c}}=1/\left(\Delta f_{\max }\cdot N_{\text{f}}\right)$，其中$\Delta f_{\max }=480\cdot {10}^3\text{ Hz}$，$N_{\text{f}}=4096$。常量$\kappa =T_{\text{s}}/T_{\text{c}}=64$，其中$T_{\text{s}}=1/\left(\Delta f_{\text{ref}}\cdot N_{\text{f,ref}}\right)$，$\Delta f_{\text{ref}}=15\cdot {10}^3\text{ Hz}$，$N_{\text{f,ref}}=2048$ 。

参数集

如Table 4.2-1所示，NR支持多种OFDM参数集。部分载波带宽（carrier bandwidth part，BWP）的 μ 和CP由高层参数给定，其中下行链路由 DL_BWP_mu 和 DL_BWP_cp 给定，上行链路由 UL_BWP_mu 和 UL_BWP_cp 给定。

帧结构

帧和子帧

一帧的时域为$T_{\text{f}}=\left(\Delta f_{\max }{N}_{\text{f}}/100\right)\cdot T_{\text{c}}=10\text{ ms}$，一帧包含10个子帧，每个子帧时域为$T_{\text{sf}}=\left(\Delta f_{\max }{N}_{\text{f}}/1000\right)\cdot T_{\text{c}}=1\text{ ms}$。每个子帧内连续的OFDM符号数为$N_{\text{symb}}^{\text{subframe},\mu }=N_{\text{symb}}^{\text{slot}}{N}_{\text{slot}}^{\text{subframe},\mu }$。每帧分为两个相等大小的半帧，每个半帧包含5个子帧，即半帧0由子帧0-4组成，半帧1由子帧5-9组成。

根据[38.133]，来自UE的上行帧应在UE对应的下行帧开始前传输。

时隙

对于子载波间隔配置 μ，时隙在子帧内按递增顺序编号为$n_{\text{s}}^{\mu }\in \left\{0,\dots ,N_{\text{slot}}^{\text{subframe,}\mu }-1\right\}$，在帧内按递增顺序编号为$n_{\text{s,f}}^{\mu }\in \left\{0,\dots ,N_{\text{slot}}^{\text{frame,}\mu }-1\right\}$。一个时隙内有$N_{\text{symb}}^{\text{slot}}$个连续的OFDM符号，其中$N_{\text{symb}}^{\text{slot}}$的值取决于CP长度，CP长度由Tables 4.3.2-1 and 4.3.2-2给定。一个子帧内的起始时隙与这个子帧内起始OFDM符号在时间上对齐。

时隙内的OFDM符号被分为“downlink”（在Table 4.3.2-3中表示为D）、“flexible”（表示为X）或“uplink”（表示为U）。

在下行时隙，UE应假定下行传输仅发生在downlink符号或flexible符号。

在上行时隙，UE应仅在uplink符号或flexible符号发送。

物理资源

天线端口

天线端口定义为，在同一个天线端口上，传输某一符号的信道可以从传输另一个符号的信道推知。

若在一个天线端口上传输的某一符号的信道的大尺度特性，可以从另一个天线端口上传输的某一符号的信道推知，则这两个天线端口被称为是准共定位（quasi co-located，QCL）的。大尺度特性包括一个或多个时延扩展，多普勒扩展，多普勒频移，平均增益，平均时延，空间Rx参数。

资源格

对于每个参数集和载波，资源格（Resource grid）定义为$N_{\text{grid,}x}^{\text{size,}\mu }{N}_{\text{sc}}^{\text{RB}}$个子载波和$N_{\text{symb}}^{\text{subframe},\mu }$个OFDM符号，起始公共资源块（common resource block）$N_{\text{grid}}^{\text{start},\mu }$由高层信令指示。表示DL（downlink）或UL（uplink），在不会产生混淆时，下标可省略。每个天线端口 p、每个子载波间隔配置 μ 以及每个传输方向（上行或下行），对应一个资源格。

资源粒子

天线端口 p 和子载波间隔配置 μ 的资源格中的每个元素被称为资源粒子（resource element），并且由索引对${\left(k,l\right)}_{p,\mu }$唯一地标识，其中 k 是频域索引， l 是时域符号索引。资源粒子${\left(k,l\right)}_{p,\mu }$对应的复数值为$a_{k,l}^{(p,\mu )}$。在不会产生混淆时，或在没有指定某一天线端口或子载波间隔时，索引 p 和 μ 可以省略，表示为$a_{k,l}^{(p)}$或$a_{k,l}$。

一个资源元素（RE）分为4类：‘uplink’, ‘downlink’, ‘flexible’, or ‘reserved’。

如果RE被配置为‘reserved’， UE不应在上行链路中对该RE发送任何内容，也不对下行链路中的RE内容作出任何假设。

资源块

概述
资源块（resource block）定义为$N_{\text{sc}}^{\text{RB}}=12$个连续频域子载波。

参考资源块
参考资源块（reference resource block）在频域上从0开始编号。参考资源块0的子载波0对于所有的子载波配置 是公共的，也被称为“参考点A”，并且用作其他资源块格的公共参考点。参考点A从以下高层参数获得

• PRB-index-DL-common for a PCell downlink
• PRB-index-UL-common for a PCell uplink
• PRB-index-DL-Dedicated for an SCell downlink
• PRB-index-UL-Dedicated for an SCell uplink
• PRB-index-SUL-common for a supplementary uplink

公共资源块
公共资源块（common resource block）在子载波间隔配置 μ 的频域上从0开始编号。子载波间隔配置 μ 下的公共资源块0的子载波0与“参考点A”一致。

对于子载波间隔配置 μ，频域上的公共资源块号$n_{\text{CRB}}$与资源粒子$(k,l)$的关系为
$$n_{\text{CRB}}^{\mu }=\lfloor \frac{k}{N_{\text{sc}}^{\text{RB}}}\rfloor$$
其中 k 是相对于子载波间隔配置 μ 下的资源格0的子载波0定义的。

物理资源块
物理资源块（physical resource block）在BWP中定义，编号为从0到$N_{\text{BWP,}i}^{\text{size}}-1$其中 i 是BWP数。在BWP i 内，PRB与CRB的关系为
$$n_{\text{CRB}}=n_{\text{PRB}}^{}+N_{\text{BWP,}i}^{\text{start}}$$
其中$N_{\text{BWP,}i}^{\text{start}}$是BWP相对于公共资源块0的起始资源块。

虚拟资源块
虚拟资源块（virtual resource block）在BWP中定义，编号为从0到$N_{\text{BWP,}i}^{\text{size}}-1$，其中 i 是BWP数。

BWP
BWP是在给定参数集和给定载波上的一组连续的物理资源块。BWP的起始位置$N_{\text{BWP,}i}^{\text{start}}\ge 0$ 和资源块数$N_{\text{BWP,}i}^{\text{size}}>0$应满足$0\le N_{\text{BWP,}i}^{\text{size,}\mu }<N_{\text{grid,}x}^{\text{size,}\mu }$。

UE可以在下行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个DL BWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外接收PDSCH，PDCCH，CSI-RS或TRS。

UE可以在上行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个UL BWP处于激活状态。如果UE配置有辅助（supplementary）上行链路，则UE可以在辅助上行链路中另外配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个辅助UL BWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外传输PUSCH或PUCCH。

载波带宽part

对于给定的载波上的波形参数${\mu }_i$，载波带宽part（bandwidth part，BWP）是一组连续的PRB。BWP中的RB从0到$N_{\text{RB,}x}^{\mu }-1$编号，其中 x 表示DL或UL，with $N_{\text{BWP}}^i$ being the offset between PRB 0 in the absolute resource block grid in clause 1.4.4 and PRB 0 in carrier bandwidth part number i 。BWP中的RB数应满足$N_{\text{RB, }x}^{\text{min, }\mu }\le N_{\text{RB,}x}^{\mu }\le N_{\text{RB, }x}^{\text{max, }\mu }$，其中最小值和最大值在Table 4.4.2-1中给定。

下行链路中，UE可配置具有一个或多个载波BWP，所述载波BWP的子集在给带时间处于激活状态。UE不希望在BWP以外的频带接收PDSCH或PDCCH。

在上行链路中，UE可配置为具有一个或多个载波BWP，所述载波BWP的子集在给定时间处于激活状态。UE不希望在BWP以外的频带发送PUSCH或PUCCH。

载波聚合

多个小区的传输可以被聚合起来，除了主小区之外最多可聚合15个次级小区。除非另有说明，本规范中的描述适用于多达16个服务小区中的每一个。

通用函数

上行链路

概述

物理信道概述

物理上行共享信道（PUSCH）
物理上行控制信道（PUCCH）
物理随机接入信道（PRACH）

物理信号概述

解调参考信号（DM-RS）
相位跟踪参考信号（PT-RS）
探测参考信号（SRS）

物理资源

当UE进行上行传输时，使用的帧结构和物理资源在第4章定义。

定义下列天线端口用于上行链路：

• PUSCH相关的DMRS使用以1000为起始的天线端口
• PUCCH相关的DMRS使用以2000为起始的天线端口
• PRACH使用天线端口4000

下行链路

概述

物理信道概述

物理下行共享信道（PDSCH）
物理广播信号（PBCH）
物理下行控制信道（PDCCH）

物理信号概述

解调参考信号（DM-RS）
相位跟踪参考信号（PT-RS）
信道状态信号参考信号（CSI-RS）
主同步信号（PSS）
辅同步信号（SSS）

物理资源

当接收下行链路发送的数据时，UE应假定采用第4章定义的帧结构和物理资源。

定义下列天线端口用于下行链路：

PDSCH相关的DM-RS使用以1000为起始的天线端口
PDCCH相关的DM-RS使用以2000为起始的天线端口
CSI-RS使用以3000为起始的天线端口
SS/PBCH块传输使用以4000为起始的天线端口

调制映射器

调制映射器采用二进制0或1作为输入，产生复值调制符号作为输出。
π/2-BPSK
对于π/2-BPSK调制，比特$b(i)$根据下式映射为复值调制符号 x
$$x=\frac{e^{ji\pi /2}}{\sqrt{2}}\left[\left(1-2b(i)\right)+j\left(1-2b(i)\right)\right]$$

BPSK
对于BPSK调制，比特$b(i)$根据下式映射为复值调制符号 x
$$x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\left(1-2b(i)\right)+j\left(1-2b(i)\right)\right]$$

QPSK
对于QPSK调制，成对比特$b(i),b(i+1)$根据下式映射为复值调制符号$x$
$$x=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\left(1-2b(i)\right)+j\left(1-2b(i+1)\right)\right]$$

16QAM
对于16QAM调制，六位比特$b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3)$根据下式映射为复值调制符号$x$
$$x=\frac{1}{\sqrt{10}}\left[\left(1-2b(i)\right)\left(2-\left(1-2b(i+2)\right)\right)+j\left(1-2b(i+1)\right)\left(2-\left(1-2b(i+3)\right)\right)\right]$$

64QAM
对于64QAM调制，六位比特$b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3),b(i+4),b(i+5)$根据下式映射为复值调制符号$x$
$$x=\frac{1}{\sqrt{42}}[\left(1-2b(i)\right)\left(4-\left(1-2b(i+2)\right)\left(2-\left(1-2b(i+4)\right)\right)\right)+j\left(1-2b(i+1)\right)\left(4-\left(1-2b(i+3)\right)\left(2-\left(1-2b(i+5)\right)\right)\right)]$$

256QAM
对于256QAM调制，八位比特$b(i),b(i+1),b(i+2),b(i+3),b(i+4),b(i+5),b(i+6),b(i+7)$根据下式映射为复值调制符号$x$
$$\begin{gathered} x=\frac{1}{\sqrt{170}}[\left(1-2b(i)\right)\left(8-\left(1-2b(i+2)\right)\left(4-\left(1-2b(i+4)\right)\left(2-\left(1-2b(i+6)\right)\right)\right)\right) \\ +j\left(1-2b(i+1)\right)\left(8-\left(1-2b(i+3)\right)\left(4-\left(1-2b(i+5)\right)\left(2-\left(1-2b(i+7)\right)\right)\right)\right)] \end{gathered}$$

伪随机序列生成

伪随机序列由长度为31的Gold序列定义。长度为$M_{\text{PN}}$的输出序列$c(n)$，其中$n=0,1,\dots ,M_{\text{PN}}-1$，由下式定义
$$c(n)=\left(x_1(n+N_C)+x_2(n+N_C)\right)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}2$$$$x_1(n+31)=\left(x_1(n+3)+x_1(n)\right)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}2$$$$x_2(n+31)=\left(x_2(n+3)+x_2(n+2)+x_2(n+1)+x_2(n)\right)\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}2$$
其中$N_C=1600$，第一m序列应由$x_1(0)=1,x_1(n)=0,n=1,2,\dots ,30$初始化。第二m序列的初始化由$c_{\text{init}}={\sum }_{i=0}^{30}{x}_2(i)\cdot 2^i$表示，其值取决于序列的应用。

OFDM基带信号生成

对除PRACH以外的任何物理信道或信号，对于一个子帧内的OFDM符号 l ，天线端 p 和子载波间隔配置 μ 下的时间连续信号$s_l^{(p,\mu )}\left(t\right)$定义为
$$s_l^{(p,\mu )}\left(t\right)=\sum _{k=-\lfloor N_{\text{RB}}^{\mu }{N}_{\text{sc}}^{\text{RB}}/2\rfloor }^{{\lceil N_{\text{RB}}^{\mu }{N}_{\text{sc}}^{\text{RB}}/2\rceil }^{}-1}{a}_{k^{\prime },\bar{l}}^{(p,\mu )}\cdot e^{j2\pi \left(k+k_0\right)\Delta f\left(t-N_{\text{CP},\bar{l}}\cdot T_{\text{s}}\right)}$$
其中$0\le t<\left(N_{\text{u}}+N_{\text{CP},\bar{l}}^{\mu }\right)T_{\text{s}}$且$k’=k+\lfloor N_{\text{RB}}^{\mu }{N}_{\text{sc}}^{\text{RB}}/2\rfloor$。The value of $k_0$ is such that the lowest numbered subcarrier in a resource block for subcarrier spacing configuration μ coincides with the lowest numbered subcarrier in a resource block for any subcarrier spacing configuration less than μ.

子载波间隔配置 μ 下的OFDM符号 l 的起始位置为

其中

对于PRACH，天线端口 p 下的时间连续信号$s_l^{(p,\mu )}\left(t\right)$定义为
$$s_l^{(p,\mu )}\left(t\right)=\sum _{k=-\lfloor L_{\text{RA}}/2\rfloor }^{{\lceil L_{\text{RA}}/2\rceil }^{}-1}{a}_{k^{\prime }}^{(p,\text{RA})}\cdot e^{j2\pi \left(k+k_0\right)\Delta f_{\text{RA}}\left(t-N_{\text{CP},l}\cdot T_{\text{s}}\right)}$$
其中$0\le t<\left(N_{\text{u}}+N_{\text{CP},l}^{\mu }\right)T_{\text{s}}$且$k’=k+\lfloor L_{\text{RA}}/2\rfloor$。

一个子帧内PRACH前导的起始位置由$t_{\text{start}}^{\text{RA}}$给定，假设子帧始于$t=0$，其中

• 对于ΔfRA∈{15,30,60,120} kHz\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 15,30,60,120 \right\}\text{ kHz}ΔfRA​∈{15,30,60,120} kHz，有$t_{\text{start}}^{\text{RA}}=t_{\text{start},l}^{\mu }$for some $l$

$L_{\text{RA}}$和$N_{\text{u}}$在3.3.3节给定，并且有$N_{\text{CP},l}=N_{\text{CP}}^{\text{RA}}+n\cdot 16\kappa$，其中

• 对于ΔfRA∈{1.25,5} kHz\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 1.25,5 \right\}\text{ kHz}ΔfRA​∈{1.25,5} kHz ，$n=0$
• 对于ΔfRA∈{15,30,60,120} kHz\Delta { {f}_{\text{RA}}}\in \left\{ 15,30,60,120 \right\}\text{ kHz}ΔfRA​∈{15,30,60,120} kHz，$n$ is the number of times the interval $\left[t_{\text{start}}^{\text{RA}},t_{\text{start}}^{\text{RA}}+\left(N_{\text{u}}^{\text{RA}}+N_{\text{CP}}^{\text{RA}}\right)T_{\text{s}}\right]$ overlaps with either time instance 0 or time instance $\left(\Delta f_{\max }{N}_{\text{f}}/500\right)\cdot T_{\text{s}}=0.5\text{ ms}$ in a subframe

调制和上变频

对于天线端口$p$和子载波间隔配置$\mu$，复值OFDM基带信号调制和上变频至载频$f_0$
$$\mathrm{Re}\left\{s_l^{(p,\mu )}\left(t\right)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}\right\}$$

本文参考3GPP TS38.211 V2.0.0 (2017-12)