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为了满足新一代移动通信业务的需求,5G系统的时延必须比4G小得多。URLLC业务要求DL和UL的时延为0.5ms,而eMBB业务要求DL和UL的时延为4ms。怎么实现呢?改变空口物理层的帧结构。
为了降低时延,5G曾经考虑过设计一种子帧的时长非常短(显著地小于LTE的1ms子帧)的帧结构。在4G LTE的1ms子帧的帧结构下,实际的时延达到了几十毫秒,甚至上百毫秒,因此我们的本能反应就是减少子帧的时长。如果将子帧减少到0.5ms,或许我们就能比较容易地实现1ms左右的时延。
减少子帧的时长还有一个理由。由于下一代移动网络将使用高频频段,特别是毫米波,因此子载波的间隔一定会加大;否则,如果还使用15KHz的子载波间隔,那么多普勒效应等因素一定会造成频偏干扰。由于OFDM的固有属性,子载波间隔加大时,OFDM符号的时长一定会缩小。这样,如果每个子帧中的OFDM符号数量不变的话,子帧的时长也一定会缩小。
但是,和我们之前设想的不一样,5G NR继续使用了1ms的子帧;为此付出的妥协是,不再坚持1个子帧中一定包含14个OFDM符号。当子载波间隔是15KHz时,1个5G NR子帧仍然包含14个OFDM符号,与4G LTE一样;当子载波间隔是30KHz时,1个5G NR子帧里有28个OFDM符号(2个slot);当子载波间隔是60KHz时,1个5G NR子帧里有56个OFDM符号(4个slot);当子载波间隔是120KHz时,1个5G NR子帧里有112个OFDM符号(8个slot);当子载波间隔是240KHz时,1个5G NR子帧里有224个OFDM符号(16个slot)。因此,每个OFDM的时长缩短了,每个slot的时长也缩短了,但子帧的时长不变。
那么,怎么实现降低时延的目标呢?解决方案是以OFDM符号为单位调度资源,而不是以子帧为单位调度资源。
在LTE TDD中,UL/DL的资源分配是以子帧为单位的。如下图所示,一共有7种配置方案,DL、UL和GP是在子帧0和子帧9之间分配。
5G NR TDD中,DL/UL资源分配是以OFDM符号为单位的。38.211定义了62中TDD格式,在每个slot的符号0和符号13分配DL或者UL资源。
5G NR的帧结构还能通过快速的HARQ ACK、动态TDD、以及时长可变的数据传输(比如,为URLLC提供小时长的数据传输,而为eMBB提供大时长的数据传输)来降低时延。5G NR的帧结构设计遵循三个基本原则。
基本原则一:数据传输是自包含(self-contained)的。一个slot或者一个beam中的数据包都可以靠自己进行解码,不需要依靠别的slot或者别的beam的数据信息。为了实现这一点,控制信号和参考信号都被安置在每个slot(或者slot组)的开始部分。这就大大加快了解码速度,降低了时延。
基本原则二:数据传输在时域和频域都处于集中状态。将数据消息集中起来,便利于将来引入新型的数据传输,并与现有的数据传输类型共存。5G NR的帧结构不会再将控制信道(如PDCCH信道)分散分布于整个系统带宽上。
基本原则三:slot之间或者不同传输方向之间避免静态的或者严格的时间同步关系。比如,5G NR使用异步HARQ,以取代4G LTE使用的同步HARQ所需要的预先固定的时间同步。
5G NR的帧结构大大加快了HARQ ACK,可以在1个子帧内完成DL数据下发,并且收到UE对这个DL数据的ACK。因为在TDD网络中,UE一边接收DL数据,一边就开始着手解码;而在GP时间内,UE能够准备好HARQ ACK;一旦从DL传输切换到UL传输,就能够及时将HARQ ACK发送出去。
http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_FrameStructure_Candidate.html