5G无线通信系统的帧结构猜测

概述

现在还没有正式的国际标准来定义5G的帧结构，爱立信和METIS的研究会发表过一些研究结果。 有一点已经达成共识：5G的子帧subframe长度明显比4G LTE短（LTE中1个子帧1毫秒；1个帧10毫秒）。 2016年4月，3GPP RAN WG 在Busan开会, 正式发布了很多关于5G的Tdocs。

5G帧结构的需求

主要组件: TTI (Transmission Time Interval)
和子帧 (Subframe)
• 允许在处理不同的业务时具有可扩展性
• 支持不同业务(eMBB, mMTC, URLLC)的复用
• 支持用户复用，包括基站和UE之间的
uplink/downlink复用和UE和UE之间的sidelink复用
• 支持最大限度的物理层特性，比如非常宽或者非常窄的带宽（包括TDD和FDD, sub-6 Ghz频段和毫米波（mmWave）频段
• 充分利用TDD的信道互易特性（channelreciprocity） (使用频繁的探测机会)支持动态TDD分配（基于对源对（source pairs）和目的对（destination pairs）之间的干扰管理
• 支持允许同一个子帧内的传输和ACK/NACK的独立子帧
• 支持有单个交错结构的独立子帧
• 有可能支持有多个交错结构的独立子帧（为了满足前向兼容性，以及受制于目标时延的信令开销限制）
• 源通信端和目的通信段之间的short intermediateround通信可以发生在一个子帧内
• 支持聚合载波之间的紧耦合

为什么是短帧？

为什么需要短帧？

• 4G LTE要求满足几十——100毫米的时延，对应的子帧长度是1毫秒
• 满足5G的短时延需求——1毫秒左右
• 因此5G的子帧长度一定远小于1毫秒
• 如果子帧长度是0.5 ms ? 单信令时OK。
• 如果某个业务涉及多个信令消息的交互，就会有问题，比如：i) UE -> NW : Scheduling Request ii) UE <- NW :Grant
iii) UE -> NW : Data Transmissioniv) UE <- NW : ACK/NACK
• 与5G的工作频段有关：如果OFDM工作在高频段，如毫米波段，则很难维持象15KHz这样小的子载波间隔（多普勒频移或晶振偏移等影响），因此如果5Gfrequency drift happens, itwould get easily ove继续使用OFDM，其子载波间隔一定远大于
• 如果子载波间隔变大，则符号长度一定变小（频域和时域的反比例关系）；因此如果一个子帧中的符号数量不变，则子帧的长度一定变短

决定帧结构的因素

• 子帧结构的频率带宽？
• 每个子帧中有几个符号？
• 子载波的数量？
• 3GPP TDoc R1-162204 ([7]) and R-162157([8]).
• 子载波间隔 : 建议取值是 Delta_f * 2^K。这样能获得较好的复用效率。子载波间隔因频段和UE移动速度而异。
• 每个TTI 的符号数量：建议每个TTI有2^M 个符号。这是为确保实现URLLC (Ultra Reliable Low LatencyCommunication)，提高TTI处理的灵活性。
• CP 长度 : CP长度取决于部署模式（室外或者室内）、频段、业务类型（单播或者广播）以及是否使用波束赋型
• TTI 长度 : TTI 长度取决于业务类型（不同业务有不同的时延需求），或者应用于下行链路/上行链路/sidelink.

符号长度和子帧间隔

这个例子被设计成兼容现有的LTE网络. 共有3种子载波间隔：第1种是现在的LTE网络使用的子载波间隔和符号长度；第2种的子载波间隔是第1种的5倍，即75KHz，而符号长度只有1/5，即1ms内有70个符号；第2种的子载波间隔是第1种的40倍，即600KHz，而符号长度只有1/40，即1ms内有560个符号；

新的帧结构设计；子载波间隔越大，符号长度越小；

华为和HiSilicon的帧结构建议；不同的子载波间隔、不同的CP长度、不同的TTI长度

子帧结构——控制信道和参考信号

（来自爱立信的建议）有两种类型：类型一很类似现有的LTE/LTE-A网络，类型二是新的结构。在类型一中，参考信号分布在整个时间域和频率域；在类型二中，参考信号只分布在频率域（由于符号很短，我们可以假设信道状态在时间域不会变化

子帧结构——控制域和数据域

子帧结构的一个亮点是：下行数据和上行控制 (主要是针对上行数据的ACK/NACK) 包在在1个子帧内，因此下行传输和相关 ACK/NACK 可以在1个TTI完成传输，这将大大简化MAC
layer HARQ 过程。

将多个DL数据包和仅仅1个上行控制 放进1个子帧内。这会增加时延，但是会大大减少信令开销。

另1种子帧结构。在这个结构中，能同时见到Tx Control和Rx Control，因此在每个帧中能同时发送和接收携带同步信号的 scheduling request 和 Grant 。帧长度可以短至0.25 ms ，而子载波间隔是60 Khz.


上表介绍了5G子帧结构的详细参数。