5G NR时域结构

5G NR时域结构

在时域上，NR支持基于符号灵活定义的帧结构，以满足各种时延需求。在LTE TDD中，共定义了7种帧结构、9种特殊子帧格式，LTE TDD帧以5ms和10ms为周期，且以准静态配置为主，在高层配置了某种帧结构后，网络在一段时间内均采用该帧结构。不同于LTE TDD，NR为满足更细颗粒度的调度需求，更多的是定义大量的时隙格式。并且NR一开始设计就支持准静态配置和快速配置，支持更多周期配置，如0.5ms、0.625ms、1ms、1.25ms、2ms、2.5ms、5ms、10ms。此外，时隙中的符号可以配置为上行、下行或灵活符号，其中灵活符号可以通过物理层信令配置为下行或上行符号，以灵活支持突发业务。

3.1 自包含时隙/子帧
如下图所示，NR中的时隙可配置为3种类型，其中Type 1为下行时隙，Type 2为上行时隙，Type 3为灵活时隙。Type 3又称为自包含时隙（Self-contained Slot），具体可细分为DL-dominant时隙和UL-dominant时隙。DL-dominant 时隙中的上行传输符号可用于上行控制信息以及参考信号SRS的传输，同理，UL-dominant 时隙中的下行传输符号可用于下行控制信息的传输。

需要特别说明的是，在通信系统中，自包含特性是指接收机解码一个基本数据单元时，无须借助其他基本数据单元，自身就能够完成解码。对应在NR中，其自包含特性使解码一个时隙或一个波束内的数据时，所有的辅助解码信息，例如参考信号SRS和HARQ ACK消息，均能够在本时隙或本波束内找到，而不需要依赖其他时隙或波束。而在LTE中，由于不具备自包含特性，基站或终端在解码某一时隙或波束的数据时，需要缓存其他时隙或波束的数据，这相应地要求LTE基站或终端增加额外的存储硬件配置，同时承担额外的非本时隙或波束的计算负荷。因此，可以说，NR的自包含特性降低了对基站及终端的软硬件配置要求。

此外，NR的自包含特性也能够实现更快的下行HARQ反馈和上行数据调度，以及更快的信道测量。例如，在某个TDD制式的NR帧中，如下图所示。针对一个长度为14个OFDM 符号的自包含时隙，下行控制信息和参考信号SRS可以放在时隙的前部，当终端接收到下行数据时，已完成对下行控制信息和RS的解码，随即能够开始解码下行数据。根据下行数据的解码结果，终端能够在上下行切换的保护时间GP内，准备好HARQ ACK等上行控制信息。一旦切换到上行链路发送时间，可以随即发送上行控制信息。这样，基站和终端能够在一个时隙内完成数据的完整交互，降低RTT时延。此外，自包含特性也使SRS能够在更小的周期内发送，而无须像LTE一样等待下一子帧的最后一个符号。更小的SRS发送周期有助于快速跟踪信道的变化，提升MIMO性能。

通过符号级的时隙配置，同一个子帧中也能同时包含DL信息、UL信息和保护间隔（GP），即构成自包含子帧，如下图中（a）所示。但考虑到自包含子帧对终端硬件处理的延时要求很高，较低端的终端可能不具备相应的硬件能力，下图中（b）给出了较低要求的方案。这种方案中，HARQ反馈有更多的时间余量，从而降低了对终端硬件处理能力的要求。并且，这种配置很容易通过信令指示终端进行支持。

需要注意的是，在自包含时隙/子帧的配置中，如果存在频繁的上下行切换，将带来较大的 GP 开销。

上下行时隙/子帧的实际配比由高层参数指定，可通过多层嵌套配置，也可以独立配置，如下图所示。

3.2 灵活时隙符号配比
NR预定义了56种时隙格式，见下表。其中，Format 0为全下行时隙，Format 1为全上行时隙，Format 2～55为灵活时隙，Format 56～255作为预留。

通过不同时隙格式的选择或不同时隙格式的聚合，NR可以动态适配当前场景下的业务需求。下图列举了4类不同场景下时隙格式的选择或聚合。Format 28和Format 34分别可以适配下行业务高负荷场景和上行业务高负荷场景，Format 0和 Format 28的聚合可以适配下行业务高负荷且对重传时延不敏感场景，同理，Format 34和 Format 1的聚合则能够更好地适配上行业务需求。

3.3 Mini-Slot
对于时延敏感的业务场景，通过增大子载波间隔（SCS）可减小时隙长度，缩短调度周期。但这种机制下，系统调度周期与时隙周期紧耦合，并不是效率最高的方式。为了实现进一步的动态调度，NR使用了Mini-Slot（微时隙）的机制来支持突发性异步传输。

Mini-Slot的起始位置是可变的，且持续时间比典型的14个符号的时隙更短。Mini-Slot 是最小的调度单元，原则上最短可以持续1个OFDM符号，实际上R15限定Mini-Slot可以持续2个、4个或7个OFDM符号。

Mini-Slot这种数据传输时间间隔与时隙边界松耦合的特性，使NR不拘泥于在每个时隙起始之处传输数据。当突发业务数据到达时，NR能够改变数据传输队列的顺序，将Mini-Slot插入已经存在的发送给某个终端的常规时隙传输数据的前面，而无须等待下一个时隙开始的边界。Mini-Slot机制借此可以获得极低的时延，如下图所示。因此，Mini-Slot 机制能够很好地适配uRLLC与eMBB业务共存的场景。

对于热点高容量场景，尤其是使用毫米波作为载频的场景，由于毫米波的单载波带宽很大，存在着用几个OFDM符号即可承载较小的数据有效负荷，而无须用到1个时隙中全部14个OFDM符号的情况。在这种情况下，使用Mini-Slot机制显然可以提高资源的利用率。

对于广覆盖场景，尤其是使用模拟波束赋形技术的场景，由于传输到多个终端设备的不同波束无法在频域实现复用，只能在时域复用，因此，Mini-Slot特别适合与模拟波束赋形技术组合使用。

此外，尽管R15暂未标准化NR非授权频谱的使用，仍需说明的是，Mini-Slot机制也非常适合非授权频谱传输的场景。在非授权频段，发射机在发送数据前，需要先确定当前无线信道是否被其他传输占用，即基于LBT（Listen-Before-Talk）策略。一旦发现无线信道未占用，需要马上开始数据传输，否则，如果等待下一时隙开始，很可能无线信道又被其他传输数据占用了。

综合上述讨论，Mini-Slot对于实现低时延传输尤为重要，对于提高数据的传输效率以及匹配模拟波束赋形技术需求的作用次之，对于适配非授权频谱传输需求则再次之。

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