5G系統(tǒng)定義的幀結(jié)構(gòu)分析

張長(zhǎng)青（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽(yáng)分公司，湖南岳陽(yáng)414000）

0 引言

幀一般是指數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。幀由幾個(gè)執(zhí)行不同功能的部分組成。幀結(jié)構(gòu)是指能夠按照傳送信息的不同，組成不同的重復(fù)周期的幀。網(wǎng)絡(luò)通信中的幀結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如IP數(shù)據(jù)報(bào)僅包括幀頭、數(shù)據(jù)部分和幀尾3部分，幀頭和幀尾包含有同步、地址和差錯(cuò)控制等信息，數(shù)據(jù)部分則包含有從網(wǎng)絡(luò)層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)。移動(dòng)通信的幀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這是因?yàn)橐苿?dòng)通信是高速率、高品質(zhì)、高數(shù)據(jù)量的寬帶通信系統(tǒng)，不僅要占用頻域、時(shí)域、空域等所有數(shù)據(jù)傳輸承載資源，還要考慮通信過(guò)程中的不同數(shù)據(jù)類(lèi)型、不同業(yè)務(wù)需求以及無(wú)線(xiàn)信道中的多徑與多普勒等效應(yīng)對(duì)傳輸承載的特別要求。

幀是移動(dòng)通信傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)，幀結(jié)構(gòu)的品質(zhì)直接決定移動(dòng)通信的品質(zhì)。5G及其演進(jìn)系統(tǒng)可以解決許多新的場(chǎng)景應(yīng)用，雖然其幀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但卻可以兼容4G系統(tǒng)，因?yàn)槠鋷Y(jié)構(gòu)沿用了部分4G的幀結(jié)構(gòu)。

1 4G TD-LTE幀結(jié)構(gòu)分析

為了滿(mǎn)足時(shí)分復(fù)用中的上下行時(shí)間轉(zhuǎn)換的要求，TD-LTE設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。在TD-LTE時(shí)域中，以周期方式同時(shí)傳輸、且標(biāo)準(zhǔn)配置上下行子幀數(shù)的幀結(jié)構(gòu)有無(wú)線(xiàn)幀和半幀2種，無(wú)線(xiàn)幀時(shí)長(zhǎng)10 ms，半幀時(shí)長(zhǎng)5 ms，1個(gè)無(wú)線(xiàn)幀由2個(gè)半幀組成。每個(gè)半幀由時(shí)長(zhǎng)1 ms的5個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀由時(shí)長(zhǎng)0.5 ms的2個(gè)時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙可以根據(jù)循環(huán)前綴CP的不同時(shí)長(zhǎng)，分別由6個(gè)或7個(gè)CP+OFDM符號(hào)組成，每個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)都是66.7 μs，而CP的時(shí)長(zhǎng)可變，分為常規(guī)CP和擴(kuò)展CP。每個(gè)OFDM符號(hào)所包含的二進(jìn)制脈沖信息量是由系統(tǒng)采用的基帶調(diào)制方式?jīng)Q定的。

圖1 TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

從圖1可以看出，每個(gè)常規(guī)子幀都是由2個(gè)時(shí)長(zhǎng)固定為0.5 ms的時(shí)隙組成，特殊子幀則是由3個(gè)名稱(chēng)分別為DwPTS、GP和UpPTS的時(shí)長(zhǎng)各不相同且可以由系統(tǒng)調(diào)整的特殊時(shí)隙組成，其中DwPTS可以配置3～12個(gè)OFDM符號(hào)，主要用于正常下行控制信道和下行共享信道傳輸；UpPTS可以配置1～2個(gè)OFDM符號(hào)，主要用于承載物理隨機(jī)接入信道和Sounding導(dǎo)頻信號(hào)；GP可以配置1～10個(gè)OFDM符號(hào)，既可以避免時(shí)域同頻上下行鏈路間相互干擾，起到保護(hù)間隔的作用，又可以確定小區(qū)的有效輻射半徑，其對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為71～714 μs，對(duì)應(yīng)的小區(qū)半徑為7～100 km。

在TD-LTE系統(tǒng)時(shí)域的幀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)半幀或無(wú)線(xiàn)幀中的特殊子幀中都有一個(gè)保護(hù)間隔GP，每個(gè)時(shí)隙中的每個(gè)OFDM符號(hào)前都有一個(gè)循環(huán)前綴CP，系統(tǒng)中定義的無(wú)線(xiàn)幀、半幀、子幀、時(shí)隙和OFDM符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)都是固定不變的，唯有GP和CP的時(shí)長(zhǎng)可以由系統(tǒng)調(diào)整。表面上GP是上下行子幀間的隔離區(qū)，CP是OFDM符號(hào)間的隔離區(qū)，實(shí)際上GP的大小不僅決定了支持小區(qū)的覆蓋半徑，還可保證不同終端的發(fā)射信號(hào)同步到達(dá)基站，當(dāng)然GP是TD-LTE系統(tǒng)特有的參數(shù)，一般只能防止ICI。理論上CP可對(duì)抗多徑導(dǎo)致的時(shí)延擴(kuò)展，保證子載波間的正交性，防止ISI，實(shí)際上CP也是對(duì)GP作用的升級(jí)，既可防止ISI，還可防止ICI。

循環(huán)前綴CP有擴(kuò)展CP和常規(guī)CP 2種配置，由于擴(kuò)展CP中的OFDM符號(hào)間的時(shí)間間隔要比常規(guī)CP中的OFDM符號(hào)間的時(shí)間間隔大，所以擴(kuò)展CP的抗多徑衰落能力更強(qiáng)，因此擴(kuò)展CP更適合郊區(qū)的宏小區(qū)布站，常規(guī)CP則適合典型的市區(qū)場(chǎng)景的宏小區(qū)布站。理論上特殊時(shí)隙DwPTS、GP和UpPTS分別有12、10和2個(gè)OFDM符號(hào)的可選參數(shù)可供配置，雖然3個(gè)特殊時(shí)隙的時(shí)長(zhǎng)總和只有1 ms，但通過(guò)科學(xué)調(diào)整3個(gè)特殊時(shí)隙中的OFDM符號(hào)數(shù)可以改變時(shí)長(zhǎng)，使系統(tǒng)具有更多的調(diào)整方案。另外DwPTS時(shí)隙可以傳輸數(shù)據(jù)，能進(jìn)一步擴(kuò)大小區(qū)容量?？傊?，特殊時(shí)隙的靈活配置的特點(diǎn)可幫助系統(tǒng)適應(yīng)覆蓋、容量、干擾等不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要。

TD-LTE有7種上下行子幀配置比不同的傳輸模式，為T(mén)D-LTE系統(tǒng)的下載和上傳數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供了多個(gè)選擇，需要指出的是，這種選擇是以時(shí)分同頻的子幀為單位的。在TD-LTE幀結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)首先將子幀0固定為下行子幀，子幀1固定為特殊子幀，子幀2固定為上行子幀，其次將無(wú)線(xiàn)幀分割為2個(gè)半幀，從而使系統(tǒng)有5 ms周期和10 ms周期這2種同時(shí)配有上下行子幀的傳輸方式，便于系統(tǒng)靈活配置其他子幀，形成不同配比的上下行業(yè)務(wù)。在5 ms周期中，子幀1和子幀6固定配置為特殊子幀；在10 ms周期中，子幀1固定配置為特殊子幀，子幀6固定為下行子幀。

幀結(jié)構(gòu)是TD-LTE在時(shí)域承載二進(jìn)制數(shù)據(jù)的技術(shù)基礎(chǔ)，OFDM符號(hào)是TD-LTE在時(shí)域承載信息的最小顆粒。LTE是第1個(gè)全I(xiàn)P交換的移動(dòng)通信系統(tǒng)，有LTE-TDD和LTE-FDD 2種制式。由于LTE要解決的問(wèn)題除了移動(dòng)通信特有的多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)外，就是單一類(lèi)型的上下行數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，應(yīng)用場(chǎng)景僅為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，所以無(wú)線(xiàn)幀、半幀、子幀、時(shí)隙和OFDM符號(hào)等時(shí)域結(jié)構(gòu)參量都可以設(shè)計(jì)為固定不變值，而唯一可變的CP模式和特殊時(shí)隙，則完全是為了解決ISI和ICI等干擾問(wèn)題，順帶還可以解決覆蓋和容量等問(wèn)題。所以說(shuō)，TD-LTE幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，實(shí)際上也是由4G系統(tǒng)制訂之初定義和規(guī)范的應(yīng)用場(chǎng)景所決定的。

2 5G三大應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)5G標(biāo)準(zhǔn)R15和R16表述，5G應(yīng)用將主要面向增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超高可靠和低延時(shí)通信（URLLC）、大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信（mMTC）等三大應(yīng)用場(chǎng)景需求，面對(duì)如此嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景，5G系統(tǒng)必須具備有支持連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠等新的通信基礎(chǔ)能力，并在處理不同業(yè)務(wù)和不同接入終端時(shí)，具有充分的可擴(kuò)展性和靈活的技術(shù)適應(yīng)性，使之能成為連接所有行業(yè)和生態(tài)圈的底層通信平臺(tái)，而這些都預(yù)示著未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)只有通過(guò)幀結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)的改變，才有可能滿(mǎn)足eMBB、URLLC、mMTC等應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2.1 eMBB

eMBB業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)在3D超高清視頻遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、可能感知的互聯(lián)網(wǎng)、超高清視頻流傳輸、高要求賽場(chǎng)環(huán)境、寬帶光纖用戶(hù)及虛擬現(xiàn)實(shí)等，該場(chǎng)景要求用戶(hù)的數(shù)據(jù)速率達(dá)到數(shù)Gbit/s的量級(jí)，而這些在以往只能通過(guò)固定寬帶網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。若要讓這些業(yè)務(wù)順利進(jìn)入移動(dòng)環(huán)境，在技術(shù)上必須使5G系統(tǒng)具備極大的傳輸帶寬，以實(shí)現(xiàn)極致的流量吞吐，還要盡可能地降低傳輸時(shí)延，使用戶(hù)可以獲得更一致的體驗(yàn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，eMBB場(chǎng)景下，5G技術(shù)要滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)速率、高頻譜效率和低時(shí)延的要求。

2.2 URLLC

URLLC應(yīng)用場(chǎng)景主要包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、公共交通系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化與智能化、遠(yuǎn)程醫(yī)療及智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)控制等。該應(yīng)用場(chǎng)景使人們的生活變得更高效、更安全、更易于控制，讓人們對(duì)世界的體驗(yàn)更豐富、更精彩。5G網(wǎng)絡(luò)中的物與物、人與物的連接將成為常態(tài)，而與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)業(yè)務(wù)，對(duì)差錯(cuò)的容忍度也非常小，這就要求通信網(wǎng)絡(luò)的性能非常穩(wěn)定，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延也有很高的要求。也就是說(shuō)，URLLC場(chǎng)景下，5G技術(shù)要滿(mǎn)足99.999%的高可靠性和毫秒級(jí)的低時(shí)延。

2.3 mMTC

mMTC主要是指人與物之間的信息交互需求的應(yīng)用場(chǎng)景，需要滿(mǎn)足每km2百萬(wàn)級(jí)連接數(shù)、廣覆蓋和低功耗的要求。另外，增強(qiáng)型機(jī)器類(lèi)通信（eMTC）是ITU-R為5G物聯(lián)網(wǎng)深度應(yīng)用定義的應(yīng)用場(chǎng)景，主要體現(xiàn)物與物之間的通信需求。若將mMTC和eMTC應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，又可稱(chēng)之為大連接物聯(lián)網(wǎng)。這實(shí)際上是一個(gè)可以提供多至百億的機(jī)器型終端和數(shù)以萬(wàn)億成本低廉的海量連接的場(chǎng)景。毫無(wú)疑問(wèn)，以物聯(lián)網(wǎng)為主的mMTC和eMTC應(yīng)用場(chǎng)景，將會(huì)成為5G發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

人們常說(shuō)市場(chǎng)需求決定技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)景決定技術(shù)方向。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展與深化，人們對(duì)5G應(yīng)用的期望值也將越來(lái)越高，不僅希望其具有基于高速的固有價(jià)值，還希望憑借物聯(lián)網(wǎng)等生態(tài)鏈路開(kāi)拓其延展價(jià)值，如有些萬(wàn)物連接中的低速需求，以往完全可以用4G甚至2G替代，但因新型應(yīng)用的期望指數(shù)的增加，使得在此基礎(chǔ)上引起的延展業(yè)務(wù)需求，必須有新的技術(shù)支撐。所以，隨著5G及其演進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用，應(yīng)用場(chǎng)景的內(nèi)容也將在不斷增長(zhǎng)的期望值中不斷翻新，同時(shí)也將會(huì)助力新的移動(dòng)通信技術(shù)不斷提升和發(fā)展。但不管怎樣，能夠適應(yīng)5G及其演進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)，終將還是以科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的底層技術(shù)——幀結(jié)構(gòu)為其基礎(chǔ)。

3 5G幀結(jié)構(gòu)分析

與4G固定幀結(jié)構(gòu)相比，5G幀結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是靈活多變，或者說(shuō)5G系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)要求靈活選擇不同時(shí)長(zhǎng)的幀結(jié)構(gòu)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，超高可靠和低時(shí)延是未來(lái)5G的關(guān)鍵服務(wù)，需要比4G時(shí)長(zhǎng)更短和更靈活的幀結(jié)構(gòu)。為了滿(mǎn)足5G應(yīng)用場(chǎng)景中的mMTC和eMTC的需求，只有在物理層中定義比4G幀結(jié)構(gòu)類(lèi)型更多、更復(fù)雜、更多樣性的幀結(jié)構(gòu)，才有可能從基礎(chǔ)技術(shù)上得到保證?？梢钥隙?，5G及其演進(jìn)系統(tǒng)中幀結(jié)構(gòu)的變化，將是一場(chǎng)發(fā)生在通信技術(shù)底層或物理層面上的新技術(shù)革命，對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)來(lái)講，其影響將是廣泛的，意義將是深遠(yuǎn)的。

如圖2所示，5G幀采用的是分層結(jié)構(gòu)方式，由固定架構(gòu)和靈活架構(gòu)2部分組成，既沿用了4G幀結(jié)構(gòu)中的部分優(yōu)點(diǎn)和成熟技術(shù)，又可以全面提高幀結(jié)構(gòu)的靈活性。其中固定架構(gòu)與4G一樣，由時(shí)長(zhǎng)為10 ms的無(wú)線(xiàn)幀和時(shí)長(zhǎng)為1 ms的子幀組成，但取消了半幀結(jié)構(gòu)。或者說(shuō)，5G的上下行數(shù)據(jù)周期性傳輸單元是1個(gè)無(wú)線(xiàn)幀，數(shù)據(jù)調(diào)度單元是1個(gè)子幀。顯然，這種方式簡(jiǎn)化了系統(tǒng)幀固定架構(gòu)的層次，優(yōu)化了系統(tǒng)幀固定架構(gòu)的設(shè)計(jì)，將幀結(jié)構(gòu)的選擇靈活性下移到靈活架構(gòu)中，從而提高了固定架構(gòu)的傳輸效率。在5G幀的靈活架構(gòu)中，每個(gè)子幀中包含的時(shí)隙數(shù)有更多的選擇范圍，雖然每個(gè)時(shí)隙中包含的符號(hào)數(shù)也有常規(guī)CP和擴(kuò)展CP 2種選擇，但每個(gè)時(shí)隙中的符號(hào)數(shù)是4G幀結(jié)構(gòu)中的2倍，從而提高了靈活架構(gòu)中的多樣選擇性。

由于5G的多址技術(shù)是同時(shí)包括了TDD和FDD在內(nèi)的同頻同時(shí)全雙工傳輸技術(shù)，收發(fā)天線(xiàn)分離，收發(fā)信號(hào)可以承載在空域端口的同一子載波上的同一符號(hào)里，雖然多址技術(shù)同樣具有時(shí)分復(fù)用的基本屬性，子幀傳輸仍需同步，但子幀之間就如FDD子幀一樣無(wú)需隔離。從圖2可以看出，在5G幀結(jié)構(gòu)的時(shí)隙中，第4和第6個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)的部分子載波所承載的就是同步信號(hào)，使同步精確到每個(gè)時(shí)隙，而不是4G那樣僅存在于每個(gè)無(wú)線(xiàn)幀或半幀中的特殊子幀中，同步精度只能近似到無(wú)線(xiàn)幀或半幀。另外，5G不是獨(dú)立的TDD，在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀中，上下行子幀不共存，也就沒(méi)有必要設(shè)計(jì)特殊子幀了。所以，在5G幀結(jié)構(gòu)中，不僅傳輸信號(hào)的同步精度更高，而且數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度更靈活，傳輸效率更高。

與4G不同的是，在5G定義的靈活子架構(gòu)中，每個(gè)子幀中的時(shí)隙數(shù)和每個(gè)時(shí)隙中的符號(hào)都有多種選擇，且可以根據(jù)子載波的間隔來(lái)靈活調(diào)整。由于5G子幀時(shí)長(zhǎng)與4G一樣固定為1 ms，當(dāng)5G子幀包含的時(shí)隙數(shù)和時(shí)隙包含的符號(hào)數(shù)改變時(shí)，5G定義的時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)和符號(hào)時(shí)長(zhǎng)就不得不改變了，所以5G靈活架構(gòu)中定義的時(shí)隙和符號(hào)的長(zhǎng)度是靈活可變的。對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，4G的常規(guī)子幀中包含有2個(gè)固定時(shí)隙，5G子幀的時(shí)隙數(shù)有6種選擇；4G的時(shí)隙中符號(hào)的時(shí)長(zhǎng)是固定不變的，但有常規(guī)CP和擴(kuò)展CP 2類(lèi)，5G每個(gè)時(shí)隙中的“符號(hào)+CP”也有常規(guī)CP和擴(kuò)展CP 2種模式。

圖2 5G幀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

5G系統(tǒng)中信息承載單元的定義方式，延續(xù)了4G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，同樣采用了時(shí)域頻域共同定義的二維平面資源粒子作為最小的信息承載單元，即1個(gè)資源粒子由1個(gè)時(shí)域符號(hào)和1個(gè)頻域子載波組成，該資源粒子中承載的二進(jìn)制數(shù)據(jù)由基帶調(diào)制方式?jīng)Q定?？梢钥闯?，4G的資源粒子固定不變，但5G的資源粒子因符號(hào)時(shí)長(zhǎng)和子載波寬度的變化而靈活多變。若設(shè)5G子載波間隔為Δf=2μ×15 kHz，其中μ=0、1、2、3、4、5，則子載波間隔相當(dāng)于子載波的頻率寬度為Δf，對(duì)應(yīng)的子載波波長(zhǎng)間隔Δλ=c/Δf=c/（2μ×15），這說(shuō)明頻域子載波間隔越大，時(shí)域?qū)@得越多的符號(hào)，對(duì)應(yīng)的“符號(hào)+CP”的寬度也將越小，如圖3所示。較寬的子載波間隔還能更好地抵抗頻偏影響，支持更高的移動(dòng)速度，也可以滿(mǎn)足系統(tǒng)不同的時(shí)延要求。

圖3 不同子載波帶寬對(duì)應(yīng)不同的符號(hào)數(shù)

由此可見(jiàn)，5G系統(tǒng)的時(shí)隙寬度和符號(hào)寬度都是隨子載波間隔寬度的變化而變化的，并有6個(gè)變化選項(xiàng)，使系統(tǒng)具有較高的靈活性，完全可以滿(mǎn)足各種不同要求的應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)R15和R16技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的描述，當(dāng)子幀時(shí)長(zhǎng)固定為1 ms時(shí)，每個(gè)子幀的時(shí)隙數(shù)為2μ，其中μ=0、1、2、3、4、5，則每個(gè)無(wú)線(xiàn)幀的時(shí)隙數(shù)為10×2μ，每個(gè)子幀的常規(guī)CP符號(hào)數(shù)為14×2μ，擴(kuò)展CP符號(hào)數(shù)為12×2μ，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為1/（2μ）ms，常規(guī)CP的“符號(hào)+CP”長(zhǎng)度為1/（14×2μ）ms，擴(kuò)展CP的“符號(hào)+CP”長(zhǎng)度為1/（12×2μ）ms，具體參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，當(dāng)μ=0時(shí)，5G的幀結(jié)構(gòu)與4G的常規(guī)幀結(jié)構(gòu)完全一樣，說(shuō)明5G可以兼容4G；當(dāng)μ=1、2、3、4、5時(shí)，5G幀結(jié)構(gòu)變成了時(shí)長(zhǎng)不同的短幀，且越來(lái)越短。顯然，這部分幀結(jié)構(gòu)是為5G適應(yīng)eMBB、uRLLC和mMTC三大應(yīng)用場(chǎng)景專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。μ的取值不僅可以改變時(shí)域幀結(jié)構(gòu)，還可以改變頻域子載波間隔，從而直接改變資源粒子的大小，既達(dá)到了靈活調(diào)整承載信息的目的，又可以提高系統(tǒng)的相關(guān)性能，而且系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的控制量只有一個(gè)，不僅控制效率較高，而且控制過(guò)程也簡(jiǎn)單，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低。

在5G固定架構(gòu)的幀結(jié)構(gòu)中只有無(wú)線(xiàn)幀和子幀，幀結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可以更好地與4G共享資源，也有利于在4G和5G共同部署模式下的時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)的同步。靈活架構(gòu)設(shè)計(jì)中只包括時(shí)隙和符號(hào)，但每個(gè)子幀中可以包括的時(shí)隙數(shù)最少1個(gè)、最多32個(gè)，選擇方式有6種，每個(gè)時(shí)隙中既有包含14個(gè)符號(hào)的常規(guī)CP方式，也有包含12個(gè)符號(hào)的擴(kuò)展CP方式，靈活架構(gòu)不僅可以使系統(tǒng)的選擇更加靈活多樣，還可以實(shí)現(xiàn)與4G幀結(jié)構(gòu)的共享與兼容。

表1 5G幀結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

5G幀架構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是，將子載波的頻域間隔與時(shí)隙和符號(hào)的時(shí)域時(shí)長(zhǎng)結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一用μ值來(lái)靈活調(diào)整，其中子載波間隔正比于2μ，符號(hào)寬度正比于1/2μ，這與系統(tǒng)數(shù)字化二進(jìn)制的計(jì)算特性非常匹配，因而算法簡(jiǎn)單，效率更高，系統(tǒng)操作更方便，從而使系統(tǒng)以時(shí)頻二維資源粒子為單位進(jìn)行靈活調(diào)整，極大地提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性與靈活性，更重要的是，其子載波帶寬的變化會(huì)降低傳輸時(shí)延，從而可以提高系統(tǒng)的傳輸性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

從5G三大應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，其規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與需求是比較高的。對(duì)于系統(tǒng)來(lái)講，既要求支持包括基站和UE間的上下行復(fù)用，還要求UE和UE間的小區(qū)邊緣連接用戶(hù)復(fù)用；既可以支持諸如非常寬和非常窄的眾多帶寬傳輸模塊，還可以支持TDD和FDD等多址復(fù)用技術(shù)，同時(shí)還可以充分利用TDD的信道互易特性。既要最大限度地支持6 GHz及毫米波頻段的高端頻譜資源，還要充分利用低端零散或退網(wǎng)后不成塊的頻譜資源。未來(lái)包括5G在內(nèi)的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，完全有可能使信息傳輸和信息應(yīng)用極大地突破原有的時(shí)空限制，為用戶(hù)提供極致的交互體驗(yàn)，提供便捷的人與物、物與物的智能互聯(lián)。

5G幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了與4G幀結(jié)構(gòu)的兼容，不僅無(wú)線(xiàn)幀和子幀的時(shí)長(zhǎng)完全一致，還在符號(hào)設(shè)計(jì)中采用了相同的循環(huán)前綴CP方案。雖然5G的子載波間隔有6種選項(xiàng)，但最小子載波間隔卻與4G完全一樣。雖然4G子幀包含有2個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)或6個(gè)符號(hào)，即每個(gè)子幀包含的符號(hào)數(shù)是14個(gè)或12個(gè)，這正好是5G子幀中最小子載波間隔對(duì)應(yīng)的時(shí)隙數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)5G系統(tǒng)的子載波間隔值為最小值或μ=0時(shí)，就相當(dāng)于5G系統(tǒng)返回到了4G系統(tǒng)，說(shuō)明5G幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的兼容性，也說(shuō)明5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分考慮了運(yùn)營(yíng)商對(duì)4G應(yīng)用延續(xù)性的要求，考慮了移動(dòng)用戶(hù)對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)過(guò)程。

要實(shí)現(xiàn)5G低時(shí)延、高可靠、低功耗的場(chǎng)景應(yīng)用，只能采用更短的幀結(jié)構(gòu)。因?yàn)?，從底層技術(shù)來(lái)看，更短的幀結(jié)構(gòu)可以在給定的時(shí)間內(nèi)增加物理層的重傳次數(shù)，可以提高鏈路的效率和吞吐率，同時(shí)更短的幀結(jié)構(gòu)還可以有效降低上層的傳輸時(shí)延。