5G帧结构设计原则

本文是华为提出的NR帧结构思路，讨论了灵活帧（flexible frame）的配置和共存，以满足各种场景的要求，更好地支持单个连续频谱块中的各种需求。还详细讨论了NR的帧结构，包括子帧类型、子帧持续时间（subframe duration）、无线帧、自包含子帧（self-contained subframe）、信道化设计和可配置的HARQ定时。此外，还对TDD 上下行配置、非许可频谱和灵活双工的支持以及大规模MIMO的帧结构等进行了简要的讨论。

灵活的帧结构和共存性

NR需要支持各种不同应用和部署场景，支持多种numerology。因此，NR的帧结构应提供充分的灵活性，并可配置为不同的numerology。特别地，它需要在不同的参数上提供灵活性，例如子载波间隔、循环前缀长度、子帧持续时间和GP（Guard Period）持续时间。此外，可以支持单个连续频谱块上的多个numerology，以实现不同服务之间的灵活资源复用。

通过引入filtered OFDM（f-OFDM），可以支持多帧配置的共存。如果在子带之间使用不同的numerology，f-OFDM可以将连续的频谱块分离成不同的载波并减轻各载波间干扰。图1列出了成对频带中多帧配置共存的示例。有几种帧配置分别位于不同的载波部分，如具有正常CP的eMBB单播、具有扩展CP的MBMS业务和具有较小子载波间隔的mMTC。

另外，对于非配对频段，GP位置需要对齐，以避免DL/UL交叉链路干扰，简化共存。图2列出了具有对齐GP位置的未配对频谱中多帧配置共存的示例。

NR的帧结构可以定义三种子帧类型，包括仅DL子帧（子帧类型1）、仅UL子帧（子帧类型2）和混合DL和UL子帧（子帧类型3），其中2个子帧类型为DL主帧和UL主帧，如图3所示。DL主导子帧包含主要用于快速上行控制信息传输或用于信道测量的参考信号（例如SRS）的可配置短UL部分。UL主导子帧包含主要用于下行控制的可配置短DL部分。

子帧持续时间是从与基本子载波间隔f0相对应的1ms基本时间单位定义的，对于给定CP长度具有给定数量的OFDM符号。然后，子帧持续时间随着子载波间隔而缩放，因此可以支持0.5ms、0.25ms、0.125ms的其他子帧持续时间。但是OFDM符号的数目和相关的时域结构尽可能保持不变，并且在某种程度上可以不知道子载波间隔值。对于更高的频率，由于较大的子载波间隔但在子帧内保持合理数量的OFDM符号，可以配置更小的子帧持续时间。

图4中给出了子帧持续时间随子载波间隔缩放的两个示例，其中0.5ms（示例1）或1ms（示例2）的子帧持续时间可对应于给定CP长度配置（例如，具有正常CP长度的7或14个OFDM符号）的具有给定数目的OFDM符号的15khz的子载波间隔，当子载波间隔扩展到30KHz时，子帧持续时间可被配置为0.25ms（示例1）或0.5ms（示例2）。如图4所示的示例1和示例2可应用于不同的服务，例如，对于eMBB非关键服务具有14个OFDM符号的1ms子帧和对于URLLC服务具有7个OFDM符号的0.5ms子帧持续时间。此外，具有大子载波间隔的较短子帧持续时间也可以是URLLC服务的选项。

对于无线帧的定义，考虑以下备选方案：

1. 保持10ms的LTE长度

2. TRF=T0*m，其中TRF是无线帧的长度，T0可以讨论，m是从一组可能的正值中选择的整数。

对于方案1，NR可以从LTE继承设计的方案。另一方面，方案2可以为新的服务和numerology提供灵活性。无线帧长度可以相对于波束扫描周期、公共信道周期或UL-DL配置等来定义。应当注意，UL-DL配置的候选将随着无线帧中子帧的增加而增加，因此，UL-DL配置优选地应基于固定数目的子帧来定义，如果无线帧具有固定持续时间，则该子帧将不匹配无线帧的持续时间。

图5示出了具有三种提议的子帧类型的无线帧（例如10ms无线电帧内的1ms子帧持续时间）中的UL-DL配置的示例。此外，图5中还显示了仅限DL的配置。对于仅DL配置，尤其是与支持HARQ-ACK和测深参考信号的短UL部分的一些DL主导子帧相结合是有益的。

此外，至少对于TDD帧结构，需要下行到上行的切换点（保护周期、GPs），并且对于不同的服务和部署场景，应支持包括持续时间和位置（在子帧或在无线帧中）的保护周期的灵活配置。

自包含子帧可以定义为包含DL或UL传输的子帧持续时间，其中可以体现一些自包含属性。术语“self-contained”的定义可以取决于传输的类型（UL、DL、CQI测量和CQI反馈）。有四种可能的定义，如图6所示：

•基于DL的定义：同一子帧中的DL数据和相应的A/N

•基于UL的定义：UL grant和同一子帧中对应的UL数据

•基于CQI测量的定义：DL CSI-RS+CSI-IM+CQI参考资源和相同子帧间隔中的相应CQI/CSI

•基于CQI反馈的定义：触发CQI反馈的DCI与CQI反馈在同一子帧中。这也应适用于非周期性SRS。

此外，具体的自包含设计还可以取决于所发送的分组包大小、可能的CSI反馈格式等。大分组包大小需要更长的处理时间，并且UE很难在子帧内回复ACK/NACK。类似地，有限的UL资源还可以约束所测量的CSI的反馈格式。

下行控制信道应根据所提议的子帧类型（例如：第一OFDM符号）位于每个子帧的前面，这可有助于快速地知道调度信息，使得TRP和UE的自包含属性成为可能。下行控制信道可以在UE之间复用，可以用于调度基本的系统信息，也可以用于单播调度。此外，为了频谱资源的有效利用，分配给下行控制信道的时频资源可以根据系统负载随时间而变化。

在一个子帧内，通常支持一个传输时间单元（TTU： transmission time unit），如图7所示。TTU的长度可以覆盖一个或多个子帧。一个TTU的发射的OFDM符号可能不完全占据其整个持续时间，例如，下行主导子帧中的一个下行TTU不包含由短UL部分和GP占据的几个OFDM符号。

应为不同的服务或不同的UE处理能力支持可配置HARQ定时，可考虑两个选项，包括：

1. HARQ定时可以半静态配置（RRC信令）

2. 可以动态配置HARQ定时（例如通过DCI）

可配置HARQ定时的示例如图8所示。对于低时延服务或小分组传输，可以支持自包含属性，包括DL数据和相应的A/N之间的短HARQ定时、UL授权和相应的UL数据。对于非关键eMBB业务或大数据包传输，需要更多的处理时间，相应地HARQ定时更长。

NR应该支持不同的TDD UL/DL配置，以便匹配不同的上行到下行业务负载。TDD UL/DL配置可以半静态或动态地指示。至少对于宏站部署场景，应支持半静态TDD UL/DL配置指示，以便于不同运营商之间的协调，并且考虑到平均UL/DL流量负载率可能不会动态变化，从流量适应的角度来看，该指示应足够。对于半静态指示，需要在NR中定义一组候选TDD UL/DL配置。

NR中还需要支持动态指示TDD UL/DL配置，即动态TDD，因为它可以通过更好地将资源与瞬时业务状况匹配来提高频谱效率并实现低时延。至少对于small cell部署场景，UL/DL业务负载率可能会动态变化，使用动态TDD UL/DL配置可以更好地匹配业务情况。子帧的“direction”的指示可以在同一子帧或更早的子帧中发信号。

动态TDD的一个主要问题是DL和UL之间的干扰。基于混合DL和UL子帧的动态TDD可以提供如图9所示的控制信道跨小区对齐的可能性，这可以最小化UL-DL跨链路干扰对控制信道主要部分的影响。此外，可以进一步考虑对称波形以促进干扰缓解，特别是对于数据信道。此外，为了更好地利用动态TDD配置，NR应该最小化为同步和测量保留的固定DL/UL子帧，这也使得能够更好地支持前向兼容性。

NR的帧结构应该能够支持所有频段的联合操作，包括许可频谱和非许可频谱，并提供额外的先听后说（LBT：Listen-before-talk ）。两个示例如图10所示。

此外，在一个子帧持续时间内，在未经许可的band中传输的起始点或结束点可以是灵活的。

用于TDD的NR帧结构可以由所有子帧类型的子帧组成。对于FDD，帧结构通常可以由包括仅DL子帧和仅UL子帧的子帧组成，如图11（a）所示。对于使用灵活双工的成对频带（例如，允许低功率small cell在频带的上行部分中发射），如图11（b）所示的帧结构可以被认为包括混合DL和UL子帧类型3。