5G帧结构设计实现低时延

在LTE中，子帧被定义为无线帧的子分区。子帧的时间长度由Tsubframe＝30720Ts＝1ms给出，并且它独立于在子帧中传输波形的numerology 。一个子帧可以具有6、12或14个符号，分别用于具有正常CP和扩展CP的7.5khz和15khz子载波带宽。对于NB-IoT的上行，其进一步指定了3.75khz的子载波带宽。这是因为由于子载波带宽的极大减少，SC-FDMA符号的持续时间相应地增加。

除了子帧之外，LTE还定义时隙和无线帧。它们主要用作计数和基准定时，例如，用于初始化加扰序列、基准信号，或用于确定诸如PBCH之类的非调度传输的定时。

在最近的LTE版本中，引入了另一个时间分区，其涉及以TB的形式到达传输信道上的物理层的数据，如何在物理信道上传输映射到时频资源。例如，在NB-IoT中，码字可以映射到多个子帧，而在减少时延中，码字可以映射到跨越小于一个子帧的时频资源。

出于类似的原因，可以设想NR还将需要三个基本时间间隔，即：在发射机和接收机处获得关于某些物理信道和信号将在何处被发射的参考计数，以及传输时间间隔（TTI），其定义数据何时到达传输信道以在物理信道上传输。

对于DL-SCH和UL-SCH，至少在Rel-8，上述三个时间间隔的长度均为1ms。数据以传输块的形式每TTI到达编码单元一次。在CRC附加、信道编码、速率匹配和物理信道处理之后，传输块以码字的形式在物理信道上传输。PDSCH和PUSCH的时间调度粒度为1ms。然而，即使在LTE中，这三个实体也被单独定义，即使对于DL-SCH/PDSCH和UL-SCH/PUSCH它们可以互换地使用。例如，BCH在PBCH上发送的情况下，TTI的长度为40ms，调度粒度为4个OFDM符号，计数基准为一个子帧（PBCH在每个无线帧的子帧#0上发送）。

从上面可以看出，尽管LTE定义了若干个numerology ，但是子帧的定义是固定的，并且子帧是Tsubframe=30720Ts=1ms长，而不管OFDM numerology 如何。因此，每个子帧间隔的OFDM numerology 不是恒定的。例如，在LTE中，子帧可以根据numerology 有6、12或14个符号，对于3.75 kHz，子帧定义不清楚。或者，子帧可以定义为固定数量的OFDM符号，以便当numerology 改变时，子帧持续时间发生变化。

通过在子帧持续时间内传输的信号和信道来定义子帧。例如，可以定义子帧以包含包括用于解调的相关参考信号的数据传输的分配、事务和确认。特别是，子帧可以进一步划分为下行控制区域、数据区域和上行控制区域，其中，在该上行和下行的作用可以从发送器和接收器的角度一般理解，从而使更一般的部署场景（sidelink、backhaul、relay……）也适用。图1中描述了一个这样的例子。

这样的子帧定义是不可取的，例如UCI传输由gNB调度。换句话说，子帧持续时间将取决于DCI调度UCI。不同的设计可以在规则的时间间隔中具有UCI传输，但是这些UCI传输与最新的DCI传输无关，以允许在UE处增加处理时间。从图2中的假设示例可以看出，如果没有对DCI和HARQ ACK/NACK设计的清楚理解，引入依赖于在何处传输分配、数据和确认的定义是非常有问题的。

为了进一步阐述，LTE定义了包括三个字段的特殊子帧：DwPTS、GP、UpPTS。NR可以遵循相同的原理，除了代替DwPTS、GP和UpPTS之外，子帧具有Tx部分、Rx部分和保护周期以覆盖更广泛的场景，例如在sidelink中，DL和UL可能被错误定义。Tx部分、Rx部分和保护周期可以是零长度，以获得成对或未授权频谱中的统一设计。通常，对于所有NR目标（低频段、高频段、中继、回程、前程、成对、未配对和未授权频谱等），需要统一的帧结构设计。如图2所示，所提议的帧结构设计不一定导致相同的子帧，并且不一定需要数据和控制的TDM。在eICIC或大UCI有效载荷的情况下，控制的FDM甚至对NR也是有益的。在图2中也很明显的是，子帧的不同组成可以由atomic构建块动态或半静态地创建。这些atomic构建块是NR中的物理信道和信号，包括保护和空白资源，其中Tx部分、Rx部分和保护周期都具有零长度。因此，所提议的帧结构设计与LTE非常相似，具有特殊的子帧PDCCH、PDSCH、PUSCH、PUCCH、SRS、CSI-RS等等。图1中的子帧只是更强大和灵活的帧结构设计的一个示例，其允许快速、灵活和简单的HARQ ACK/NACK反馈，并且在每个子帧中具有DL/UL控制只是一种可能的配置。

快速HARQ ACK/NACK反馈只是NR中的一个KPI，并且还需要考虑根据UE的处理能力或服务来裁剪HARQ ACK/NACK时间线。例如，虽然每个子帧中的UL和DL控制提供了最大的灵活性，但它也引入了显著的开销。类似地，每个子帧中的DL控制使得能效挑战。如图2所示，是否存在DL或UL控制是完全动态的，半静态的，或两者的结合在这一点上并不清楚。

在NR帧结构设计中，还应考虑与其他服务、应用、numerology 、波形、多址机制的共存，以实现前向兼容性和不同的UE能力以及NR纵向。

当被问及是否应该将数据事务的数据分配限制在数据被传输到的相同间隔内时，很自然地假设这对于下行是正确的，如在LTE中。然而，当考虑响应于准予的上行传输时，这里的响应是变化的，特别是如果随后的准予的响应发生在诸如子帧之类的某个基本时间间隔单元内。

类似地，当被问及数据事务的确认是否应限制在数据传输到的同一时间间隔内时，根据该时间间隔是否是基本时间构建块，回答会有所不同。

在这两种情况下，都对所需的实施处理时间表产生了担忧。

NR应考虑在给定的时间间隔内减少响应数据分配或确认数据传输的时间。尽管这是一个不同于LTE的激励性需求，但有人担心并非所有设备类别都能满足这样的需求。

NR应设计动态TDD，能够将RS、数据传输、数据分配和确认限制在最小的时间间隔内。

这里有两个重要的含义。首先，如果存在包含一个TDD下行和一个TDD上行传输的基本时域结构，则显然缩短用于立即周转的处理时间可以实现最佳限制。另一方面，如果需要放宽响应以跨多个时域结构发生，这意味着在每个时间间隔结构内提供足够的控制机会，以便将整个事务限制到最小。下面的图4对此进行了说明。左侧（a）示出了当存在用于先授权后传输和传输确认的单个隔行扫描结构时的动态TDD实例。右侧（b）显示相同的动态TDD实例，其中对授权和数据解码的响应被延迟一个定时（或可调度时间）单元。

最后一点是，信号限制的概念不必局限于连续的时间段。例如，对于隔行结构，可以为前向兼容性提供隔行空白位置，并且补码是NR传输的限制。