5G NR空口技术介绍，灵活多变的子载波间隔与帧结构
5G的空口是我认为通信技术中最意思的一部分内容，因为它相对简单些。
导读
什么是'空口'?
空口就是空中接口，Air Interface。下图1中基站到手机之间的空中'路径'就是我们所谓的接口，它定义了无线信号传输规范，包括频率、带宽、编码等等一系列内容。
图1 GSM基站与手机，空中接口
5G为什么又叫作NR，New Radio？
这是由3GPP组织用来描述5G的，就像我们也用LTE来说4G。NR源自于R15版本。
通信中，我们常常说到帧Frame，那么什么是帧呢？
如果我们的手机和基站进行通信，需要发送一系列数据，那么这一系列数据排好队，然后一个一个向基站发送，在时间上，这些数据是分开的，有规律的。这样'有组织有纪律'的'部队'，就是帧。
在时间域中，无线传输被组织成无线帧radio frames、子帧subframes、时隙slots和符号symbols。
图2 无线帧，时隙，符号
5G中无线帧是10ms，有10个子帧；
每个子帧就是1ms；
每个子帧又由多个时隙slot组成，每个slot又由14个OFDM符号构成。具体多少个呢？不确定，这就是5G的灵活性！
一些预备知识
在此之前，班长写了3篇关于OFDM的文章，当时就告诉各位同学，这是为了学习5G的空口打下基础。
有兴趣的同学可以链接过去仔细阅读，如果没有兴趣，可以直接跳过，我会补充一些预备知识，不会影响本文的理解。
OFDM调制：相比于传统的频分复用，利用正交子载波实现多载波通信
OFDM技术：相比FDM提高频带利用率，子载波间隔可以随意选取吗？
OFDM技术：信号的产生为何与FFT算法有关？为什么要串并转换？
先看下矩形脉冲的傅里叶变换
图3 矩形脉冲(码元)的频域波形
这是第2次放这副图了。这幅图告诉我们3个知识点：
矩形脉冲的傅里叶变换，频域波形是Sa函数；
时间域内，脉冲宽带为τ，那么频域内带宽定义为B=1/τ，这是一个反比例关系。所以说一定时间内，如果想传递更多的脉冲(码元)，提高传输速率，必然要缩短τ；对应到频域，就是带宽变大；
频域的1波形我们叫它为1个子载波；
为什么叫作子载波？
因为我们用到了多个不同频率的载波，为了区分他们，所以使用子载波的概念。
图4 不同的子载波调制
同样的，这幅图4之前在我的文章中出现过，当我们用不同频率的载波f1和f2，去调制发送的矩形脉冲(1个码元)时，频域发生了什么？
Sa函数会在频域内移动，形成两个子载波，它们中心的对称点分别为f1和f2。
且我们证明过，子载波间隔为Δf=f2-f1=1/Ts，其中Ts为码元的持续时间。图4中是1。
有了上面的基本认识，我们现在再来看时频资源图，会更加的清晰。
图5 OFDM时间频域图
图5中左侧的坐标轴是时间，上面就是我们传送的码元数据，我们叫作符号Symbol。右侧的坐标轴是频率轴，是码元对应的频域波形，称之为子载波。
4GLTE中的子载波间隔固定为15kHz。
所以根据Δf=1/Ts的公式，我们可以计算出4GLTE的符号长度为66.7us(自己动手算算)
再换一个俯视的视角，见图6。横向为子载波，频率轴；纵向为符号，时间轴；时间与频率形成了一个二维资源格Resouce Grid。每一个小方块(资源格)可以给一个用户使用。
图6 时间频域资源
5G的子载波间隔scs=subcarrier spacing
与4GLTE数字(子载波间距和符号长度)相比，5G NR支持多种不同类型的子载波间隔(在LTE中只有一种子载波间隔-15 kHz)。
图7 不同的子载波间隔
38.211中总结了NR参数集(Numerology)。正如在图7和图8看到的，每一个数字都被标记为一个参数u。
数字(u=0)表示子载波间隔15 kHz，与LTE相同；
数字(u=1)表示子载波间隔30 kHz；
数字(u=2)表示子载波间隔60 kHz；
Δf=2^u*15kHz，其他子载波间距是从(u=0)的乘幂上放大而来。
图8 不同的参数u对应的子载波间隔
无线帧结构
5G NR1个时隙slot含有14个或者12OFDM符号。
随着u的变化，时隙的长度会发生变化。
图9 不同的参数对应不同的子载波间隔，不同的时隙长度
随着子载波间距的增大，时隙会变短。
子载波间隔为15KHz是，符号长度为66.7us，1个时隙共有14个符号，那么时隙的长度为66.7us*14，约等于1ms(先这样理解，实际中要加上CP)；
子载波间隔为30kHz时，符号长度为1/30kHz，1个时隙共有14个符号，那么时隙的长度为1/30kHz*14，约等于0.5ms(先这样理解)；
依次类推......
图10 OFDM的符号长度变化
如上所述，在5GNR中，支持多个参数集Numerology，并且无线帧结构因u的不同而略有不同。然而，不管什么情况，无线帧和子帧的长度固定的。
无线帧的长度总是10 ms，子帧的长度总是1 ms。
那么，不同参数u的情况下，在考虑不同数字的物理性质时，应该有什么不同的区别呢？
最重要的是在一个子帧中放置不同数量的时隙。
还有另一个具有数理的变化参数。它是子帧中的符号数。但是，子帧内的符号数量不会随参数u变化，仅随时隙配置数量而变化。
现在，我们来看一下每个参数u和时隙配置的无线帧结构。
| 常规的CP，参数Numerology=0 |
在该配置中，1个子帧仅有1个时隙，这意味着1无线帧包含10个时隙。时隙内的OFDM符号的数目是14。
图11 常规的CP，参数Numerology=0
| 常规的CP，参数Numerology=1 |
在这种配置中，1个子帧仅有2个时隙，这意味着1个无线帧中包含20个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。
图12 常规的CP，参数Numerology=1
| 常规的CP，参数Numerology=2 |
在这种配置中，1个子帧仅有4个时隙，这意味着1个无线帧中包含40个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。
图13 常规的CP，参数Numerology=2
| 常规的CP，参数Numerology=3 |
在这种配置中，1个子帧仅有8个时隙，这意味着1个无线帧中包含80个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。
图14 常规的CP，参数Numerology=3
| 常规的CP，参数Numerology=4 |
在这种配置中，1个子帧仅有16个时隙，这意味着1个无线帧中包含160个时隙。时隙内OFDM符号的数目为14。
图15 常规的CP，参数Numerology=4
| 扩展的CP，参数Numerology=2 |
在这种配置中，1个子帧仅有8个时隙，这意味着1个无线帧中包含80个时隙。时隙内OFDM符号的数目为12。
图16 扩展的CP，参数Numerology=2
时隙配置
时隙配置就是定义每个时隙如何使用。
它定义了哪些符号用于上行链路，哪些符号用于下行链路。在4G LTE TDD中，如果子帧(相当于NR中的时隙)配置为DL或UL，则子帧中的所有符号都应用作DL或ULl。但在NR中，时隙内的符号可以按以下2种方式配置。
不需要使用时隙中的每个符号；
单个时隙可分为多个连续符号段，可用于DL、UL或Flexible。
理论上，我们可以在一个时隙内，组合无数多个DL符号、UL符号、Flexible符号的组合。但3GPP只允许61个预定义的符号组合，如下图17所示。这些预定义的符号分配称为时隙配置。
图17 Slot formats for normal cyclic prefix>D : Down
为什么我们需要这么多不同类型的时隙配置呢？
显然，这不是让我们学习起来更加困难。
这是为了使NR调度灵活，特别是对于TDD操作。通过应用时隙配置或按顺序组合不同的时隙格式，我们可以实现各种不同类型的调度，如下例图18所示。
图18 不同场景，不同的时隙配置
时频资源
NR的时间频域资源网格定义如下图19。看起来它与LTE资源网格几乎完全相同，但子载波间隔、无线帧内OFDM符号的数目，在NR中因参数u而异。
图20 时频资源图
下行链路和上行链路的最大和最小资源块数定义如下(这与LTE不同)
图21 不同的资源块
图22是根据图21制成，将下行部分转换为带宽。最大的RB数是138个，最大的带宽397.44MHz。
总结
5GNR的空口结构因为参数u的取值不同而不同，从而实现灵活多变。
原文 | sharetechnote-5G/NR-Frame Structure ,班长翻译、编辑、整理。预备知识为班长原创添加。