同样是1ms子帧，为什么5G的时延比LTE小得多

donnar

        为了满足新一代移动通信业务的需求，5G系统的时延必须比4G小得多。URLLC业务要求DL和UL的时延为0.5ms，而eMBB业务要求DL和UL的时延为4ms。怎么实现呢？改变空口物理层的帧结构。



     为了降低时延，5G曾经考虑过设计一种子帧的时长非常短（显著地小于LTE的1ms子帧）的帧结构。在4G LTE的1ms子帧的帧结构下，实际的时延达到了几十毫秒，甚至上百毫秒，因此我们的本能反应就是减少子帧的时长。如果将子帧减少到0.5ms，或许我们就能比较容易地实现1ms左右的时延。



     减少子帧的时长还有一个理由。由于下一代移动网络将使用高频频段，特别是毫米波，因此子载波的间隔一定会加大；否则，如果还使用15KHz的子载波间隔，那么多普勒效应等因素一定会造成频偏干扰。由于OFDM的固有属性，子载波间隔加大时，OFDM符号的时长一定会缩小。这样，如果每个子帧中的OFDM符号数量不变的话，子帧的时长也一定会缩小。




        但是，和我们之前设想的不一样，5G NR继续使用了1ms的子帧；为此付出的妥协是，不再坚持1个子帧中一定包含14个OFDM符号。当子载波间隔是15KHz时，1个5G NR子帧仍然包含14个OFDM符号，与4G LTE一样；当子载波间隔是30KHz时，1个5G NR子帧里有28个OFDM符号（2个slot）；当子载波间隔是60KHz时，1个5G NR子帧里有56个OFDM符号（4个slot）；当子载波间隔是120KHz时，1个5G NR子帧里有112个OFDM符号（8个slot）；当子载波间隔是240KHz时，1个5G NR子帧里有224个OFDM符号（16个slot）。因此，每个OFDM的时长缩短了，每个slot的时长也缩短了，但子帧的时长不变。




        那么，怎么实现降低时延的目标呢？解决方案是以OFDM符号为单位调度资源，而不是以子帧为单位调度资源。




        在LTE TDD中，UL/DL的资源分配是以子帧为单位的。如下图所示，一共有7种配置方案，DL、UL和GP是在子帧0和子帧9之间分配。




        5G NR TDD中，DL/UL资源分配是以OFDM符号为单位的。38.211定义了62中TDD格式，在每个slot的符号0和符号13分配DL或者UL资源。




        5G NR的帧结构还能通过快速的HARQ ACK、动态TDD、以及时长可变的数据传输（比如，为URLLC提供小时长的数据传输，而为eMBB提供大时长的数据传输）来降低时延。5G NR的帧结构设计遵循三个基本原则。




        基本原则一：数据传输是自包含（self-contained）的。一个slot或者一个beam中的数据包都可以靠自己进行解码，不需要依靠别的slot或者别的beam的数据信息。为了实现这一点，控制信号和参考信号都被安置在每个slot（或者slot组）的开始部分。这就加快了解码速度，降低了时延。




        基本原则二：数据传输在时域和频域都处于集中状态。将数据消息集中起来，便利于将来引入新型的数据传输，并与现有的数据传输类型共存。5G NR的帧结构不会再将控制信道（如PDCCH信道）分散分布于整个系统带宽上。




        基本原则三：slot之间或者不同传输方向之间避免静态的或者严格的时间同步关系。比如，5G NR使用异步HARQ，以取代4G LTE使用的同步HARQ所需要的预先固定的时间同步。




        5G NR的帧结构加快了HARQ ACK，可以在1个子帧内完成DL数据下发，并且收到UE对这个DL数据的ACK。因为在TDD网络中，UE一边接收DL数据，一边就开始着手解码；而在GP时间内，UE能够准备好HARQ ACK；一旦从DL传输切换到UL传输，就能够及时将HARQ ACK发送出去。