前言
本篇主要讲述5G的物理层基础知识，基础参数及帧结构。
5G物理层
子载波间隔
我们知道LTE中子载波间隔是固定的15kHz，但NR中采用了更加灵活的子载波间隔，如下图所示：
图1.1 NR支持的子载波间隔类型（频域上，1个RB=12个子载波间隔）
我们可以把它叫做numerology，也就是说NR中有5种不同的子载波间隔，对应的子载波间隔分别是15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz。关于子载波间隔：
- 5G中子载波间隔是15kHz的2的幂次方倍的扩展。这样方便不同子载波间隔的OFDM符号在时域上可以实现帧对齐，这对于TDD来说比较重要。
- 相位噪声和多普勒频移决定了15kHz这个下限，过小的子载波间隔会对频偏过于敏感，会导致不同子载波之间的正交性遭到破坏。
- 循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值，因为子载波间隔越大，OFDM符号时长越短，CP也就越短，CP的作用之一是抵抗多径时延，CP要大于最大多径时延，所以过短的CP会无法克服多径时延。
时隙长度
如下图所示，时隙长度因为子载波间隔不同会有所不同，一般是随着子载波间隔变大，时隙长度变小。
图2.1 正常CP情况下时隙的长度（每个时隙有14个符号）
图2.2 扩展CP情况下时隙的长度（每个时隙有12个符号）
支持信道的能力
不同的子载波间隔支持物理信道的能力不同，具体如下图所示：
图3.1 支持物理信道的能力
OFDM符号长度
图4.1 OFDM符号长度计算
5G帧结构
LTE中每帧固定10ms，一帧中包含10个子帧，每个子帧1ms，一个子帧中固定有14个OFDM符号。
虽然5GNR支持多种子载波间隔，但是不同子载波间隔配置下，无线帧和子帧的长度是相同的。无线帧长度为10ms，子帧长度为1ms，10个子帧的前5个构成前半帧，后5个构成后半帧。与LTE的兼容性。
NR中子帧中包含的时隙个数与子载波间隔有关，不同子载波间隔下，OFDM符号长度也不同。不同子载波间隔下OFDM符号长度分别如下：
就以15kHz为例，OFDM符号长度为66.67微秒，14个OFDM符号总共14*66.67=0.93338ms，1个时隙长1ms，所以剩下的时间就是CP的时间。
那么不同子载波间隔配置下，无线帧的结构有哪些不同呢？答案是每个子帧中包含的时隙数不同。在正常CP情况下，每个时隙包含的符号数相同，且都为14个。
子载波间隔=15Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧仅有1个时隙，所以无线帧包含10个时隙。一个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.1 子载波间隔=15Khz（正常CP）
子载波间隔=30Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧有2个时隙，所以无线帧包含20个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.2 子载波间隔=30Khz（正常CP）
子载波间隔=60Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧有4个时隙，所以无线帧包含40个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.3 子载波间隔=60Khz（正常CP）
子载波间隔=120Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧有8个时隙，所以无线帧包含80个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.4 子载波间隔=120Khz（正常CP）
子载波间隔=240Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧有16个时隙，所以无线帧包含160个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.5 子载波间隔=240Khz（正常CP）
子载波间隔=480Khz（正常CP）
在这个配置中，一个子帧有32个时隙，所以无线帧包含320个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为14。
图5.6 子载波间隔=480Khz（正常CP）
子载波间隔=60Khz（扩展CP）
在这个配置中，一个子帧有4个时隙，所以无线帧包含40个时隙。1个时隙包含的OFDM符号数为12。（普通CP的OFDM符号数为14）
图5.7 子载波间隔=60Khz（扩展CP）
3、时隙格式
在LTE中，上下行的配置是以时隙也就是子帧为单位，包含上下行转换点，转换周期是5ms或10ms。
在NR中，上下行配置是以符号为粒度，配置更加灵活。具体的配置过程如下。
①配置小区半静态上下行配置
高层提供参数TDD-UL-DL-ConfigurationCommon，该参数中包含参考子载波间隔u（reference SCS configuration）和pattern1，pattern1中又包含：
- 时隙配置周期（slot configuration period） P ms
- 下行时隙数Dslots（number of slots with only downlink symbols）
- 下行符号数 Dsym（number of downlink symbols）
- 上行时隙数Uslots（number of slots with only uplink symbols）
- 上行符号数Usym（number of uplink symbols）
其中配置周期P=0.625ms仅对120kHz子载波间隔有效，P=1.25ms仅对60和120kHz子载波间隔有效，P=2.5ms仅对30 60和120kHz子载波间隔有效。那么一个配置周期就可以通过公式S=P*2u得知该周期包含多少时隙。在这些时隙中，前Dslots个时隙是下行时隙，接着是Dsym个下行符号，接着是Usym个上行符号，最后是Uslots个上行时隙。S个时隙中配置完上下行之后，剩下的就是灵活符号X。
如果参数同时给了pattern1和pattern2，则可以连续配置两种不同的时隙格式，pattern2中的参数形式和pattern1类似。
②配置小区专用上下行配置
如果在①中配置的基础上，进一步提供了高层参数 TDD-UL-DL-ConfigDedicated，那么该参数可以配置参数TDD-UL-DL-ConfigurationCommon配置的灵活符号。也就是说①中配置的上下行符号不可以改变，但灵活符号可以被TDD-UL-DL-ConfigDedicated重写。
该参数提供一系列时隙配置，对于每个时隙配置，提供时隙索引slot index和符号配置，对于slot index指定的slot，其：
- if symbols = allDownlink, all symbols in the slot are downlink
- if symbols = allUplink, all symbols in the slot are uplink
- if symbols = explicit, nrofDownlinkSymbols provides a number of downlink first
也就是说如果是explicit，那么参数nrofDownlinkSymbols 提供下行符号的数量，nrofUplinkSymbols 提供上行符号的数量，下行符号在最前面，上行符号在最后面，如果参数nrofDownlinkSymbols 未被提供，则没有下行符号，如果nrofUplinkSymbols 未被提供，则没有上行符号。配置完之后若还有剩余，则剩余的符号还是灵活符号X。②中的参考子载波间隔reference SCS configuration与①中相同。
③动态DCI上下行配置
动态DCI实现的上下行配置通过DCI format 2-0实现，或者直接通过DCI format 0-0 0-1 1-0 1-1的上下行数据调度直接实现。DCI format 2-0专门用作SFI指示。SFI主要根据单时隙可支持的时隙格式，实现周期的帧结构配置，也就是从收到DCI format 2-0开始，持续PDCCH monitoring period个slot，这些slot都按照这个DCI中的SFI（slot format indicator）的指示来配置。单时隙支持的最大格式数为256个，已经标准化的格式为56个，可以直接参考协议38213 表11.1.1-1，下面截取表格的一部分：
如果上面的几种情况有冲突时，覆盖规则为：
①中配置的上下行不可改变，灵活符号可以被②或③改变；②中配置的上下行可以被③改变。
也就是说小区半静态配置是一个框架性的结构，小区专用上下行配置和DCI上下行配置是在这个基础上进行进一步的灵活配置。当基站希望采用更加固定的帧结构时，小区半静态上下行配置可以分配尽可能多的上下行符号，当基站希望帧结构更加灵活时，小区半静态配置可以尽量多的留一些灵活符号。
被①和②配置为上行的符号，UE不希望后续DCI或高层信令指示来发送下行内容，反之亦然。未被小区公共半静态配置和小区专用半静态配置配置为上下行的符号，当DCI和高层指示不冲突时，若指示用作上行发送则进行上行发送，指示为下行发送则进行下行发送。如果高层指示为上行发送，但DCI指示为下行，则UE不进行上行发送，反之亦然。如果高层指示为上行发送，DCI未做任何指示，则可以进行上行发送，下行也一样。
4、其他
迷你时隙
由于每个5G NR时隙内的OFDM符号数量是固定的14个，因此如果使用较大的子载波间隔，每个时隙的持续时间就会缩短——原则上，这能被用于实现较低时延的数据传输，但是由于循环前缀（CP）也随着子载波间隔的增大而缩短，因此不适用所有的部署场景。基于上述考虑，5G NR使用一种更有效率的机制来实现低时延，即允许一次传输一个时隙的一部分，也就是所谓的“迷你时隙（mini-slot）”传输机制。一个迷你时隙最短只有1个OFDM符号。这种传输机制还能被用于改变数据传输队列的顺序，让“迷你时隙（mini-slot）”传输数据立刻插到已经存在的发送给某个终端的常规时隙传输数据的前面，以获得极低的时延。
这种不需要拘泥于在每个时隙的开始之处开始数据传输的特性，在使用非授权频段的场景中是特别有用的。在非授权频段，发射机在发送数据前，需要确定无线信道没有被其它传输占用，即使用所谓的LBT（listen-before-talk）策略。显然，一旦发现无线信道有空，就应该立刻开始数据传输，而不是等这个时隙结束，下一个时隙开始。等到下一个时隙开始时，无线信道可能又被另一个传输占用了。
“迷你时隙（mini-slot）”在使用毫米波载频的场景中也非常有用。由于毫米波载频的带宽很大，往往几个OFDM符号就足够传输完数据负荷，不需要用到1个时隙的14个OFDM符号。“迷你时隙（mini-slot）”特别适合于模拟式波束赋形一起使用，因为使用模拟式波束赋形时，传输到多个终端设备的不同波束无法在频域实现复用，只能在时域复用。
参考信号
与LTE不同，5G NR没有小区专用参考信号（CSRS），只有用户专用的解调参考信号（DMRS）用于信道估测。用户专用的解调参考信号（DMRS）足以支持波束赋形和多天线操作。与小区专用参考信号不同，DMRS只有在需要传输用户数据时才开始传输，这明显改善了网络的能耗效率，减少了干扰。
快速ACK
5G NR支持快速的HARQ ACK确认，即数据解码与DL数据接收同时进行，而UE在上下行链路切换的保护时段（guard period）准备HARQ ACK，一旦从下行链路切换到上行链路，就立刻发送ACK。为了获得低时延，控制信号和参考信号被放在一个时隙（或者一个时隙组）的头部位置。
