5G系统定义的帧结构分析

张长青（中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司，湖南岳阳414000）

0 引言

帧一般是指数据链路层的协议数据单元。帧由几个执行不同功能的部分组成。帧结构是指能够按照传送信息的不同，组成不同的重复周期的帧。网络通信中的帧结构比较简单，如IP数据报仅包括帧头、数据部分和帧尾3部分，帧头和帧尾包含有同步、地址和差错控制等信息，数据部分则包含有从网络层传下来的数据。移动通信的帧结构比较复杂，这是因为移动通信是高速率、高品质、高数据量的宽带通信系统，不仅要占用频域、时域、空域等所有数据传输承载资源，还要考虑通信过程中的不同数据类型、不同业务需求以及无线信道中的多径与多普勒等效应对传输承载的特别要求。

帧是移动通信传输技术的基础，帧结构的品质直接决定移动通信的品质。5G及其演进系统可以解决许多新的场景应用，虽然其帧结构更加复杂，但却可以兼容4G系统，因为其帧结构沿用了部分4G的帧结构。

1 4G TD-LTE帧结构分析

为了满足时分复用中的上下行时间转换的要求，TD-LTE设计了专门的无线帧结构，具体如图1所示。在TD-LTE时域中，以周期方式同时传输、且标准配置上下行子帧数的帧结构有无线帧和半帧2种，无线帧时长10 ms，半帧时长5 ms，1个无线帧由2个半帧组成。每个半帧由时长1 ms的5个子帧组成，每个子帧由时长0.5 ms的2个时隙组成，每个时隙可以根据循环前缀CP的不同时长，分别由6个或7个CP+OFDM符号组成，每个OFDM符号的时长都是66.7 μs，而CP的时长可变，分为常规CP和扩展CP。每个OFDM符号所包含的二进制脉冲信息量是由系统采用的基带调制方式决定的。

图1 TD-LTE的帧结构简图

从图1可以看出，每个常规子帧都是由2个时长固定为0.5 ms的时隙组成，特殊子帧则是由3个名称分别为DwPTS、GP和UpPTS的时长各不相同且可以由系统调整的特殊时隙组成，其中DwPTS可以配置3～12个OFDM符号，主要用于正常下行控制信道和下行共享信道传输；UpPTS可以配置1～2个OFDM符号，主要用于承载物理随机接入信道和Sounding导频信号；GP可以配置1～10个OFDM符号，既可以避免时域同频上下行链路间相互干扰，起到保护间隔的作用，又可以确定小区的有效辐射半径，其对应的时长为71～714 μs，对应的小区半径为7～100 km。

在TD-LTE系统时域的帧结构中，每个半帧或无线帧中的特殊子帧中都有一个保护间隔GP，每个时隙中的每个OFDM符号前都有一个循环前缀CP，系统中定义的无线帧、半帧、子帧、时隙和OFDM符号的时长都是固定不变的，唯有GP和CP的时长可以由系统调整。表面上GP是上下行子帧间的隔离区，CP是OFDM符号间的隔离区，实际上GP的大小不仅决定了支持小区的覆盖半径，还可保证不同终端的发射信号同步到达基站，当然GP是TD-LTE系统特有的参数，一般只能防止ICI。理论上CP可对抗多径导致的时延扩展，保证子载波间的正交性，防止ISI，实际上CP也是对GP作用的升级，既可防止ISI，还可防止ICI。

循环前缀CP有扩展CP和常规CP 2种配置，由于扩展CP中的OFDM符号间的时间间隔要比常规CP中的OFDM符号间的时间间隔大，所以扩展CP的抗多径衰落能力更强，因此扩展CP更适合郊区的宏小区布站，常规CP则适合典型的市区场景的宏小区布站。理论上特殊时隙DwPTS、GP和UpPTS分别有12、10和2个OFDM符号的可选参数可供配置，虽然3个特殊时隙的时长总和只有1 ms，但通过科学调整3个特殊时隙中的OFDM符号数可以改变时长，使系统具有更多的调整方案。另外DwPTS时隙可以传输数据，能进一步扩大小区容量。总之，特殊时隙的灵活配置的特点可帮助系统适应覆盖、容量、干扰等不同应用场景的需要。

TD-LTE有7种上下行子帧配置比不同的传输模式，为TD-LTE系统的下载和上传数据业务提供了多个选择，需要指出的是，这种选择是以时分同频的子帧为单位的。在TD-LTE帧结构中，系统首先将子帧0固定为下行子帧，子帧1固定为特殊子帧，子帧2固定为上行子帧，其次将无线帧分割为2个半帧，从而使系统有5 ms周期和10 ms周期这2种同时配有上下行子帧的传输方式，便于系统灵活配置其他子帧，形成不同配比的上下行业务。在5 ms周期中，子帧1和子帧6固定配置为特殊子帧；在10 ms周期中，子帧1固定配置为特殊子帧，子帧6固定为下行子帧。

帧结构是TD-LTE在时域承载二进制数据的技术基础，OFDM符号是TD-LTE在时域承载信息的最小颗粒。LTE是第1个全IP交换的移动通信系统，有LTE-TDD和LTE-FDD 2种制式。由于LTE要解决的问题除了移动通信特有的多径效应和多普勒效应外，就是单一类型的上下行数据传输问题，应用场景仅为移动互联网，所以无线帧、半帧、子帧、时隙和OFDM符号等时域结构参量都可以设计为固定不变值，而唯一可变的CP模式和特殊时隙，则完全是为了解决ISI和ICI等干扰问题，顺带还可以解决覆盖和容量等问题。所以说，TD-LTE帧结构的设计基础，实际上也是由4G系统制订之初定义和规范的应用场景所决定的。

2 5G三大应用场景

根据5G标准R15和R16表述，5G应用将主要面向增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠和低延时通信（URLLC）、大规模机器类通信（mMTC）等三大应用场景需求，面对如此严苛的应用场景，5G系统必须具备有支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等新的通信基础能力，并在处理不同业务和不同接入终端时，具有充分的可扩展性和灵活的技术适应性，使之能成为连接所有行业和生态圈的底层通信平台，而这些都预示着未来移动通信技术只有通过帧结构等基础技术的改变，才有可能满足eMBB、URLLC、mMTC等应用场景的需求。

2.1 eMBB

eMBB业务主要体现在3D超高清视频远程呈现、可能感知的互联网、超高清视频流传输、高要求赛场环境、宽带光纤用户及虚拟现实等，该场景要求用户的数据速率达到数Gbit/s的量级，而这些在以往只能通过固定宽带网络才能实现。若要让这些业务顺利进入移动环境，在技术上必须使5G系统具备极大的传输带宽，以实现极致的流量吞吐，还要尽可能地降低传输时延，使用户可以获得更一致的体验。简单地说，eMBB场景下，5G技术要满足高数据速率、高频谱效率和低时延的要求。

2.2 URLLC

URLLC应用场景主要包括自动驾驶汽车、无人机、公共交通系统、工业自动化与智能化、远程医疗及智能电网监测控制等。该应用场景使人们的生活变得更高效、更安全、更易于控制，让人们对世界的体验更丰富、更精彩。5G网络中的物与物、人与物的连接将成为常态，而与之对应的相关业务，对差错的容忍度也非常小，这就要求通信网络的性能非常稳定，对网络的时延也有很高的要求。也就是说，URLLC场景下，5G技术要满足99.999%的高可靠性和毫秒级的低时延。

2.3 mMTC

mMTC主要是指人与物之间的信息交互需求的应用场景，需要满足每km2百万级连接数、广覆盖和低功耗的要求。另外，增强型机器类通信（eMTC）是ITU-R为5G物联网深度应用定义的应用场景，主要体现物与物之间的通信需求。若将mMTC和eMTC应用场景结合起来，又可称之为大连接物联网。这实际上是一个可以提供多至百亿的机器型终端和数以万亿成本低廉的海量连接的场景。毫无疑问，以物联网为主的mMTC和eMTC应用场景，将会成为5G发展的主要动力之一。

人们常说市场需求决定技术应用，应用场景决定技术方向。随着通信技术的不断发展与深化，人们对5G应用的期望值也将越来越高，不仅希望其具有基于高速的固有价值，还希望凭借物联网等生态链路开拓其延展价值，如有些万物连接中的低速需求，以往完全可以用4G甚至2G替代，但因新型应用的期望指数的增加，使得在此基础上引起的延展业务需求，必须有新的技术支撑。所以，随着5G及其演进技术的不断应用，应用场景的内容也将在不断增长的期望值中不断翻新，同时也将会助力新的移动通信技术不断提升和发展。但不管怎样，能够适应5G及其演进系统应用场景的技术，终将还是以科学规划设计中的底层技术——帧结构为其基础。

3 5G帧结构分析

与4G固定帧结构相比，5G帧结构的最大特点是灵活多变，或者说5G系统可以根据应用场景和业务要求灵活选择不同时长的帧结构来传输数据，超高可靠和低时延是未来5G的关键服务，需要比4G时长更短和更灵活的帧结构。为了满足5G应用场景中的mMTC和eMTC的需求，只有在物理层中定义比4G帧结构类型更多、更复杂、更多样性的帧结构，才有可能从基础技术上得到保证。可以肯定，5G及其演进系统中帧结构的变化，将是一场发生在通信技术底层或物理层面上的新技术革命，对于移动通信系统来讲，其影响将是广泛的，意义将是深远的。

如图2所示，5G帧采用的是分层结构方式，由固定架构和灵活架构2部分组成，既沿用了4G帧结构中的部分优点和成熟技术，又可以全面提高帧结构的灵活性。其中固定架构与4G一样，由时长为10 ms的无线帧和时长为1 ms的子帧组成，但取消了半帧结构。或者说，5G的上下行数据周期性传输单元是1个无线帧，数据调度单元是1个子帧。显然，这种方式简化了系统帧固定架构的层次，优化了系统帧固定架构的设计，将帧结构的选择灵活性下移到灵活架构中，从而提高了固定架构的传输效率。在5G帧的灵活架构中，每个子帧中包含的时隙数有更多的选择范围，虽然每个时隙中包含的符号数也有常规CP和扩展CP 2种选择，但每个时隙中的符号数是4G帧结构中的2倍，从而提高了灵活架构中的多样选择性。

由于5G的多址技术是同时包括了TDD和FDD在内的同频同时全双工传输技术，收发天线分离，收发信号可以承载在空域端口的同一子载波上的同一符号里，虽然多址技术同样具有时分复用的基本属性，子帧传输仍需同步，但子帧之间就如FDD子帧一样无需隔离。从图2可以看出，在5G帧结构的时隙中，第4和第6个符号对应的部分子载波所承载的就是同步信号，使同步精确到每个时隙，而不是4G那样仅存在于每个无线帧或半帧中的特殊子帧中，同步精度只能近似到无线帧或半帧。另外，5G不是独立的TDD，在同一个无线帧中，上下行子帧不共存，也就没有必要设计特殊子帧了。所以，在5G帧结构中，不仅传输信号的同步精度更高，而且数据传输调度更灵活，传输效率更高。

与4G不同的是，在5G定义的灵活子架构中，每个子帧中的时隙数和每个时隙中的符号都有多种选择，且可以根据子载波的间隔来灵活调整。由于5G子帧时长与4G一样固定为1 ms，当5G子帧包含的时隙数和时隙包含的符号数改变时，5G定义的时隙时长和符号时长就不得不改变了，所以5G灵活架构中定义的时隙和符号的长度是灵活可变的。对比图1和图2可以发现，4G的常规子帧中包含有2个固定时隙，5G子帧的时隙数有6种选择；4G的时隙中符号的时长是固定不变的，但有常规CP和扩展CP 2类，5G每个时隙中的“符号+CP”也有常规CP和扩展CP 2种模式。

图2 5G帧结构简图

5G系统中信息承载单元的定义方式，延续了4G系统的设计理念，同样采用了时域频域共同定义的二维平面资源粒子作为最小的信息承载单元，即1个资源粒子由1个时域符号和1个频域子载波组成，该资源粒子中承载的二进制数据由基带调制方式决定。可以看出，4G的资源粒子固定不变，但5G的资源粒子因符号时长和子载波宽度的变化而灵活多变。若设5G子载波间隔为Δf=2μ×15 kHz，其中μ=0、1、2、3、4、5，则子载波间隔相当于子载波的频率宽度为Δf，对应的子载波波长间隔Δλ=c/Δf=c/（2μ×15），这说明频域子载波间隔越大，时域将获得越多的符号，对应的“符号+CP”的宽度也将越小，如图3所示。较宽的子载波间隔还能更好地抵抗频偏影响，支持更高的移动速度，也可以满足系统不同的时延要求。

图3 不同子载波带宽对应不同的符号数

由此可见，5G系统的时隙宽度和符号宽度都是随子载波间隔宽度的变化而变化的，并有6个变化选项，使系统具有较高的灵活性，完全可以满足各种不同要求的应用场景。根据R15和R16技术标准的描述，当子帧时长固定为1 ms时，每个子帧的时隙数为2μ，其中μ=0、1、2、3、4、5，则每个无线帧的时隙数为10×2μ，每个子帧的常规CP符号数为14×2μ，扩展CP符号数为12×2μ，每个时隙的长度为1/（2μ）ms，常规CP的“符号+CP”长度为1/（14×2μ）ms，扩展CP的“符号+CP”长度为1/（12×2μ）ms，具体参数如表1所示。

从表1可以看出，当μ=0时，5G的帧结构与4G的常规帧结构完全一样，说明5G可以兼容4G；当μ=1、2、3、4、5时，5G帧结构变成了时长不同的短帧，且越来越短。显然，这部分帧结构是为5G适应eMBB、uRLLC和mMTC三大应用场景专门设计的。μ的取值不仅可以改变时域帧结构，还可以改变频域子载波间隔，从而直接改变资源粒子的大小，既达到了灵活调整承载信息的目的，又可以提高系统的相关性能，而且系统帧结构的控制量只有一个，不仅控制效率较高，而且控制过程也简单，技术实现难度相对较低。

在5G固定架构的帧结构中只有无线帧和子帧，帧结构更简单，可以更好地与4G共享资源，也有利于在4G和5G共同部署模式下的时隙与帧结构的同步。灵活架构设计中只包括时隙和符号，但每个子帧中可以包括的时隙数最少1个、最多32个，选择方式有6种，每个时隙中既有包含14个符号的常规CP方式，也有包含12个符号的扩展CP方式，灵活架构不仅可以使系统的选择更加灵活多样，还可以实现与4G帧结构的共享与兼容。

表1 5G帧结构相关参数

5G帧架构设计的另一个创新点是，将子载波的频域间隔与时隙和符号的时域时长结合起来，统一用μ值来灵活调整，其中子载波间隔正比于2μ，符号宽度正比于1/2μ，这与系统数字化二进制的计算特性非常匹配，因而算法简单，效率更高，系统操作更方便，从而使系统以时频二维资源粒子为单位进行灵活调整，极大地提高了系统的适应性与灵活性，更重要的是，其子载波带宽的变化会降低传输时延，从而可以提高系统的传输性能。

4 结束语

从5G三大应用场景来看，其规划设计标准与需求是比较高的。对于系统来讲，既要求支持包括基站和UE间的上下行复用，还要求UE和UE间的小区边缘连接用户复用；既可以支持诸如非常宽和非常窄的众多带宽传输模块，还可以支持TDD和FDD等多址复用技术，同时还可以充分利用TDD的信道互易特性。既要最大限度地支持6 GHz及毫米波频段的高端频谱资源，还要充分利用低端零散或退网后不成块的频谱资源。未来包括5G在内的新一代移动通信系统，完全有可能使信息传输和信息应用极大地突破原有的时空限制，为用户提供极致的交互体验，提供便捷的人与物、物与物的智能互联。

5G帧结构设计充分考虑了与4G帧结构的兼容，不仅无线帧和子帧的时长完全一致，还在符号设计中采用了相同的循环前缀CP方案。虽然5G的子载波间隔有6种选项，但最小子载波间隔却与4G完全一样。虽然4G子帧包含有2个时隙，每个时隙包含7个或6个符号，即每个子帧包含的符号数是14个或12个，这正好是5G子帧中最小子载波间隔对应的时隙数。也就是说，当5G系统的子载波间隔值为最小值或μ=0时，就相当于5G系统返回到了4G系统，说明5G帧结构设计具有极强的兼容性，也说明5G系统设计，充分考虑了运营商对4G应用延续性的要求，考虑了移动用户对新技术应用的适应过程。

要实现5G低时延、高可靠、低功耗的场景应用，只能采用更短的帧结构。因为，从底层技术来看，更短的帧结构可以在给定的时间内增加物理层的重传次数，可以提高链路的效率和吞吐率，同时更短的帧结构还可以有效降低上层的传输时延。