2.4 NR 标準體系架構介紹
第3章 5G NR 基礎參數及接入設計
本章主要介紹 NR 基礎參數配置和接入相關設計。其中 3.1 節就 NR 一些基礎系統參數和概念，以及基礎幀結構的設計及配置方式進行介紹。3.2 節就 UE 接入相關的設計進行分析，包括小區搜尋過程、下行同步信号相關設計及随機接入信道設計。
3.1 基礎參數及幀結構
3.1.1 基礎參數
NR 基本時間單元為 T fN c max f =Δ ⋅ 1 ( ) ，其中 3max Δ= × f 480 10 ， f N = 4096 。并定義常數κ = ΔfmaxNf (Δfref Nf,ref ) = 64 ，其中 3ref Δ =× f 15 10 Hz ， f,ref N = 2048。NR 中最基本的資源機關為 RE（Resource Element，資源單元），代表頻率上一個子載波及時域上一個符号。
RB（Resource Block，資源塊）為頻率上連續 12 個子載波。
NR 支援 5 種子載波間隔配置，具體配置如表 3.1 所示[1]。6GHz 以下頻段将主要采用
15kHz、30kHz、60kHz 三種子載波間隔，而 6GHz 以上主要采用 120kHz 及以上的子載波間隔。
可以看到，關于子載波帶寬這個參數，其基準子載波帶寬與 LTE 一緻，但在 NR 設計之初在這個基本參數的設計上，出于不同次元的考量，各公司的建議并不統一。比較有代表性的有以下兩種。
① 代表觀點 1：充分考慮 LTE 到 NR 的沿襲性，借鑒甚至重用 LTE 的一些設計，尤其在裝置實作上可以有更好的相容性，原有的 CP 開銷也相對較低。
要求 NR 繼承 LTE 子載波間隔及 OFDM 符号長度參數的定義的基本架構，以 LTE的 15kHz 和每毫秒 14 個 OFDM 符号為基準參數。
② 代表觀點 2：建議新定義一套子載波間隔及 OFDM 符号長度參數，主要是考慮裝置實作的便利，載波間隔和特定時間顆粒度内（比如 1ms）的符号數目都是 2 的幂次，要求 1ms 中最少包含 16 個 OFDM 符号。
基于 CP（Cyclic Prefix）的開銷問題，會上給出了 17.5kHz 和 17.06kHz 兩種基準子載波間隔。如果引入 17.5kHz 作為基準子載波帶寬，CP 開銷約為 8.6%；如果引入 17.06kHz 作為基準子載波帶寬，CP 的開銷降到 6.3%。關于其他子載波帶寬，各公司也給出了不同觀點。
① 代表觀點 1：隻支援 15kHz 的 2 的幂次倍數的其他子載波帶寬。
② 代表觀點 2：支援 15kHz 的自然數倍數的其他子載波帶寬。
在這部分的讨論中，又涉及部分關于實作複雜度的讨論。比如有些公司堅持沿用最大 2048 的 DFT 陣，在 6GHz 以下頻段，要使用 2048 的 DFT 實作 60MHz 和 100MHz 帶寬，其他子載波帶寬為基準子載波寬度自然數倍數擴充，将 20MHz 的 LTE 子載波寬度相應擴充到 45kHz 和 75kHz。而多數公司認為可以采用并接受更大的 4096 的 DFT 陣，這樣按照最大 4096 的 DFT，已經具有足夠靈活性去支援各種帶寬，比如使用 30kHz 的子載波去支援60MHz/100MHz 載波。
從表 3.1 中可以看到對于擴充 CP 選項，隻有 60kHz 子載波的情況支援，對于其他子載波寬度，隻有一種 CP 選項，這實際上是各方面平衡後的一個結論。在 LTE 設計中，當時出于不同覆寫和傳播環境的考慮，給出了基于普通 CP 和擴充 CP 的兩種設計，是以很自然地，在 NR 中也會涉及是否需要引入擴充 CP 的讨論，當時各公司也給出了不同的考量。
① 代表觀點 1：在 LTE 中雖然引入了擴充 CP 的設計，但鮮有應用場景，是以在NR 中沒有再引入的必要。
② 代表觀點 2：有些公司認為需要考慮一些業務或部署要求，應該保留這個特性，并對每個子載波寬度都需要引入對應的擴充 CP 選項，需要引入21.33kHz 的子載波寬度，以支援 15.6μs 的 CP 長度；引入 42.67kHz 的子載波寬度，以支援 7.8μs 的 CP 長度；引入 85.33kHz 的子載波寬度，以支援 3.9μs 的 CP 長度。
衆多公司經過評估後認為，擴充 CP 的開銷确實相對較大，與其帶來的好處相比在大多數場景不成比例，是以最後僅有限支援擴充 CP 這一特性。
3.1.2 幀結構
NR 采用 10ms 的幀長度，一個幀中包含 10 個子幀。5 個子幀組成一個半幀，編号 0～4的子幀和編号 5～9 的子幀分别處于不同的半幀。
NR 的基本幀結構以時隙（slot）為基本顆粒度。正常 CP 情況下，每個時隙包含14 個符号，擴充 CP 情況下每個時隙含有 12 個符号。當子載波間隔變化時，時隙的絕對時間長度也随之改變，每子幀内包含的時隙個數也有所差别。表 3.2 和表 3.3 給
出不同子載波間隔時，時隙長度以及每幀和每子幀包含時隙個數的關系。可以看出，每幀所包含的時隙是 10 的整數倍，随着子載波間隔加大，每幀/子幀内的時隙數也增加。
每個時隙中的符号被分為三類：下行符号（标記為 D）、上行符号（标記為 U）和靈活符号（标記為 X）。下行資料發送可以在下行符号和靈活符号進行，上行資料發送可以在上行符号和靈活符号進行。靈活符号包含上下行轉換點，NR 支援每個時隙包含最多兩個轉換點。
NR 幀結構配置不再沿用 LTE 階段采用的固定幀結構方式，而是采用半靜态無線資源控制（RRC，Radio Resource Control）配置和動态下行控制資訊（DCI，Downlink ControlInformation）配置結合的方式進行靈活配置。這樣設計的核心思想還是兼顧可靠性和靈活性。前者可以支援大規模組網的需要，易于網絡規劃和協調，并利于終端省電；而後者考慮可以支援更動态的業務需求來提高網絡使用率。但是完全動态的配置容易引入上下行的交叉時隙幹擾而導緻網絡性能的不穩定，也不利于終端省電，在實際網絡使用中要比較謹慎。
RRC 配置支援小區專用（Cell Specific）的 RRC 配置和 UE 專用（UE specific）的RRC 配置兩種方式。DCI 配置的方式支援由時隙格式訓示（SFI，Slot Format Indication）直接訓示和 DCI 排程決定兩種方式。
1. 半靜态幀結構配置
LTE 中上下行資源識别隻有半靜态配置一種。在标準中預先定義了七種不同的上下行時隙配置，對于每種上下行時隙配置中的特殊子幀，标準也定義了數種固定的特殊子幀配置選項。這些配置需要在終端接入系統之前就被識别出來，進而終端在接入系統之前就已經确定性地獲悉在每 5ms/10ms 周期内，哪些資源是下行資源，哪些資源是上行資源，哪些資源是用于下行到上行轉換的間隔（GP）。
在 LTE 的幀結構配置中，也遵循一定的規則。在每個重複周期内，首先是一個含有同步信号的系統資訊下行子幀（包含固定系統資訊的子幀），然後接一個包含下行到上行轉換點的特殊子幀，特殊子幀後是上行子幀。當周期内的下行子幀多于上行子幀時，上行子幀後又跟着下行子幀（總是下行—上行—下行的資源配置方式，包括下行到上行和上行到下行各一個轉換點）。這種幀結構設計在 TD-LTE 大規模組網中發揮了巨大作用，但是在實際網絡使用中也遇到了一些問題。其中一個比較嚴重的問題是下行資源到上行資源的轉換間隔群組合相對受限，這種限制使得 TDD 系統在面對“遠端基站幹擾”時，下行可以妥協規避幹擾的餘地受限（最多将特殊子幀中的下行傳輸抑制掉）。是以，NR 設計中沒有繼續沿用 LTE 中基于表格訓示的上下行資源配置和特殊時隙配置聯合的
方式，而是采用新的更加靈活的配置原則。
（1）基于周期的配置方式，每個周期中隻有一個下行到上行的轉換點
① 保證每個周期中下行資源連續，上行資源連續。
② 獨立的下行和獨立的上行資源配置訓示。
③ 無須額外的 GP 配置訓示。
（2）上下行響應時延的靈活性
① 為了支援不同時延響應的要求，需要支援不同的周期配置，而不僅限于 LTE 的5ms 周期或 10ms 周期。
② 通過雙周期下行和上行資源配置方式，提供更靈活的周期組合和上下行資源配置組合。
（3）友好的前向相容性
需要有足夠數量的配置保證小區級的上行和下行資源配置，在此基礎上支援 UE 級上行和下行資源配置。小區級和 UE 級的上下行資源訓示，最小顆粒度均為符号級。
小區專用的半靜态上下行公共配置資訊（UL-DL-configuration-common）由下行時隙數（number-of-DL-slots）、下行公共符号數（number-of-DL-symbols-common）、上行時隙數（number-of-UL-slots）、上行公共符号數（number-of-UL-symbols-common）、上下行發送周期（DL-UL-transmission-periodicity），參考子載波間隔（reference-SCS）6 個參數确定。
上行時隙數和上行公共符号數表示上行資源配置設定。上行時隙數表示配置的周期結束前連續的全上行時隙數。上行公共符号數表示在數個全上行時隙後連續全上行符号的個數，取值{0, 1,…, 13}。上下行配置之間部分為未知區域，可以被 UE 專用的 RRC 或者 DCI 進行配置。上下行發送周期表示上下行配置的周期，取值{0.5ms、0.625ms、1ms、1.25ms、2ms、2.5ms、5ms、10ms}。參考子載波間隔為上下行配置的參考子載波間隔，取值{15、30、60、120}。
為支援連續兩個周期的不同上下行配比，NR 中引入了小區專用的半靜态上下行公共配置參數集 2（UL-DL-configuration-common-set2）。當需要配置連續兩個上下行配比時，小區發送上下行公共配置資訊和上下行公共配置資訊參數集 2，兩個配置串聯在一起。
UE 專用的半靜态上下行配置資訊（UL-DL-configuration-dedicated）由下行符号訓示的時隙号（slot-index-of-DL-symbol-indication）、下行專用符号數（number-of-DL-symbols-dedicated）、上行符号訓示的時隙号（ slot-index-of-UL-symbol-indication ）、上行專用符号數（ number-of-UL-symbols-dedicated）4 個參數确定。
下行符号訓示的時隙号和下行專用符号數确定下行資源配置設定，下行符号訓示的時隙号表示由小區專用配置中确定的上下行周期内的時隙位置，取值為｛1，…，（上下行發送周期的時隙數）｝。下行專用符号數表示下行符号訓示的時隙号裡最開始連續的下行符号數，取值包括{0, 1,…, 13, 14}。
上行符号訓示的時隙号和上行專用符号數确定上行資源配置設定。上行符号訓示的時隙号表示由小區專用配置中确定的上下行周期内的時隙位置，取值為｛1，…，（上下行發送周期的時隙數）｝，上行專用符号數表示上行符号訓示的時隙号裡最後面連續的下行符号數，取值包括{0, 1,…, 13, 14}。
UE 專用的半靜态上下行配置資訊主要作為測量配置，該配置資訊由 UE 專用的 RRC配置資訊發送。被配置的符号可根據配置的具體内容進行相應的上下行發送，包括周期或者半靜态為進行 CSI 測量的 CSI-RS、周期的 CSI 報告、周期或者半靜态 SRS；每個
BWP 配置的 UE-specific RRC PRACH；類型 1 的免排程上行發送；類型 2 的免排程上行發送。
2. 動态 DCI 上下行配置
動态 DCI 實作的上下行配置可以通過 DCI 格式 2_0 實作，或者直接通過 DCI0_0/0_1/1_0/1_1 的上下行資料排程直接實作。直接通過 DCI 進行資料訓示的方式沒有直接改變幀結構，但是 DCI 排程的上行或者下行資料發送隐性地給出了被排程符号的方向性。
DCI 格式 2_0 是專門用作 SFI 訓示。SFI 主要根據單時隙可支援的時隙格式，實作周期的幀結構配置。單時隙支援的最大格式數為 256 個，已經标準化的值可直接參照标準 38.213[5]。為減少 DCI 的開銷，基站會在單時隙表格中選擇部分值，然後把這些值根據不同的 SFI 周期，組成若幹個多時隙 SFI 組合。這些組合基站會通過高層 RRC 信令通
知給 UE，DCI 每次僅進行多時隙 SFI 的序号訓示。
3. 不同配置的優先級
NR 中 RRC 高層配置和 DCI 實體層配置均可以實作對幀結構的修改。當不同配置對幀結構進行更改時，一旦發生沖突，就需要确定各種配置互相覆寫的規則。NR 中半靜态上下行配置，半靜态測量配置，動态 SFI 及 DCI 的互相覆寫規則如下。
- 半靜态上下行配置的上行及下行不能被修改，半靜态上下行配置的靈活符号可以由半靜态測量配置、動态 SFI 及 DCI 配置更改。
- 半靜态測量配置中的上行及下行配置可以被動态 SFI 及 DCI 配置更改，一旦更改發生，半靜态測量相關的行為将被終止。
- DCI 配置的資料發送不能和 SFI 配置的上行和下行沖突，但是可以對 SFI 配置中的靈活部分進行更改。
4. 幀結構決定過程
根據優先級規則，基站進行小區級及 UE 側的幀結構配置。小區級的半靜态配置提供基礎的架構性結構，UE 專用半靜态配置和 DCI 級别配置在小區及半靜态配置基礎上進行進一步的靈活配置。當基站希望采用固定的幀結構時，小區半靜态配置可以配置設定盡量多的固定上行與下行符号；而基站希望進行更動态的幀結構配置設定時，小區半靜态配置可以配置設定更多的靈活符号，通過 SFI 及 DCI 排程等方式實作更多符号的動态使用。
當系統配置了 RRC 參數後，幀結構的确定主要分為兩種情況：沒有 SFI 配置時幀結構決定和有 SFI 配置時幀結構決定。
（1）沒有 SFI 配置時幀結構決定
UE 按照上下行公共配置資訊來配置上下行時隙格式。如果上下行公共配置參數集 2存在，按照上下行公共配置參數集 2 配置兩個時隙周期的格式。如果上下行專用配置存在，按照上下行專用配置來配置上下行公共配置資訊或上下行公共配置參數集 2 中的靈活符号部分。其中由上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置确定為下行的符号，UE 考慮用作接收。而由上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置确定為上行的符号，UE 考慮用作發送。被配置為上行的符号，UE 不希望被後續的 DCI 或者高層信令配置進行 PDSCH、PDCCH 和 CSI-RS 的接收；而被配置為下行的符号，UE 不希望被後續的 DCI 或者高層信令配置進行 PUCCH、PUSCH、SRS或者 PRACH 的發送。
沒被上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置确定為配置的部分需要考慮如下情況。
- 當 UE 收到 DCI 或者高層配置的 PDSCH 或者 CSI-RS 接收訓示時，進行 PDSCH或者 CSI-RS 的接收。
- 當 UE 收到 DCI 或者高層配置的 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 發送訓示時，進行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 發送。
- 如果 UE 收到高層訓示進行 PDCCH、PDSCH 或者 CSI-RS 接收，當 DCI 并沒有訓示在這些符号進行上行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 發送時，UE 進行PDCCH 和 PDSCH 的接收。否則，UE 不進行 PDCCH 和 PDSCH 的接收。
-
如果 UE 收到高層配置的類型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH 或者 PRACH 發送，當 DCI 沒有訓示在這些符号進行 PDSCH 或 CSI-RS 接收時，UE 進行類型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH 或者 PRACH 發送，否則 UE 不進行類型 0 的 SRS、PUCCH、PUSCH或者 PRACH 的發送。
還有一些情況，标準也進行了專門規定：對于被配置為接收 SS/PBCH 的符号，不能用于上行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的發送。如果通過 DCI 格式 1_1 給 UE配置設定了多時隙的 PDSCH 接收，而裡面任何一個時隙中如果有符号被上下行公共配置、
上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為上行，那麼 DCI 排程的該時隙不用作 PDSCH 接收。如果通過 DCI 格式 0_1 給 UE 配置設定了多時隙的 PUSCH 發送，而裡面任何一個時隙中如果有符号被上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為下行，那麼 DCI 排程的該時隙不用作 PUSCH 發送。
（2）有 SFI 配置時幀結構決定
由 SFI 配置設定為上行的符号，不應被用于其他 DCI 格式排程用作 PDSCH 或者 CSI-RS的接收。由 DCI 格式 2_0 配置設定為下行的符号，也不應被其他 DCI 格式排程用作 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 發送。
被高層信令上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為上行或者下行的符号，UE 不希望被 SFI 配置為相反方向或者靈活符号。
被高層信令上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為靈活符号或者未配置的符号，需要考慮如下情況。
-
隻有當 SFI 訓示為下行時，如果一個或者多個符号配置為 PDCCH 監測，UE 進
行 PDCCH 的接收。
- 對 SFI 訓示為靈活的符号，可以由 DCI 排程進行 PDSCH 或者 CSI-RS 的接收，也可以由 DCI 排程進行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的發送。
- SFI 訓示為靈活的符号，UE 認為這些符号為保留符号，不進行發送或者接收。
- 高層觸發的 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH 隻在 SFI 配置為上行的符号進行發送。對于上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為靈活符号或者未配置的符号，當 UE 被配置為監測 SFI，但是又沒有監測到 SFI 時，需要考慮如下情況。
- UE 繼續進行 SFI 的監測，直到下一個 SFI 的監測周期。
- 如果 UE 被配置了高層觸發的 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH，在下一個 SFI 監測周期之前，上述操作被取消。
- 如果在下一個 SFI 監測周期之前，UE 被高層信令配置了 CSI-RS 或者 SPS PDSCH的接收，UE 也不進行 CSI-RS 和 SPS PDSCH 接收。
如果 UE 在被高層信令配置進行 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH的符号有一部分被 SFI 訓示為下行或者靈活的符号，那麼 UE 在承載 SFI 的控制資源集合的最後一個符号開始到N2 間的這段時間内的上行發送不會被取消，而在之後的發送将被取消，其中 N2 是 PUSCH 回報時間訓示能力，在規範 38.214[6]中給出。
如果高層信令配置了 CSI-RS 或 PDSCH 的接收，UE 隻有在檢測到 SFI 訓示為下行的符号時才進行 CSI-RS 和 PDSCH 的接收。
如果高層信令配置了 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH 的發送，UE 檢測到 SFI 訓示為上行的符号或者在有一部分被 SFI 訓示為下行或者靈活的符号時，處于從承載 SFI 的控制資源集合的最後一個符号開始到 N2 間的這段時間内的符号，進行type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH 的發送。
如果 UE 沒有檢測到 SFI 訓示一個時隙中的若幹符号為靈活或者上行符号，那麼 UE假設配置給 UE 做 PDCCH 監測的處于控制資源集合内的符号為下行符号。
對于上下行公共配置、上下行公共配置參數集 2 或上下行專用配置等信号配置為靈活符号或者未配置的符号，但是 UE 又沒有監測到 SFI 時，需要考慮如下情況。
- UE 收到 DCI 訓示或者高層信令配置的 PDSCH 或者 CSI-RS 接收，UE 進行相應的接收操作。
- UE 收到 DCI 訓示或者高層信令配置的PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 發送，UE 進行相應的發送操作。
- 當 UE 由高層信令配置進行 PDCCH、PDSCH 或者 CSI-RS 接收，而 DCI 沒有配置 UE 進行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的上行發送時，UE 進行與高層配置相應的 PDCCH、PDSCH 或 CSI-RS 接收，否則，UE 将不進行 PDCCH、PDSCH 或 CSI-RS接收，而進行 PUSCH、PUCCH、PRACH 或者 SRS 的上行發送。
- 當 UE 由高層信令配置進行 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH發送，而 DCI 沒有配置 UE 進行 PDSCH 或者 CSI-RS 接收時，UE 進行與高層配置相應的 type 0 SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH 發送。否則，UE 将不進行 type 0SRS、PUCCH、免排程 PUSCH 或者 PRACH 發送。
5. 幀結構分析
根據目前的 NR 幀結構配置機制，可以非常容易地實作目前 LTE 的各種幀結構配置。實際網絡中幀結構的配置需要考慮業務分布、網絡幹擾、時延和覆寫等多種情況。
對于 6GHz 以下頻段，采用 15kHz、30kHz、60kHz 三種子載波間隔配置。對于6GHz 以上頻段，主要采用 120kHz 和 240kHz 子載波間隔配置。采用更大的子載波間隔，符号長度也會縮短。根據目前标準規定，子載波間隔擴大一倍，符号長度基本縮
短一半。在資料傳輸時延方面，大的載波間隔有更大優勢，對于 TDD 配置，這一優勢更加突出。子載波間隔和 CP 長度及保護間隔也存在互相的制約關系，子載波間隔越大，相應的這些開銷也會增加。
3.2 接入設計