Skip to content

Frame Structure & Resource Grid (LTE và NR)

Mọi thứ UE và trạm gốc trao đổi qua giao diện vô tuyến đều nằm trên một lưới tài nguyên (resource grid): trục thời gian chia thành frame, subframe, slot, symbol, trục tần số chia thành subcarrier và resource block. Trang này mô tả lưới đó cho LTE và NR. Nội dung là nền cho các trang thủ tục: Initial Access đặt SSB, CORESET#0 và PRACH lên lưới, Connected Mode & Mobility lập lịch theo RB và symbol.

Tài liệu gốc là TS 36.211 và TS 38.211 (kênh vật lý, điều chế, cấu trúc khung), TS 38.213 (slot format, thủ tục điều khiển), TS 38.101-1 và 38.101-2 (băng thông kênh và số RB của NR).

Cấu trúc khung theo thời gian

Hai hệ dùng chung khung ngoài cùng: radio frame dài 10 ms, đánh số SFN từ 0 đến 1023, chia thành 10 subframe 1 ms và hai half-frame 5 ms. Khác biệt nằm ở bên trong subframe.

Phân cấp frame, subframe, slot và OFDM symbol của LTE và NR

Một radio frame gồm 10 subframe 1 ms. Bên trong subframe, LTE luôn có 2 slot 7 symbol, còn NR với µ = 1 có 2 slot 14 symbol. Dải đậm ở đầu mỗi symbol là cyclic prefix.

LTE NR
Subcarrier spacing 15 kHz cố định (7,5 kHz cho MBSFN) 15·2^µ kHz, µ = 0 đến 6
Slot 0,5 ms, 7 symbol (CP thường) hoặc 6 symbol (CP mở rộng) 1/2^µ ms, 14 symbol (CP thường) hoặc 12 symbol (CP mở rộng, chỉ µ = 2)
Đơn vị lập lịch TTI = 1 subframe = 1 ms Slot, hoặc mini-slot 2, 4, 7 symbol
Đơn vị thời gian cơ sở Ts = 1 / (15000 · 2048) s ≈ 32,6 ns Tc = 1 / (480000 · 4096) s ≈ 0,509 ns
Cyclic prefix (CP thường) 5,2 µs ở symbol đầu slot, 4,7 µs các symbol khác Như LTE ở 15 kHz, giảm theo tỷ lệ 1/2^µ

Numerology của NR

Tăng subcarrier spacing làm symbol ngắn lại và slot ngắn lại, đổi lại CP cũng ngắn đi nên chịu trễ đa đường kém hơn. Vì vậy SCS lớn dùng cho băng tần cao, nơi cell nhỏ và nhiễu pha lớn.

µ SCS Slot Slot / subframe Symbol (gồm CP) CP thường Dùng ở
0 15 kHz 1 ms 1 71,4 µs 4,7 µs FR1: dữ liệu, SSB
1 30 kHz 0,5 ms 2 35,7 µs 2,3 µs FR1: dữ liệu, SSB; phổ biến nhất ở band 3,5 GHz
2 60 kHz 0,25 ms 4 17,8 µs 1,2 µs FR1 và FR2: dữ liệu, không dùng cho SSB
3 120 kHz 0,125 ms 8 8,9 µs 0,6 µs FR2: dữ liệu, SSB
4 240 kHz 62,5 µs 16 4,5 µs 0,3 µs FR2: chỉ SSB (Rel-15)
5, 6 480, 960 kHz 31,25 µs, 15,6 µs 32, 64 FR2-2 (52,6 đến 71 GHz, Rel-17)

Slot của LTE và NR với numerology µ từ 0 đến 3 trong một subframe 1 ms

Trong cùng một subframe 1 ms, LTE luôn có 2 slot 7 symbol, NR có 2^µ slot 14 symbol. Subcarrier spacing càng lớn thì slot càng ngắn, độ trễ lập lịch càng nhỏ.

Một carrier NR có thể chạy nhiều numerology cùng lúc trên các BWP khác nhau. Mỗi numerology có lưới RB riêng, cùng neo về một point A (xem phần dưới).

Lưới tài nguyên

Lưới tài nguyên NR với resource element và resource block

Một slot NR trên 3 RB. Ô đỏ là một resource element, khung xanh là một resource block kéo dài hết slot.

Các đơn vị cơ bản:

Đơn vị LTE NR
RE (resource element) 1 subcarrier × 1 symbol Như LTE
RB (resource block) 12 subcarrier × 1 slot (7 symbol) = 84 RE 12 subcarrier, chỉ định nghĩa theo tần số
Lập lịch tối thiểu PRB pair: 12 subcarrier × 1 ms 1 RB × số symbol cấp trong DCI
RBG (nhóm RB, cấp phát type 0) 1 đến 4 RB tùy băng thông 2 đến 16 RB tùy kích thước BWP và cấu hình
REG 4 RE liên tiếp (trừ RS) 1 RB × 1 symbol = 12 RE (gồm 3 RE DMRS của PDCCH)
CCE 9 REG = 36 RE 6 REG = 72 RE
Mức gộp PDCCH (aggregation level) 1, 2, 4, 8 CCE 1, 2, 4, 8, 16 CCE
Subcarrier DC Bỏ trống ở downlink Không bỏ trống, UE báo vị trí DC nếu cần

Băng thông kênh và số RB

Số RB không tỷ lệ thẳng với băng thông vì phải chừa guard band ở hai biên. LTE dùng khoảng 90% băng thông kênh, NR tới khoảng 98% nhờ bộ lọc tốt hơn.

Băng thông LTE 1,4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz
Số RB 6 15 25 50 75 100

NR FR1 (TS 38.101-1):

SCS \ Băng thông 5 MHz 10 MHz 20 MHz 40 MHz 50 MHz 60 MHz 80 MHz 100 MHz
15 kHz 25 52 106 216 270
30 kHz 11 24 51 106 133 162 217 273
60 kHz 11 24 51 65 79 107 135

NR FR2 (TS 38.101-2):

SCS \ Băng thông 50 MHz 100 MHz 200 MHz 400 MHz
60 kHz 66 132 264
120 kHz 32 66 132 264

Một carrier NR tối đa 275 RB, tức 3300 subcarrier.

NR: point A, CRB, PRB và BWP

LTE đơn giản: RB được đánh số từ biên dưới của carrier và UE biết băng thông ngay từ MIB. NR phức tạp hơn vì carrier rất rộng, UE có thể chỉ dùng một phần, và nhiều numerology dùng chung một carrier. NR giải quyết bằng một hệ quy chiếu tần số chung.

Các mốc tần số của NR: point A, CRB, carrier, BWP và vị trí SSB

Point A là gốc. Lưới CRB đánh số từ point A, carrier và BWP được mô tả bằng số CRB, PRB đánh số lại từ đầu BWP. UE tìm ra point A từ vị trí SSB và offsetToPointA trong SIB1.

  • Point A: điểm tham chiếu tần số, là subcarrier 0 của CRB 0 với mọi numerology. Cấu hình bằng absoluteFrequencyPointA (một giá trị NR-ARFCN, xem Frequency Bands). Point A không nhất thiết nằm trong carrier.
  • CRB (common resource block): lưới RB đánh số từ point A, mỗi numerology một lưới.
  • Carrier: với mỗi SCS, SCS-SpecificCarrier cho offsetToCarrier (carrier bắt đầu ở CRB nào) và carrierBandwidth (bao nhiêu RB).
  • BWP (bandwidth part): một dải CRB liên tục có SCS và CP riêng, mô tả bằng locationAndBandwidth. Tối đa 4 BWP mỗi chiều mỗi serving cell, chỉ một BWP hoạt động tại một thời điểm.
  • PRB: đánh số lại từ 0 tại đầu BWP. DCI cấp phát theo PRB của BWP đang hoạt động.

Khi initial access, UE chỉ biết SSB. MIB cho ssb-SubcarrierOffset (k_SSB) và SIB1 cho offsetToPointA, từ đó UE dựng lại lưới CRB. Initial BWP mặc định có cùng dải tần với CORESET#0, xem Initial Access.

Song công: FDD và TDD

Với FDD, uplink và downlink nằm trên hai tần số riêng, mọi subframe hoặc slot đều có cả hai chiều. Với TDD, hai chiều chia nhau cùng một tần số theo thời gian, nên cần một mẫu (pattern) quy định lúc nào phát xuống, lúc nào phát lên, và một khoảng bảo vệ khi đổi chiều.

Mẫu TDD của LTE cấu hình 2 và mẫu DDDSU của NR

LTE cấu hình 2 lặp mỗi 5 ms với special subframe gồm DwPTS, GP, UpPTS. NR DDDSU ở 30 kHz lặp mỗi 2,5 ms, special slot chia theo symbol.

LTE TDD

LTE có 7 cấu hình uplink-downlink cố định (TS 36.211 Table 4.2-2), chọn qua subframeAssignment trong SIB1:

Cấu hình Chu kỳ SF 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 5 ms D S U U U D S U U U
1 5 ms D S U U D D S U U D
2 5 ms D S U D D D S U D D
3 10 ms D S U U U D D D D D
4 10 ms D S U U D D D D D D
5 10 ms D S U D D D D D D D
6 5 ms D S U U U D S U U D

Special subframe gồm ba phần: DwPTS (downlink, có thể mang PDCCH và PDSCH), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS (uplink ngắn, dùng cho SRS hoặc PRACH format 4). Độ dài từng phần chọn bằng specialSubframePatterns.

NR TDD

NR bỏ bảng cố định, thay bằng cấu hình linh hoạt theo ba tầng:

  1. Chung cho cell (tdd-UL-DL-ConfigurationCommon trong SIB1): referenceSubcarrierSpacing, rồi một hoặc hai pattern. Mỗi pattern gồm chu kỳ (dl-UL-TransmissionPeriodicity từ 0,5 đến 10 ms), số slot downlink đầu chu kỳ, số symbol downlink tiếp theo, số symbol uplink và số slot uplink ở cuối. Phần còn lại là symbol linh hoạt (flexible).
  2. Riêng cho UE (tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated): chỉ được đổi các symbol flexible thành D hoặc U.
  3. Động (DCI format 2_0, slot format indicator): chọn từ bảng slot format (TS 38.213 Table 11.1.1-1, format 0 toàn D, 1 toàn U, 2 toàn F, cùng các tổ hợp khác) cho các symbol vẫn còn flexible.

Mẫu hay gặp ở band n78 (3,5 GHz) là DDDSU ở 30 kHz (2,5 ms) hoặc DDDDDDDSUU (5 ms), với special slot kiểu 10D:2G:2U hay 6D:4G:4U.

Khoảng bảo vệ phải đủ cho trễ truyền hai chiều tới biên cell cộng thời gian chuyển mạch TX/RX của phần cứng. Ngoài ra các trạm TDD dùng chung band, kể cả của các nhà mạng khác nhau, phải dùng mẫu thẳng hàng và đồng bộ pha chặt, nếu không downlink của trạm này sẽ gây nhiễu uplink của trạm kia. Xem Synchronization.

Kênh và tín hiệu trên lưới

So sánh ánh xạ tài nguyên downlink: subframe LTE với CRS và slot NR với CORESET và DMRS

Trái: subframe LTE có vùng điều khiển trải toàn băng ở 3 symbol đầu và CRS rải đều cả subframe. Phải: slot NR có CORESET chỉ chiếm một phần băng, DMRS đặt sớm ở symbol 2, CSI-RS chỉ ở vài RE.

LTE NR
Vùng điều khiển 1 đến 3 symbol đầu subframe (4 với 1,4 MHz), trải toàn băng; số symbol báo trên PCFICH CORESET: 1 đến 3 symbol, dải tần cấu hình theo bội số 6 RB, có thể đặt ở bất kỳ symbol nào
Tìm DCI Search space chung và riêng, trong toàn vùng điều khiển Search space set gắn với CORESET, cấu hình chu kỳ và vị trí theo slot
Dữ liệu PDSCH ở phần còn lại của subframe PDSCH chiếm 2 đến 14 symbol theo DCI
Ước lượng kênh cho dữ liệu CRS (chung cho mọi UE) hoặc DMRS theo UE (TM7 đến TM10) DMRS riêng của PDSCH, đặt sớm (symbol 2 hoặc 3), có thể thêm vị trí phụ cho UE di chuyển nhanh
LTE NR
PUCCH Hai biên băng, nhảy tần giữa hai slot Vị trí cấu hình được, 5 format (0 và 2 ngắn 1 đến 2 symbol, 1, 3, 4 dài 4 đến 14 symbol)
PUSCH SC-FDMA, RB liên tục, DMRS ở symbol giữa mỗi slot CP-OFDM hoặc DFT-s-OFDM, DMRS đặt sớm như downlink
SRS Symbol cuối subframe Tối đa 4 symbol trong 6 symbol cuối slot (Rel-15), nhiều hơn từ Rel-16
PRACH Vị trí theo prach-ConfigIndex Vị trí theo prach-ConfigurationIndex, gắn với SSB (xem Initial Access)

Tín hiệu tham chiếu

Tín hiệu LTE NR Dùng để
CRS Luôn phát, mọi subframe, toàn băng, 1 đến 4 port Không có Đo RSRP, giải điều chế, đồng bộ
DMRS Uplink, và downlink cho một số transmission mode Mọi kênh dữ liệu và điều khiển (PDSCH, PDCCH, PBCH, PUSCH, PUCCH) Ước lượng kênh để giải điều chế
CSI-RS Từ Rel-10 Có, nhiều mục đích: CSI, beam management, đo di động Đo kênh, báo CQI/PMI/RI
TRS Không (dùng CRS) CSI-RS dạng đặc biệt Theo dõi lệch thời gian và tần số
PTRS Không Có, chủ yếu ở FR2 Bù nhiễu pha của bộ dao động
SRS Có Có, thêm dùng cho beam management và định vị Gửi từ UE để gNB đo kênh uplink
PRS Có (Rel-9) Có (Rel-16) Định vị

Việc bỏ CRS là một trong những thay đổi lớn nhất của NR. LTE phát CRS kể cả khi cell không có tải, gây nhiễu cho cell lân cận và tiêu tốn năng lượng. NR chỉ phát SSB định kỳ, các tín hiệu khác chỉ phát khi và ở nơi cần.

Ý nghĩa với phần mềm và firmware

  • Kích thước FFT và tốc độ lấy mẫu. LTE 20 MHz có 1200 subcarrier, dùng FFT 2048 ở 30,72 Msps. NR 100 MHz ở 30 kHz có 3276 subcarrier, dùng FFT 4096 ở 122,88 Msps. Đây là thông số đầu tiên phải khớp giữa DU, RU và JESD/ADC/DAC.
  • Fronthaul tính theo PRB và symbol. Ở split 7.2x, U-plane của O-RAN gửi từng symbol, mỗi section mô tả bằng startPrbu và numPrbu, C-plane có thể dùng RE mask. Lưới trên trang này chính là thứ chảy qua fronthaul, xem Open Fronthaul.
  • Cấp phát tài nguyên trong DCI. Type 0 là bitmap theo RBG, type 1 là một khối RB liên tục mã hóa bằng RIV (resource indication value). Miền thời gian cấp bằng chỉ số vào bảng TDRA (symbol bắt đầu và độ dài).
  • Kích thước transport block phụ thuộc số RE dành cho dữ liệu sau khi trừ DMRS, CSI-RS, PTRS và overhead, nên mọi thay đổi cấu hình RS đều ảnh hưởng thông lượng.
  • Lỗi cấu hình hay gặp: sai offsetToPointA, absoluteFrequencyPointA hoặc k_SSB làm UE thấy SSB nhưng không tìm được CORESET#0. Sai mẫu TDD giữa DU và RU làm RU phát vào symbol uplink.

Đọc thêm

  • 3GPP TS 36.211 và TS 38.211: cấu trúc khung, lưới tài nguyên, kênh vật lý và tín hiệu tham chiếu.
  • 3GPP TS 38.213: slot format, CORESET, search space.
  • 3GPP TS 38.101-1 và TS 38.101-2: băng thông kênh và số RB.
  • 3GPP TS 38.331: ServingCellConfigCommon, BWP, TDD-UL-DL-ConfigCommon.
  • L1 & Acceleration: chuỗi xử lý PHY biến bit thành các RE trên lưới.