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.
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) |
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¶
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.
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-SpecificCarrierchooffsetToCarrier(carrier bắt đầu ở CRB nào) vàcarrierBandwidth(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.
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:
- Chung cho cell (
tdd-UL-DL-ConfigurationCommontrong SIB1):referenceSubcarrierSpacing, rồi một hoặc hai pattern. Mỗi pattern gồm chu kỳ (dl-UL-TransmissionPeriodicitytừ 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). - Riêng cho UE (
tdd-UL-DL-ConfigurationDedicated): chỉ được đổi các symbol flexible thành D hoặc U. - 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¶
Downlink¶
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 |
Uplink¶
| 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
startPrbuvànumPrbu, 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,absoluteFrequencyPointAhoặc 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.