4G5G 信号时频结构的一些总结

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前言

对4G LTE和5G NR的时频结构进行总结，将一些参数列出来以备用

4G LTE时域结构描述

无线帧：radioframe，周期为10ms
子 帧：subframe， 周期为1ms
时 隙：slot， 周期为0.5ms
符 号：OFDM symbol，每个时隙有7个OFDM符号，由CP+OFDM组成
采样点Ts：LTE最小描述单位： Ts= 1/30.72MHz = 32.5520833333333ns

总之：
1个无线帧10ms
1个无线帧包含10个子帧，1个子帧的时长为1ms
1个子帧包含2个时隙，1个时隙的时长为0.5ms
1个时隙有7个OFDM符号
有效OFDM长度：2048Ts = 66.6666666666666us
第1个OFDM长度：(2048+160)Ts=71.875000000us
第2-7个OFDM长度：(2048+144)Ts=71.354166666us

下面两个图是FDD和TDD的时隙结构

PSS和SSS的位置

在FDD模式下，PSS在第0子帧和第5子帧的第一个时隙的最后一个符号上，而SSS则在同一个时隙上倒数第2个符号的位置上传输，也即SSS紧挨着PSS前面

在TDD模式下，PSS在第1子帧和第6子帧的第三个符号上传输，也即在DwPTS域内，而SSS则在第0子帧和第5子帧的最后一个符号上传输，也即SSS位于PSS之前的三个符号上传输

PSS和SSS在无线帧中的绝对位置
FDD:

PSS的位置 (144*6+160+2048*6)*Ts = 433.3333us
SSS的位置 (144*5+160+2048*5)*Ts = 361.9792us
PSS-SSS的位置差：(144*1+2048*1)*Ts  = 2192*Ts  = 71.3542us

TDD:

PSS的位置 (30720+144*2+160+2048*2)*Ts = 1147.9167 us
SSS的位置 (15360+144*6+160+2048*6)*Ts = 933.3333 us
PSS-SSS的位置差：(144*2+160+2048*3)*Ts  = 6592*Ts  = 214.5833us

PSS和SSS都是一个OFDM符号，因此其有效长度为2048Ts = 66.6666666666666us

TDD中特殊时隙的时隙配比

4G LTE频域结构

子载波
LTE是由成百上千个子载波构成的，子载波频率是基波频率的整数倍
基波频率是15KHz，也就是子载波频率间隔为15kHz。
资源块（RB）
12个编号连续的子载波组合在一起，称为RB，RB的带宽为180kHz
注意，一个RB的时长为1时隙，也就是0.5ms

子载波数量和基带信号带宽的关系

调度块（SB）
在LTE系统中，为用户分配的时频资源并不是以RB为单位的，而是以调度块（Scheduling Block，SB）为单位的。通常，一个调度块由同一子帧内相同频率范围的两个RB组成。

资源颗粒（RE）
在LTE时频网格中，最基本的单位就是资源颗粒（RE），一个RE从频率上看是一个子载波，从时间上看是一个OFDM符号，被一个调制符号占用

PSS和SSS的时频位置
不论系统采用怎样的带宽配置，主同步序列PSS映射的频域资源位置都一样，总是位于下行全带宽的中心位置，即中心的6个RB（72个子载波）的中间62个子载波上，两边各有5个子载波预留。

5G NR时域结构描述

无线帧：radioframe，周期为10ms
子 帧：subframe， 周期为1ms
时 隙：slot， 周期跟子载波间隔有关
符 号：OFDM symbol，每个时隙有14个OFDM符号，由CP+OFDM组成
子载波间隔 15kHz，时隙长度为1ms，OFDM符号长度为66.6666667us
子载波间隔30kHz， 时隙长度为0.5ms，OFDM符号长度为33.3333333us
子载波间隔60kHz， 时隙长度为0.25ms，OFDM长度为16.6666666us

采样点Tc：NR最小描述单位： Tc= 1/30.72MHz/64 = 0.5086263 ns

总之：
1个无线帧10ms
1个无线帧包含10个子帧，1个子帧的时长为1ms
1个子帧包含1/2/4个时隙，1个时隙的时长为1/0.5/0.25ms。跟子载波是15/30/60K有关
1个时隙有14个OFDM符号
子载波间隔为15KHz时，有效OFDM长度：131072Tc = 66.6666666666666us
子载波间隔为30KHz时，有效OFDM长度：65536Tc = 33.333333333333us
子载波间隔为15KHz时，有效OFDM长度：32768Tc = 16.6666666666us

CP长度计算公式

K = Ts/Tc = 64，为固定数
U = 0，表示子载波15kHz；U = 1，表示子载波30kHz；；U = 2，表示子载波60kHz

子载波15KHz：l=0和7是长CP
NshortCP = 9216*Tc = 4.6875us NlongCP = 10240*Tc = 5.20833333us
子载波30KHz：l=0和14是长CP
NshortCP = 4608*Tc = 2.34375 us NlongCP = 5632*Tc = 2.864583333 us
子载波60KHz：l=0和28是长CP
NshortCP = 2304*Tc = 1.171875 us NlongCP = 3328*Tc = 1.6927083 us

总时长计算

子载波15KHz：14*131072*Tc+12*9216*Tc+2*10240*Tc = 10ms
子载波30KHz：14*65536*Tc+13*4608*Tc+1*5632*Tc = 5ms
子载波60KHz：28*32768*Tc+27*2304*Tc+1*3328*Tc = 5ms

5G SSB的时频结构

SSB时域上共占用4个OFDM符号，频域共占用240个子载波(20个PRB)，编号为0~239，如下图所示：
SSB的时频结构示意图

1、PSS位于符号0的中间127个子载波。
2、SSS位于符号2的中间127个子载波；为了保护PSS、SSS，它们的两端分别有不同的子载波Set 0。
3、PBCH位于符号1/3，以及符号2，其中符号1/3上占0~239所有子载波，符号2上占用除去SSS占用子载波及保护SSS的子载波Set 0以外的所有子载波。
4、DM-RS位于PBCH中间，在符号1/3上，每个符号上60个，间隔4个子载波，其中子载波位置偏移为：(其中物理小区总共为1008个)。
5、其中PSS、SSS、PBCH及其DM-RS占用不同的符号

以SCS = 30KHz的间隔为例
SSB占用了240个子载波，按照SCS = 30KHz的间隔来看一共占用了7.2MHz的带宽。
但如果只考虑PSS和SSS所占带宽的话则是127个子载波，带宽为3.81M。3.84MHz的采样率应该也能进行处理。