浅析5G的基本信息承载单元资源块

1 引言

传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）是无线链路中一个能够独立解码传输信息的时域长度，是传输层针对物理层取样的传输时间间隔，是代表最小数据传送时间的系统资源调度周期，也是系统在时域调度资源时的一个基本调度单位。理论上，TTI的时长越短越好，不同的通信系统的TTI时长可能不同，如3G的TTI时长有10ms的，也有20ms的，4G的TTI时长理论上可变，可以根据不同业务类型在较大范围内适度调整，最小值为1ms，例如接收端在收到1个完整的无线帧后可立即解调，这时的TTI时长就是10ms。但实际中多取1ms，即1个TTI时长是1个子帧的宽度。也就是说，4G基站eNB每次TTI做的一次用户调度，时域上是调度1个子帧。

4G中1个TTI周期内的1个资源块只能分配给一个用户UE，虽然1个TTI在时域只有1个资源块，但频域对应的资源块数由载波的子载波数决定。因此，4G在1个TTI周期内调度的用户数，在1.4MHz带宽时不多于6个，在20MHz带宽时不多于100个。也就是说，系统在同1个TTI周期内，可以同时调度多个用户。由于4G的每个TTI都对应一个Harq ID码，使得不同HarqID码的TTI可以依次流水调度，使系统资源一直都能动态分配，即前1个TTI分配的资源块RB在1个调度周期内被传送后，后一个分配的资源块可以在下1个调度周期内继续使用后1个TTI，在下1个TTI内的资源块被释放后，系统可以根据信道状况或UE请求重新获得分配权限。

TTI是系统在时域固定的1个资源调度周期，系统首先要定义1个资源页面，即每个TTI周期调度时域内的1个子帧，及对应频域内载波带宽中所有子载波包含的N个资源块。例如，4G中20MHz载波对应的1个资源页面就包含有N=100个资源块。如果移动通信系统是MIMO天线系统，每个天线端口支持1个资源页面，则有M个端口的MIMO天线系统，在1个TTI周期内可以同时调度M个资源页面，或可以同时调度N×M个资源块。若1个TTI周期内的每个资源块只能分配给1个UE，也就是说任何用户接收到的最小信息单元是1个资源块，则所有资源页面中携带的其他资源块，既可以分配给其他UE，也可以承载同一UE的其他数据，提高用户数据吞吐量。

在典型的移动通信系统中，信息传输的基本过程可以简单地总结为：系统先将传输时域按TTI周期划分时段，且每个TTI周期分配1个子帧，并与每个子帧按载波带宽包含的资源块组成1个资源页面，再根据天线端口数组成与其匹配的资源页面数；然后，系统将需要传送的多个用户信息，先按时域顺序，后按频域顺序，再按空域顺序，分别映射到各个资源页面中的资源块上；最后，系统按TTI周期将每个TTI时段内的所有资源页面中的所有资源块，按串行顺序发送到各自的信道中，从而完成无线信道中的多用户、大数据传输。由此可见，移动通信系统的最小时域、频域和空域单位中的基本调度资源单位实际上是资源块。

5G系统采用了时域、频域、空域等多种信息承载资源，因为5G更需要高数据吞吐率。5G系统TTI管理的资源块数量要远大于4G，因为5G系统在空域使用的是大规模MIMO天线，在频域使用的是带宽更宽的毫米波，不仅支持的资源页面更多，每个资源页面中的资源块也更多，还有多种调度方式。5G系统的信息承载资源，同样有资源栅格、资源块和资源粒子，但因μ值的取值可调，致使组成资源粒子的基本时频单位OFDM符号时长和子载波带宽同样可调。其中，组成资源粒子的时频单位虽然可随μ值的变化而变化，但面积不变；资源块中包含的资源粒子数虽然可随μ值的变化而变化，但对应的时域宽度仍为1个子帧，频域宽度也只有12个子载波。

2 5G资源粒子RE

众所周知，资源块是移动通信系统信息传输中的基本承载单位，然而要了解资源块必须先了解资源粒子。5G定义的资源粒子与4G一样，也是时域最小单位OFDM符号与频域最小单位子载波的乘积。采用资源粒子作为信息承载的最小单位，反映了移动通信系统承载信息资源从传统的一维时域、一维频域和一维相域等环境，过渡到了二维的时频两域，从而大大提高了无线信道传输的数据吞吐量。由于资源粒子是时频两域的组合体，分析资源粒子就必须分别从时域信息承载最小单位和频域信息承载最小单位入手。与4G系统完全不同的是，5G的时域信息承载最小单位和频域信息承载最小单位都是可以改变的。

出现图1所示的3种面积完全一样但形状却完全不同的资源粒子结构的原因，是5G系统定义资源粒子的帧结构与4G有较大不同（见图2）。5G的帧结构分为两部分，第一部分与4GLTE定义完全一样，其中无线帧的时长仍然是10ms，每个无线帧则由10个时长1ms的子帧组成，每个无线帧还可以分为两个时长为5ms的半帧，前半帧由编号为0～4的子帧组成，后半帧由编号为5～9的子帧组成，但半帧在5G中的应用较少。第一部分帧结构也叫固定架构，这部分唯一可以调整的仅仅是系统可以根据场景需要，采用无线帧作为系统的传输单位，还是采用半帧作为系统的传输单位，前者传输调度更加灵活方便，但数据传输量受限，后者刚好相反。

图1 常规CP方式下的1个资源粒子的3种表述

图2 5G帧结构图示

5G帧结构中的第二部分叫灵活架构，主要指子帧中包含的时隙数可以灵活多变，即每个子帧中最小的时隙数是2个（与4GLTE一样），最多的时隙数高达32个，或者说每个子帧的时隙数为2μ，其中μ=0、1、2、3、4、5。所以，虽然5G子帧可以灵活配置时隙数的选择方式有6种，但每个时隙中包含的符号数与4GLTE仍然一样，也有常规CP方式和扩展CP方式两种，且每个符号前都要添加循环前缀CP，其中常规CP方式中包含14个（符号+CP），扩展方式中包含12个（符号+CP）。显然，5G帧结构的灵活多变，其实就是每个子帧中所包含的时隙数可以灵活选择，当μ=0时可与4G兼容。

由于每个子帧的时长固定为1ms，又因为每个时隙中包含的OFDM符号数只有常规CP方式和扩展CP方式中的14个符号和12个符号。所以，当系统定义每个子帧的时隙数为2μ（μ=0、1、2、3、4、5时），则每个OFDM符号时长Δt=1/（2μ×14）ms同样有6种不同的选择方式，若以常规CP方式为例，最大OFDM符号的时长为1/14ms=71.43μs，正好是4GLTEOFDM符号的标准时长，最小OFDM符号的时长为1/（32×14）ms=2.23μs，具体情况见表1。5G帧结构中的可变部分，归根结底还是最小单元OFDM符号时长的可变。

表1 时频两域最小单元的可变方式

5G频域的最小信息承载单元仍然是子载波，与4GLTE不同的是，子载波的带宽可以灵活多变，且可变方式与时域子帧中包含的时隙数相关，即5G子载波带宽为Δf=2μ×15kHz，其中μ=0、1、2、3、4、5。也就是说，5G频域的子载波带宽同样也有6种选择方式，其中最小子载波带宽是μ=0时的15kHz，与4GLTE完全一样，其他子载波带宽都是成倍增加，最大子载波带宽是μ=5时的480kHz。因为CP是时域的循环前缀，所以在频域中没有常规CP与扩展CP之分。同理，5G在频域中的可变性也是频域最小单元子载波带宽。

显然，频域子载波带宽（也叫子载波间隔）的可变性与时域OFDM符号时长的可变性是完全对应的，且具有互补关系，正是这种互补对应关系，保证了5G系统信息承载资源的最小颗粒——资源粒子的数值固定不变；如果有变化，也仅仅是时域的常规CP方式和扩展CP方式的不同，即在常规CP方式中有：1资源粒子=1OFDM 符号×1子载波带宽=[1/(2μ×14)ms]·(2μ×15kHz)=1.0714ms·kHz；在扩展CP方式中有：1资源粒子=1OFDM符号×1子载波带宽=[1/(2μ×12)ms]·(2μ×15kHz)=1.25ms·kHz。也就是说，虽然5G的时域最小单元和频域的最小单元可变，但5G中的每个资源粒子的大小与4G完全一样，为4G平滑演进到5G提供了技术方便。

3 5G时域资源基本周期Ts和Tc

5G的物理层关键核心技术与4G一样，仍将是OFDM+CP技术，这不仅因为OFDM+CP是成熟技术，还因为该技术可满足5G在空域采用大规模MIMO天线的需求。当然，5G采用的OFDM技术是滤波器组OFDM或F-OFDM，因为该技术更有利于处理带外能量泄漏问题。不管怎样，使用OFDM技术就必须使用IFFT/FFT，而使用快速付里叶变换和逆变换就必须考虑变换中的采样数N，考虑时域资源应用中的最小基本周期Ts和Tc，因为在移动通信领域时域资源的设计与规划中，无线帧、子帧、时隙和OFDM符号等，最终都要用Ts和Tc作为基本单位，4G如此，5G也是如此，虽然4G中只有Ts，5G有Ts和Tc，但5G还是以Tc为主。

移动通信系统中采用时域资源基本周期Ts或Tc，不仅是习惯，更是系统物理层的规划与设计的需要。

5G系统在时域定义的基本周期单位Tc=1/（Δfmax·Nf），其中Δfmax=480kHz是频域μ=5时的最大子载波带宽，Nf=4096是时域每个OFDM符号中的最大采样数，所以Tc=5.086·10-10s=0.5086ns实际上是时域OFDM符号中每两个相邻采样点间的宽度。同样，5G系统在时域还定义了另一个基本周期单位Ts=1/（Δfref·Nf,ref），其中Δfref=15·103Hz是频域μ=0时的最小子载波带宽，Nf,ref=2048是时域每个OFDM符号的最小采样数，所以Ts=3.255·10-8s=32.55ns同样是时域OFDM符号中每两个相邻采样点间的宽度。显然，Ts就是4GLTE中的最小时间单位Ts，也就是4G OFDM变换中每个OFDM符号中的采样时长，或每两个相邻采样点间的宽度。

众所周知，在4GOFDM发射端的IFFT变换中，系统通过子载波映射，将串并变换后的QAM调制符号从频域映射到各子载波上，再经过IFFT变后将频域中包括的子载波数和过采样数共N个值的符号转到时域中的抽样数为N个的一个OFDM符号上。若以4G系统支持的最大带宽为20MHz的传输载波为例，支持IFFT的采样值N=2048，由于子载波带宽Δf=15kHz，除去两边各1MHz边带，20MHz带宽的载波只能分成1200个带宽为15kHz的子载波，为了满足IFFT变换中的采用数为2048，在映射中还将补充848个过采样点（见图3）。经过IFFT变换后，每个OFDM符号的采样数可为2048，各相邻采样点间的时长Ts=1ms/[14·(2048+CP)]=32.55ns。

图3 4G OFDM调制过程

在4G的OFDM的IFFT变换中，相邻采样点间的时域间隔只有一个值，或者说4G在时域资源的基本周期单位只有一个Ts。5G则完全不同，除了有Ts=32.55ns外，另外还有一组是对应参数μ=0、1、2、3、4、5的 6 个 Tc，分别为 Tc0=16.276ns、Tc1=8.1376ns、Tc2=4.0688ns、Tc3=2.0344ns、Tc4=1.0172ns、Tc5=0.5086ns。所以，5G的Ts和Tc可以用μ=-1、0、1、2、3、4、5来统一管理，可以使得5G系统在技术上更易处理，对4G兼容更加自然。然而，当系统仅以Tc作为时域基本周期单位来定义固定架构的帧结构时，系统只用Tc=Tc5=0.5086ns来表述，如5G系统定义的无线帧时长=19660800Tc，子帧时长=1966080Tc。若定义灵活架构的时隙和符号时，则只能用灵活的Ts、Tc0、…、Tc5作为时域基本周期单位使用。

4 5G资源块RB

5G资源块的定义与4G相似（见图4）。系统首先将时域、频域二维信息承载资源，以资源粒子为最小单位组成资源栅格，当系统给定波形参数和子载波带宽配置参数μ后，则1个资源栅格被系统定义为由个频域子载波和个时域OFDM符号组成，式中是资源栅格在频域的资源块数，参数x表示下行DL和上行UL，具体数据见表2所示；是每个资源块在频域的连续子载波数，是时域每个子帧中的符号数，具体数据见表3。然后，再在资源栅格中划分资源块，每个资源块在频域为个连续子载波，在时域从进行编号，共有14 2μ个OFDM符号。

图4 资源栅格、资源块和资源粒子

表2 资源栅格频域资源块数

表3 常规CP方式资源栅格时域子载波符号数

表4 扩展CP方式资源栅格时域子载波符号数

从图5可以看出，在频域的子载波数都固定为12个，但彼此不同μ值的资源粒子的子载波频域间隔却相差一倍，所以不同资源块在频域的高度相差较大；在时域的符号中，虽然不同资源块的符号数彼此相差一倍，但不同资源块中的符号宽度不同，彼此之间同样相差一倍，从而可以保证各资源块的时域总宽度是相同的。也就是说，不同μ对应的资源块，在频域的总高度不同，且彼此之间相差一倍，但子载波数相同；在时域的总宽度相同，但符号数不同，且彼此之间相差一倍；虽然每个资源粒子的面积相等，但不同μ对应的资源块的面积不同，且彼此之间相差一倍。μ=0时的资源块是一个特例，正好是4GLTE定义的资源块。

之所以在移动通信中引入TTI周期作为系统在时域调度资源的基本调度单位，就是因为要保证发送端发送的信息能够被接收端正确识别分辨这个的基本要求，如果在整个传输过程中的TTI周期有多个可变取值，不仅需要大大提高接收系统的复杂度，甚至于很难从技术上保证接收端的高正确率。正是由于资源块在取不同μ值时，能保证资源块在时域有相同的时长，从而为系统可以在1个固定的TTI周期内，在任何情况下调度任何1个子帧或资源块，不仅保证了接收端在技术上与发送端的一致性和简单性，还可以满足系统对不同场景需求的数据传输率和吞吐率，满足了系统万物互联和万网整合的需求。

5 结束语

5G频域的最小信息承载单元是子载波，时域的最小信息承载单元是OFDM符号，但每个子载波的带宽随μ值变化而变化，每个OFDM符号的时长同样随μ值变化而变化。由于子载波带宽越大，则OFDM符号周期越小，反之亦然，μ值大小的变化使得子载波带宽变化和OFDM时长变化正好相反。当μ值变大时，既可成倍提高资源块在时域的信息承载量，又可以使频谱更加平坦，达到提高传输性能的目的。至于每个时域OFDM符号中承载的二进制比特信息量，则完全由系统采用的基带调制解调方案所决定。

图5 μ=0～2的3个5G资源块RB简图

从5G的物理底层定义的符号和子载波，再到资源粒子、资源块和资源栅格，都有6种类型，其中μ=0的类型正是4GLTE的基本类型，所以4GLTE在5G中只是6种类型中的一个特例，既反映了4G向5G平滑演进的过程，又说明5G可以包含4G的向下兼容性。4G应用场景是移动互联网，场景单一、容易实现，所以只需物理层拥有一种帧结构和资源块即可。5G应用场景有3类，实现难度较大，必须从物理层使其适应多种需求。所以5G的物理层信息承载资源定义了6种类型，且实现这6种类型也方便快捷，因为仅仅需要改变μ的取值即可。

虽然5G帧结构中的无线帧、子帧和每时隙符号数都是固定不变的，唯一可变的只有每个子帧中的时隙数，表面上5G帧结构包含了固定架构和灵活架构，其实灵活架构也只有一个可变因子，这种设计既简单又管用，非常科学。虽然5G定义的资源块中包含的资源粒子数与μ的取值大小有关，但不同μ值对应的资源块的时域时长却都是1个子帧的1ms，这种固定的时长设计方案，不仅简单方便，还可为系统在时域基本传输单位TTI内传输数据时，降低系统的技术实现难度，同样科学。5G物理层设计既考虑了兼容性，又考虑了5G场景应用的需求。

5G同样使用了CP+OFDM技术，即每个OFDM符号前都添加1个循环前缀CP，该循环前缀CP的数值也是OFDM符号N个抽样数中的后面部分，从而使得OFDM符号在时域的实际宽度=OFDM符号抽样数+CP值，基本工作原理与4G完全一样。但因CP值是OFDM符号抽样数中的一部分，当μ值不同时，虽然不同资源块在时域的总时长相同，不仅符号数不同，每个符号的时长也不同，若系统设计的每个符号前插入的CP数固定，虽然每个资源块的总时长增加了，但所有资源块在时域的时长都相等，并非因μ值不同而改变，说明5G的μ值设计确实是一个科学方案。

另外，5G虽然与4G一样设计了每个OFDM符号前插入CP，也同样采用了常规CP方式和扩展CP方式，使系统可以方便使用大规模MIMO天线，但5G系统设计的扩展CP方式仅能在μ=2时应用。同理，5G系统也只是在子载波带宽为60kHz时使用扩展CP，但这时的μ=2。由此可见，扩展CP在5G系统中的应用实际上只是个特例，仅仅限制在μ=2时使用，这有可能与5G系统具有灵活可变的特点有关。