LTE筆記: Multiple Numerology and Mini-Slot in 5G NR

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在 5G NR 中, Numerology 這個詞語對應於 Frame Structure,
這個詞語的中文意義有點難以翻譯, 直譯為: 數秘術,
在 Wiki 百科中的定義為:
數秘術, 是指物象化成數字的占卜, 如姓名學是用筆畫數.

這個字詞的來源許久, 可以追朔到希臘哲學,
當時, 數學, 宇宙學, 對世界的解釋, 是被連結在一起的,
考慮到數學的簡潔性, 許多哲學學派, 如畢達哥拉斯學派,
就將數字和宇宙的美感連結在一起,
並嘗試用數字來解釋觀察到的一切,

這樣的嘗試, 等於是將現實世界的觀察, 塞入一個理想模型中,
考慮到真實世界的不完美性, 以及一些錯誤假設的模型,
這樣的詮釋漸漸走入神祕主義, 也從科學術語, 過渡成占卜術的術語,
現在常見的搜尋結果, 就和生命靈數, 姓名筆畫等, 有較多的連結,
這也是一種術語的不可共量性,

好吧, 雖然這裡有許多故事可以說, 但我們還是回到 5G NR 的系統,
在 5G NR 中, 定義了 5 種不同的子載波 (sub-carrier) 間隔,
分別是: 15 KHz, 30 KHz, 60 KHz, 120 KHz 和 240 KHz.
相較於 4G LTE 網路只有一種間隔 (15 KHz),
5G NR 考慮到不同的頻帶特性 (sub-6 GHz, 28 GHz) 定義不同的間隔,
如下圖所示:

來自: https://www.slideshare.net/3G4GLtd/beginners-5g-numerology

在上圖中, 我們可以看到, 對應於不同的頻帶有不同的子載波間隔,
最小的數值為 15 KHz, 之後為 2^n 的倍率成長,
15 KHz 的選用主要是和 4G LTE 向下相容,
同時, 考慮到 4G LTE 所使用的頻帶為 700 MHz,
等效可以拿到的頻寬資源較少, 使用 15 KHz 可以增加頻帶的利用效率,
對於較高頻的通訊而言, 較大的子載波間隔可以提供較短的時間延遲,
並減少 FFT 電路設計上的要求.

關於 4G LTE 的相關文章, 可以參考:
https://note-on-clouds.blogspot.com/2015/12/lte-frame-time.html

雖然子載波間隔改變, 但 5G NR 在時間的切分上,
一個 frame 仍是 10 ms, 一個 sub-frame 仍是 1 ms,
換句話說, 每一個 sub-frame 中所看到的 OFDM symbol 數量上升,
以 5G NR 的 15 KHz 設定為例, 一個 slot (1ms) 對應於 14 個 OFDM symbols,
但對於 120 KHz 而言, 1ms 中就有 8*14 = 112 個 OFDM symbols,
如下圖所示:

來自: https://community.keysight.com/community/keysight-blogs/next-generation-wireless-communications/blog/2018/04/11/5g-flexible-numerology-what-is-it-why-should-you-care

考慮到大幅增加的 OFDM symbol 的個數,
為了低延遲以及 mmWave 的傳輸, 5G NR 提出了 mini-slot 的架構,
當使用 mini-slot 架構時, 不必傳滿一個 slot 的長度,
而可以以 OFDM symbol 為單位進行資源的配置,
這樣彈性的架構, 可用於低延遲網路中, 快速插入要回覆的訊息,
LBT (Listen-Before-Talk) 的架構, 有效利用空閒頻帶資源,
或是在 mmWave 波束指向通訊中, 短時間高傳輸量的資源配置,

作為總結, 5G NR 在 4G LTE 的架構之上,
提供了更大的彈性進行資源的配置,
這樣的彈性主要對應於不同的應用情境 (低延遲, mmWave 波束指向),
或是, 不同頻帶的物理特性 (不同頻率的等效頻寬不同),
然而, 考慮到電路的複雜性, 以及通道的物理特性,
在 5G NR 的初期, 應該仍無法支援如此彈性的架構,
可能仍會以支援的頻帶對對應的架構進行限制.


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