在通信中帧结构的设计是非常重要的，之前的课程对帧结构的基本原理做了介绍–通信中帧结构与包结构. 本节内容着重介绍在无线通信中的帧结构，由于2G，3G通信将会逐渐退出历史舞台，因此本部分内容以4G，5G的帧结构为例进行介绍。由于5G的帧结构延续4G帧结构的特点并加以改进，因此在介绍5G帧结构之前先对4G的帧结构做详细介绍。
1. 4G无线通信系统的帧结构分类
由于4G系统包含FDD和TDD两种多址方式，因此对应的帧结构也包含两种，分别为FDD帧结构和TDD帧结构两种，其中FDD的帧称为无线帧结构1(Type1)，TDD的帧是无线结构2(Type 2)。由于4G是LTE演进的结果，因此4G的帧结构又称为LTE帧结构。如图1所示，
图1 两种不同4G无线帧结构
那么什么是FDD和TDD呢？TDD、FDD指第三代移动通信技术(3G)中的两种双工通信模式。 TDD(Time-division Duplex )模式指时分双工模式，3G标准中的TD-SCDMA采用此双工模式； FDD(Frequency-division Duplex)模式指频分双工模式，3G标准中的WCDMA和CDMA2000采用此模式。到4G以后仍然存在这两种模式，分别为LTE-FDD和LTE-TDD。是不是可以直接理解为TDD采用时分复用，FDD是频分复用呢？其实在3G，4G，5G的通信中既有时分复用也有频分复用。这里TDD，FDD主要是指上下行的物理帧是如何调度的。如果上、下行在频率上是分开的，时间上是独立调度的则为FDD； 如果上、下行共用同一段频率，为了解决同频干扰，在时间上必须给出上、下行特定的时间段，这种调度方式为TDD，如图2所示。
图2 FDD TDD
为了更好理解4G，5G中的各个概念，下面对一些本节涉及到的名词加以解释，
- FDD: Frequency Division Duplex 频分双工,
- TDD: Time Division Duplex 时分双工,
- DownLink: BTS to UE 下行，从基站的手机 ，也称为downStream,
- UpLink : UE to BTS 上行，从手机到基站， 也称为UpStreem,
从图2可以看出，FDD由于上下行频率分离，因此在物理调度上可以独立进行，而TDD必须划分时间片给上下行通信。因此TDD结合了帧的时间调度与山下行时间调度的双重需求。
2. 4G无线帧的格式
4G中以10 ms为时间单位划分为一个个无线帧，帧与帧之间没有间隔，因此是连续帧，如图3所示。
图3 LTE 帧结构
从图3的结构可以看出，在4G LTE通信中的帧格式是以10ms做时间间隔，同时又将每帧（Frame）划分为10个子帧（Sub frame)，每个子帧的时间间隔为1 ms。每个子帧又划分为两个时隙（Time Slot）。每个时隙根据循环前缀CP（Cyclic Prefix）不同又分为6个或7个OFDM符号（OFDM Symbol）。关于CP，ISI，ICI，OFDM，OFDM Symbol等概念，在相关章节中讲解。可见在无线通信帧中需要不仅需要帧同步，同时也需要子帧，时隙以及符号同步。由于在无线通信不同帧，子帧，时隙以及符号中会安排不同的通信内容，因此都安排了特定的计数器用于区分连续帧中每一帧，子帧，时隙以及符号等。各计数器如表1所示。
表1
|
Name |
Range |
Synchronization Method |
Time interval(ms) |
Max Time in ms |
Max Time(s) |
Description |
|
subframe |
0~9 |
PSS/SSS |
1 |
10 |
0.01 |
sub frame number 子帧号 |
|
SFN |
0~1023 |
MIB(PBCH) |
10 |
10,240 |
10.24 |
System frame number 系统帧号 |
|
HFN |
0~1023 |
SIB1 |
10240 |
10,485,760 |
10485.76 (=2.91 hour) |
Hyper frame number 超帧号 |
|
Slot number |
0~19 |
|
0.5 |
10 |
0.01 |
时隙号 |
|
Symbol number （Extend CP） |
0-6 |
|
83.3 Us |
0.5 |
|
符号数 |
|
Symbol number （Normal CP） |
0-7 |
|
71.4 Us |
0.5 |
|
符号数 |
3. FDD 帧结构
由于FDD frame (type 1）的上行和下行使用不同的频段，因此上行和下行使用同样的帧结构，如图4。但下行是基站到终端，因此下行帧是独立安排的，对于多个用户都使用统一的帧结构。下行帧中安排特殊内容如PSS/SSS, MIB ,SIB1 等内容，便于上行帧与下行帧同步。上行帧使用与下行相同的帧结构，但每个用户都根据不同的延时利用同步信号（PSS/SSS等)与上行帧同步。只有上下行帧完全同步，基站与手机才能独立通信。关于MIB，SIB，SI，PSS，SSS等相关内容将在相关章节详细讲解，下面仅列出该部分信号所代表的含义。
- PSS : Primary synchronization signal 主同步信号
- SSS : Secondary synchronization signal 辅同步信号，或第二同步信号
- MIB: Master Information Block 主信息块
- SIB : System Information Block 系统信息块
图4 FDD上下行帧
4. TDD帧结构
4.1 TDD frame(Type 2)
TDD frame(Type 2)的帧结构如图5所示,。与FDD帧相同点是帧的时间间隔也是10ms，并且将每个帧划分成10个子帧，每个子帧的时间间隔为1 ms。但在普通TDD的子帧也划分为2个·时隙，在特殊子帧中划分3部分。
图5 TDD frame
图5中在子帧中标注为D，S，U分别表示下行子帧，特殊子帧，上行子帧。TDD与FDD相比有如下特点。
- 频谱利用率高，TDD可以根据需要合理配置上下行比例，做到。而FDD由于采用上下行频率对称的带宽，因此当上下行需求不同时造成频带资源浪费。
- 信道估计简单，TDD对信道质量估计只需要对一个频段进行，即评估了上行信道质量，下行信道可以直接使用该评估结果。而FDD必须对上下行信道分别评估。
- 成本低， 由于TDD上下行在不同时间段使用同一频段，因此不需要上下行频率隔离器（滤波器，diplexer）。
- 延时长，由于TDD的子帧也是1ms, 而且是上下行调度，如果上行有紧急请求，恰好在调度上是下行时间，此时的请求必须等到上行帧到来后才能安排，因此会带来额外的延迟。因此4G LTE TDD模式在汽车自动驾驶方面很难满足要求。因此5G TDD模式做出改进以适应URLLC的要求。
4.2 TDD上下行子帧配置
TDD上下行子帧根据需要总共有7中配比方式，如表2所示。
表2
图6 LTE-TDD frame configuration
4.3 TDD特殊子帧
特殊子帧一般出现在子帧1和子帧6，子帧6根据不同配比可能是下行子帧或特殊子帧。观察表2可以看出子帧5总是下行子帧（D），如果子帧7为上行子帧（U），则子帧6为特殊子帧，这正与子帧0（下行）和子帧2（上行）之间需要特殊子帧隔离的需求一致，至于为什么需要特殊子帧隔离，主要避免下行子帧多径延迟对上行子帧的干扰。特殊子帧包含3个部分（时隙），分别为：
DwPTS : Downlink Pilot Time Slot 下行导频时隙
GP : Guard Period 保护间隔
UpPTS: Uplink Pilot Time Slot 上行导频时隙。
TDD特殊子帧的14个符号间隔也有不同的配比方案，如表3所示。
表3 Special Sub frame Configuration Scheme
关于特殊子帧的详细内容在有关章节介绍。在TDD正常子帧中也同样包含12或14个OFDM字符，至于12或14个字符同样由正常CP或扩展CP所决定。
- 作业：
- 用Verilog实现 FDD 帧，子帧，时隙，符号定时的RTL代码
- 用Verilog实现 TDD 帧，子帧，时隙，符号的RTL代码，并实现各种配置方案。
