2026·06·28 ·

NR5G物理层帧结构NumerologyBWPMini-slotSSB时隙格式子载波间隔URLLC

5G NR物理层帧结构详解

一、NR帧结构设计背景

5G NR需要支持三大应用场景：

eMBB（增强移动宽带）：高速率，大带宽
URLLC（超高可靠低时延通信）：毫秒级时延
mMTC（海量机器类通信）：低速、海量连接

固定的15kHz子载波间隔和1ms子帧无法同时满足这些差异巨大的场景需求，因此NR引入了**灵活可变的Numerology（参数集）**设计。

二、Numerology参数集

Numerology是NR帧结构的核心，定义了子载波间隔、符号长度、时隙长度等基本参数。

2.1 子载波间隔（SCS）公式

NR子载波间隔基于可扩展设计：

$\Delta f = 2^\mu \times 15\ \text{kHz}$

其中 $\mu \in \{0, 1, 2, 3, 4\}$ 。

2.2 Numerology参数对照表

μ	子载波间隔	符号长度	每时隙符号数(常规CP)	每子帧时隙数	时隙长度	每无线帧时隙数	典型应用场景
0	15 kHz	~66.67 μs	14	1	1 ms	10	低频段(<3GHz)，广域覆盖，兼容LTE
1	30 kHz	~33.33 μs	14	2	0.5 ms	20	中频段(3~6GHz)，主力部署频段
2	60 kHz	~16.67 μs	14(常规CP)/12(扩展CP)	4	0.25 ms	40	毫米波/高频段，URLLC
3	120 kHz	~8.33 μs	14	8	0.125 ms	80	毫米波(>24GHz)，超高速率
4	240 kHz	~4.17 μs	14	16	0.0625 ms	160	同步信号块(SSB)专用

graph TD
    subgraph μ=0 15kHz
        SF0[子帧1ms] --> S0[Slot 0<br/>1ms=14符号]
    end
    subgraph μ=1 30kHz
        SF1[子帧1ms] --> S1_0[Slot 0<br/>0.5ms]
        SF1 --> S1_1[Slot 1<br/>0.5ms]
    end
    subgraph μ=2 60kHz
        SF2[子帧1ms] --> S2_0[Slot0<br/>0.25ms]
        SF2 --> S2_1[Slot1<br/>0.25ms]
        SF2 --> S2_2[Slot2<br/>0.25ms]
        SF2 --> S2_3[Slot3<br/>0.25ms]
    end
    style S0 fill:#aaffaa
    style S1_0 fill:#aaffaa
    style S1_1 fill:#aaffaa
    style S2_0 fill:#aaffaa
    style S2_1 fill:#aaffaa
    style S2_2 fill:#aaffaa
    style S2_3 fill:#aaffaa

2.3 Numerology与频段对应关系

频段范围	推荐Numerology	原因
FR1: 450MHz ~ 6GHz	μ=0(15kHz), μ=1(30kHz), μ=2(60kHz)	多普勒频移小，相位噪声低
FR2: 24.25GHz ~ 52.6GHz	μ=2(60kHz), μ=3(120kHz)	相位噪声大，需更大SCS；多普勒频移大

三、NR时间层级结构

NR保持与LTE相同的10ms无线帧、1ms子帧基本框架，但子帧内部结构更灵活。

3.1 固定时间单元

时间单元	固定长度	说明
无线帧 (Radio Frame)	10ms	SFN范围0~1023，周期10.24s
子帧 (Subframe)	1ms	所有μ值下固定1ms，为了兼容LTE
时隙 (Slot)	可变	长度 = 1ms / 2^μ，由μ决定
OFDM符号 (Symbol)	可变	长度 = 1/Δf ≈ 66.67μs / 2^μ

graph TD
    A[无线帧 10ms] --> B[子帧0 1ms]
    A --> C[子帧1 1ms]
    A --> D[子帧... 1ms]
    A --> E[子帧9 1ms]
    
    subgraph μ=0时子帧内部
        B --> S0[Slot 0<br/>14符号 1ms]
    end
    
    subgraph μ=1时子帧内部
        C --> S1_0[Slot0<br/>14符号 0.5ms]
        C --> S1_1[Slot1<br/>14符号 0.5ms]
    end
    
    subgraph μ=3时子帧内部
        E --> S3_0[Slot0<br/>14符号]
        E --> S3_1[Slot1]
        E --> S3_7[Slot7<br/>0.125ms]
    end

3.2 无线帧→子帧→时隙的层级关系

graph LR
    RF[无线帧 10ms] -->|包含10个| SF[子帧 1ms]
    SF -->|μ=0: 1个| SLOT1[Slot 1ms]
    SF -->|μ=1: 2个| SLOT2[Slot 0.5ms]
    SF -->|μ=2: 4个| SLOT3[Slot 0.25ms]
    SF -->|μ=3: 8个| SLOT4[Slot 0.125ms]
    SF -->|μ=4: 16个| SLOT5[Slot 0.0625ms]
    SLOT1 -->|常规CP:14个| SYM[OFDM符号]
    SLOT2 -->|常规CP:14个| SYM
    SLOT3 -->|常规CP:14个| SYM
    SLOT4 -->|常规CP:14个| SYM

四、OFDM符号与循环前缀(CP)

4.1 CP长度

μ	SCS	常规CP长度(μs)	扩展CP长度(μs)	符号长度(μs)	CP开销
0	15kHz	~4.7μs	~16.7μs	66.67	~7%
1	30kHz	~2.3μs	~8.3μs	33.33	~7%
2	60kHz	~1.2μs	~4.2μs	16.67	~7%(常规)/~25%(扩展)
3	120kHz	~0.59μs	-	8.33	~7%
4	240kHz	~0.29μs	-	4.17	~7%

注意：

μ=2(60kHz)是唯一支持扩展CP的配置
第一个符号的CP略长，用于容纳定时偏差
扩展CP仅用于特定场景（如大覆盖、多播MBSFN）

4.2 为什么需要更大子载波间隔？

高频段相位噪声：载波频率越高，本振相位噪声影响越大，更大SCS减少ICI影响
多普勒频移：高频段/高速移动时多普勒频移比例更大，大SCS容忍度更高
低时延需求：μ=3时隙长度0.125ms，比LTE的1ms子帧快8倍，支持URLLC

五、资源块与资源网格

5.1 资源块(Resource Block, RB)定义

NR中RB频域宽度固定为12个子载波：

$\text{RB带宽} = 12 \times \Delta f$

μ	SCS	1个RB带宽	100MHz带宽下RB数
0	15kHz	180kHz	273 RB
1	30kHz	360kHz	273 RB
2	60kHz	720kHz	135 RB
3	120kHz	1.44MHz	66 RB
4	240kHz	2.88MHz	32 RB

5.2 资源网格(Resource Grid)

graph TD
    subgraph 频域
        SC0[子载波0]
        SC1[子载波1]
        SC11[子载波11]
    end
    subgraph 时域-1个Slot
        SYM0[符号0]
        SYM1[符号1]
        SYM13[符号13]
    end
    RE[RE<br/>1符号×1子载波]
    RB[RB<br/>14符号×12子载波<br/>168RE]
    
    SC0 --- RE
    SC0 --- RB
    SC11 --- RB
    SYM0 --- RE
    SYM0 --- RB
    SYM13 --- RB

资源单元	定义
RE (Resource Element)	1个OFDM符号 × 1个子载波，最小时频单位
RB (Resource Block)	1个时隙 × 12个子载波，频域调度单位
REG (Resource Element Group)	1个OFDM符号 × 12个RE，用于控制信道映射
CCE (Control Channel Element)	6个REG = 72个RE(PDCCH)，控制信道分配单位
PRB (Physical RB)	实际物理资源块
VRB (Virtual RB)	虚拟资源块，可映射到PRB

六、BWP（Bandwidth Part, 带宽部分）

6.1 BWP概念

BWP是NR引入的重要概念：UE不需要始终工作在整个载波带宽上，网络可为UE配置一个或多个带宽子集。每个BWP对应特定numerology和带宽。

graph LR
    subgraph 整个载波带宽 100MHz
        BWP0[BWP0<br/>μ=1, 20MHz<br/>初始BWP]
        BWP1[BWP1<br/>μ=1, 40MHz<br/>大数据速率]
        BWP2[BWP2<br/>μ=3, 20MHz<br/>URLLC低时延]
    end
    style BWP0 fill:#ffaaaa
    style BWP1 fill:#aaffaa
    style BWP2 fill:#aaaaff

6.2 BWP类型与作用

BWP类型	作用
Initial BWP	初始接入使用，用于SIB1接收、随机接入
Active BWP	当前激活的BWP，UE只在激活BWP收发数据
Default BWP	数据传输结束后回退的BWP（通常较窄，省电）
Dedicated BWP	专用BWP，可为UE配置多个

BWP配置目的：

UE省电：窄带宽BWP降低基带处理功耗
UE带宽能力适配：支持不同带宽能力UE（如Cat-M1等RedCap终端）
时分复用不同numerology：同一载波不同时隙切换BWP
负载均衡：不同BWP间分配用户

6.3 BWP切换机制

RRC信令配置BWP参数集
DCI指示BWP切换（最快）
定时器超时回退到default BWP（省电）
切换过程无需RRC重建

七、时隙格式（Slot Format）

7.1 灵活的符号配置

这是NR相比LTE TDD的重大改进：

特性	LTE TDD	NR TDD
配置粒度	子帧级(1ms)	符号级(约4~67μs)
上下行方向	子帧固定D/U/S	每个符号可独立配置D/U/F
配置周期	5ms/10ms	可配置多种周期
灵活性	7种固定配置	61种预定义格式+自定义

7.2 符号类型

符号类型	标识	用途
下行符号	D	基站→UE，用于PDCCH/PDSCH
上行符号	U	UE→基站，用于PUCCH/PUSCH
灵活符号	F	可动态指示为D或U

7.3 典型时隙格式示例

graph LR
    subgraph 格式0 全下行
        D0[D]---D1[D]---D2[D]---D13[D]
    end
    subgraph 格式1 全上行
        U0[U]---U1[U]---U13[U]
    end
    subgraph 格式28 典型自包含
        DD[D D...]---FD[F F]---UU[...U U]
        style DD fill:#aaaaff
        style FD fill:#ffffaa
        style UU fill:#ffaaaa
    end

自包含时隙(self-contained slot)：一个时隙内完成下行调度→下行数据→GP→上行ACK，HARQ反馈延迟最小化，对URLLC至关重要。

7.4 上下行配置周期

NR支持通过TDD-UL-DL-ConfigurationCommon配置时隙结构：

Pattern周期P（如0.5ms/0.625ms/1ms/1.25ms/2ms/2.5ms/5ms/10ms等）
下行时隙数、下行符号数
上行时隙数、上行符号数
中间为灵活符号（可用于GP或动态调度）

八、NR与LTE帧结构对比

对比项	LTE	5G NR
无线帧长度	10ms	10ms（保持一致）
子帧长度	1ms	1ms（保持一致）
子载波间隔	固定15kHz	可配置15/30/60/120/240kHz
时隙长度	固定0.5ms	可变1ms~0.0625ms（由μ决定）
每子帧时隙数	固定2个	1/2/4/8/16个（由μ决定）
每时隙符号数	7(常规CP)/6(扩展CP)	14(常规CP)/12(扩展CP，仅μ=2)
调度周期(TTI)	1ms子帧	可基于时隙、mini-slot(2/4/7符号)
上下行配置	FDD固定/TDD 7种静态配置	符号级灵活，支持DCI动态指示
资源块频宽	固定180kHz	180/360/720/1440/2880kHz(随SCS变化)
最大带宽	20MHz	FR1:100MHz, FR2:400MHz
双工模式	FDD/TDD半静态	FDD/TDD/灵活双工/全双工(未来)
BWP概念	无	支持多个BWP动态切换
Mini-slot	无	支持(最小2符号)，URLLC关键
同步信号位置	固定在子帧0/5	SSB灵活配置在多个位置

九、Mini-slot（非时隙调度）

9.1 Mini-slot概念

NR支持比时隙更小的调度粒度：mini-slot（非时隙调度），可包含2/4/7个OFDM符号。

graph TD
    subgraph 基于时隙调度 Slot-based
        S[一个完整Slot<br/>14符号 用于一个UE]
    end
    subgraph 基于Mini-slot调度 Non-slot
        MS1[Mini-slot<br/>2符号 URLLC]
        MS2[Mini-slot<br/>4符号]
        MS3[剩余符号 eMBB]
    end
    style S fill:#aaffaa
    style MS1 fill:#ffaaaa
    style MS2 fill:#ffaaaa
    style MS3 fill:#aaffaa

9.2 Mini-slot应用场景

URLLC：低时延传输（最快1~2符号即可完成一次调度传输）
抢占传输：eMBB传输中URLLC数据到来，抢占正在传输的资源
毫米波辅助：模拟波束扫描时快速传输
非授权频谱：先听后说(LBT)后立即开始传输

十、SSB（Synchronization Signal Block）

10.1 SSB结构

SS/PBCH块由4个OFDM符号组成，是UE开机搜网、时频同步的关键：

符号	内容	子载波占用
符号0	PSS（主同步信号）	127个子载波（中心）
符号1	SSS（辅同步信号）+ PBCH DMRS	127(SSS)+PBCH
符号2	PBCH（广播信道）	240子载波(20RB)
符号3	PBCH + PBCH DMRS	240子载波

10.2 SSB Burst与波束扫描

NR支持多波束传输，SSB以burst形式发送，每个SSB对应一个波束方向：

FR1（Sub-6GHz）：最多4个或8个SSB
FR2（毫米波）：最多64个SSB

graph LR
    subgraph SSB Burst Set(5ms窗口)
        SSB0[SSB0<br/>波束0]---SSB1[SSB1<br/>波束1]---SSB2[SSB2<br/>波束2]---...---SSBN[SSBn<br/>波束n]
    end

UE检测不同SSB，选择信号最好的波束接入。

十一、物理层信道与信号速查表

信道/信号	全称	方向	功能
PDSCH	Physical Downlink Shared Channel	下行	下行用户数据、SIB(除MIB)、寻呼
PDCCH	Physical Downlink Control Channel	下行	下行控制信息(DCI)：上下行调度、功控
PBCH	Physical Broadcast Channel	下行	MIB：系统帧号、SCS、SSB偏移、初始BWP
PUSCH	Physical Uplink Shared Channel	上行	上行用户数据、UCI复用
PUCCH	Physical Uplink Control Channel	上行	UCI：ACK/NACK、CSI、SR
PRACH	Physical Random Access Channel	上行	随机接入前导(Msg1/MsgA)
PSS/SSS	Primary/Secondary Sync Signal	下行	小区搜索、时频同步、PCI获取
DMRS	Demodulation Reference Signal	上下行	信道估计、相干解调
CSI-RS	Channel State Information RS	下行	信道状态测量、波束管理
SRS	Sounding Reference Signal	上行	上行信道质量测量、波束管理
PT-RS	Phase Tracking RS	上下行	高频段相位噪声补偿

十二、关键设计思想总结

保持兼容性：10ms帧、1ms子帧框架与LTE一致，支持LTE-NR双连接(EN-DC)
灵活可扩展：多种Numerology适配从低频广域覆盖到毫米波高速率的全场景
以时隙为中心：时隙是调度基本单位，但通过BWP和Mini-slot实现更灵活资源分配
符号级灵活性：TDD符号级上下行配置，自包含时隙降低HARQ时延
原生支持低时延：Mini-slot、灵活μ值、自包含时隙共同支撑URLLC毫秒级时延
BWP省电设计：UE不用一直工作在大带宽，显著降低功耗
多波束原生设计：SSB burst支持波束扫描，适应大规模天线和高频段

参考标准：3GPP TS 38.211 (NR物理信道与调制)

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