5Gの物理層まとめ① ~フレーム構成とリソースブロックとSSB~

この記事は、5Gにおけるフレームやスロットといった物理層の基礎的な部分をまとめたメモです。

筆者の勘違い等が含まれている可能性もありますので、あいまいな点はぜひ原典を調査願います。

フレーム構造
リソースブロック
SS/PBCH block (SSB)

(2023/08/10 10:30 追記)

5Gのリソースブロックについて、時間領域は曖昧であると記載しましたが、

正しくは周波数領域のみで定義されます。LTEでは2次元の格子として表わされていたリソースブロックですが、5Gでは1次元となります。

TS38.211に書いてあった

原典：TS38.211 Physical channels and modulation

https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138200_138299/138211/16.02.00_60/ts_138211v160200p.pdf

フレーム構造

TCP/IPでいうパケットの構造みたいな基礎の部分です。

粒度が荒い順から、フレーム、サブフレーム、スロット、シンボルとなります。

ここで覚えておきたいのが、

フレーム:10ms

サブフレーム:1ms (→サブフレーム×10=1フレーム)

は常に固定で不変であることです。これに対し、サブフレーム配下は若干複雑です。

OFDMで用いられるサブキャリア間隔(SCS)の値により、スロットの個数・長さ及びシンボルの長さが変化します（ただし、1スロット=14シンボルは不変なので注意）

例えば、上図はいわゆる現在のSub6帯の5Gで主に使われている、SCS:30kHzの場合を表しています。このとき、1スロット長は0.5msとなるため、1サブフレームには計2スロットが含まれます。従って、1フレーム当たりのスロット数は20スロットとなります。

LTEではSCSは15kHz固定でしたが、5Gではこのように変化するため、注意が必要です。

ただし、スロット数が増える＝シンボル数が増えたとしても、フレーム長は10msで不変であるため、スロット数が増えれば増えるほどシンボル長が短くなり、より低遅延になることが期待されています。

若干話が変わりますが、ローカル5Gでよくいわれる準同期は、上記のSCS:30kHzで20スロットが1フレームの場合に、各スロットのUL/DL割り当てを、全国MNOと異なるパターンにし、ULを多めにしようという試みのことを指しています。

ローカル5Gの準同期にでてくる図
引用元：https://www.soumu.go.jp/main_content/000676472.pdf

リソースブロック

フレーム構造のほか、無線リソースを割り当てる単位としてよく使われるのがリソースブロックという単位です。

リソースブロック自体は、『12個の連続するサブキャリア(周波数)』で構成されます。
私も当初勘違いしていたのですが、LTEでは12個の連続するサブキャリア(周波数)×7個のOFDMシンボル(時間)の84格子をリソースブロックとしていたのですが、5Gにおいては時間領域は定義されず、周波数領域のみの単位となりました。

この周波数 - 時間を格子状のグラフにしたものが、下図(SCS:30kHZの場合)でリソースグリッドと呼ばれます。

上記の赤い部分1列がリソースブロックと呼ばれ、リソースエレメント（格子1個）から構成されます。

また、縦軸の周波数については、実際は帯域幅（例えば、sub6だと100MHzなど）近くまで伸びています。360kHzでひとつのリソースブロックが帯域幅までぎっしり埋め尽くされてるようなイメージです。

実際に帯域幅:100MHzでSCS:30kHzの場合の最大RB数はガードバンド等も考慮し、273と規定されています。したがって、下記のように赤い部分のリソースブロックが273個縦に並んでいると考えられます。

帯域幅分しきつめる
（実際は明示した赤い部分以外もすべてリソースブロックが詰まってます）

SS/PBCH block (SSB)

以降、なじみの深いローカル5Gで用いられる下記周波数構成を前提に見ていきます。

周波数	4.7GHz
帯域幅	100MHz
サブキャリア間隔(SCS)	30kHZ
RB最大数	273
1フレームあたりスロット数	20
1フレームあたりのシンボル数	280