CN1832378A - 宽带tdd系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法 - Google Patents

宽带tdd系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及宽带TDD系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,包括:将一个固定时长的子帧划分为若干个基本时隙和若干个特殊时隙,其中利用一个基本时隙下行传输小区广播或寻呼信息,用其余个基本时隙上行与下行传输业务信息;在需要提高单时隙的传输速率能力时,将部分基本时隙合并为若干扩充时隙,用扩充时隙传输与扩充时隙长度相匹配的高速业务。本发明给出TDD系统在后三代的一种发展方向,通过使用该种帧结构进行无线传输,只需改变基本时隙长度、利用基本时隙合并成不同倍的扩充时隙,和采用不同的调制方式、扩频系数,就可提供不同数据速率的业务,能同时满足系统带宽分别为5、10、20MHz时对100Mbps内各种速率数据传输能力的要求。

Description

宽带TDD系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法
技术领域
本发明涉及宽带时分双工(TDD)移动通信系统技术,更确切地说是涉及时分同步码分多址(TD-SCDMA)移动通信系统在更宽频带下工作时,使用一种高效率和高性能的帧结构实现无线传输的方法。
背景技术
目前第三代时分双工方式的移动通信系统标准(参见3GPP相关标准文件),规定了两种宽带载波的系统。一种是高码片速率(HCR)的UTRA TDD(全球陆地无线接入时分双工)系统,速率为3.84Mcps;另一种是低码片速率(LCR)的TD-SCDMA系统,速率为1.28Mcps。TD-SCDMA系统,由于使用了智能天线技术,具有频谱利用率高等优点,已经得到普遍承认,并将在未来一两年内获得广泛应用,而UTRA TDD系统,则在全世界已经基本处于产品停止开发的状态。
为了满足高密度应用环境的需要,采用“多载波时分双工移动通信系统”,在该系统中,将基站设计为多载波工作,多个载波服务于一个扇区或小区。时分双工移动通信系统由于在一个小区或扇区内使用多个载波频率,因而具有频谱使用灵活、上下行电波传播特性相同等突出优点,特别适合支持不对称业务,必然会成为后三代(Beyond 3G)移动通信系统首选的双工方式。
将时分双工技术应用于公众移动通信系统是第三代移动通信国际标准的一个创新,也正因为是一种创新性的标准,故不仅对于高码片速率的UTRA TDD系统,在无线传输技术设计上存在严重缺陷,就是对于低码片速率的TD-SCDMA系统,虽然使用了大量新技术,具有明显的优点,在其无线传输技术设计上也有不少不尽人意之处。它们的明显缺点在于:
对于高码片速率的UTRA TDD系统来说,其无线帧结构是将一10ms的帧长均匀分为15个时隙,时隙之间的保护间隔非常小,由于时隙均匀分配,因而无法支持较大半径的小区,难以实现同步CDMA;由于使用与码分多址频分双工(CDMA FDD)相同的小区搜索技术,没有考虑系统在上、下行是采用相同载波频率的问题,故在蜂窝结构的移动通信系统中无法实现小区搜索,也就是说,这种小区搜索技术只能在单小区中使用;UTRA TDD系统的帧结构限制了在系统中使用智能天线等新技术,导致频谱利用率比较低;上述问题还带来了系统成本高的缺点。
对于低码片速率TD-SCDMA系统的无线传输来说,目前中国标准对CDMA TDD(LCR)移动通信系统规定为多载波工作,如载波1、载波2、载波3,基站在分配信道时所采用的帧结构如图1所示,其帧结构由7个主时隙TS0至TS6和3个特殊时隙:下行导引时隙DwPTS、上下行保护时隙G和上行导引时隙UpPTS构成(图1中只画出下行导引时隙DwPTS),由基站对主时隙TS1至TS6进行上、下行时隙配置。由于码片速率较低,每个载波上的无线资源有限,在传输超过2Mbps以上速率的业务时,必须将多个载波组合起来使用,导致终端设备复杂,成本高;在蜂窝结构的移动通信系统中,终端可能会移动至距离3-6个基站都接近的位置处,此时,在图1所示的由每个载波所服务的每个小区中,终端在每个载波的DwPTS上都可能接收到不同码,其数量可能与基站数量相同,如3-6个不同码,造成终端在越区切换时难以处理。
上述低码片速率TD-SCDMA系统与高码片速率的UTRA TDD系统的共同缺点是:扰码长度和扩频码为16时的码长度相同,由于扰码长度太短,会造成非常大的峰值信号功率与非常差的带内幅频特性,从而导致射频部件的成本增加;没有充分考虑每小区多载波工作和蜂窝组网的有关问题;没有充分考虑数据传输速率超过2Mbps时的传输问题。
综上所述,目前第三代移动通信标准中的TOD系统,其相关技术还需要进一步发展与完善,才能满足后三代(3G后)及更长期的移动通信业务的需要。
发明内容
时分双工是一种主要的双工方式,并在第三代移动通信系统中获得应用。本发明给出此系统在后三代的一种发展方向,即在每个载波频率宽度比较宽时,一个小区或者扇区内实现单载波或者多载波工作时,使用一种高效率和高性能的帧结构进行无线传输的方法。
实现本发明目的的技术方案是:一种宽带TDD系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其将一个子帧划分为若干个基本时隙和若干个特殊时隙,利用其中一个基本时隙传输小区广播或寻呼信息,其余基本时隙传输业务信息,其特征在于:所述传输业务信息的基本时隙可以部分合并为若干个扩充时隙来进行业务传输。
进一步地,实现本发明目的的技术方案是:一种宽带TDD系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,包括:
将一个固定时长的子帧划分为N+1个基本时隙和3个特殊时隙,其中利用一个基本时隙下行传输小区广播或寻呼信息,用N个基本时隙上行传输与下行传输业务信息;在需要提高单时隙的传输速率能力时,将N个基本时隙中的若干基本时隙合并为扩充时隙,用该扩充时隙传输与扩充时隙长度相匹配的高速业务,N为正整数。
所述基本时隙或扩充时隙,包括一个中间码部分,该中间码部分用于传输链路估值和同步保持的信息,位于该中间码两边的各一个业务数据区,用于传输业务数据,和一个间隔区,用于基本时隙、扩充时隙间的保护。
所述基本时隙中的间隔区与所述扩充时隙中的间隔区具有相同的长度。
所述N+1个基本时隙中的每个基本时隙的长度可以相同也可以不相同,甚至可以让部分基本时隙的长度相同,另外一些基本时隙的长度不相同。
所述的3个特殊时隙,包括下行导引时隙DwPTS、上、下行保护时隙G和上行导引时隙UpPTS。
进一步地,本发明方法:确定N,以决定所述基本时隙长度、合并基本时隙成扩充时隙,和在不同基本时隙、扩充时隙内采用不同的调制方式、纠错编码方式与扩频系数,以提供不同传输速率及不同传输质量要求的业务的无线传输。
进一步地,本发明方法:在固定N的条件下,对应某一调制方式,调整扩频系数和组成扩充时隙的基本时隙的倍数,能同时满足系统带宽分别为5MHz、10MHz、20MHz时,系统对100Mbps内各种速率数据传输能力的要求。
所述的N=10,所述扩充时隙的长度为2至9倍基本时隙的长度。
本发明给出宽带CDMA TDD移动通信系统的一种高效率及高性能的帧结构。将一个5ms子帧分成N+1个基本时隙和3个特殊时隙。其中,一个基本时隙TS0是为小区广播或者寻呼安排的下行时隙,其后为3个特殊时隙,然后为N个供传输业务信息的N个基本时隙TS1至TSN,这N个基本时隙也可以统称为业务时隙。N为正整数,从理论上说N可任意取值,但在具体选取时,还是受限的,例如一般不超过20。这N+1个基本时隙的长度可以相同,也可以不相同,甚至可以合并成各种长度不同的扩充时隙使用,用于传输高速数据。这N个业务时隙可以安排为上行时隙,也可以安排为下行时隙。每个基本时隙或扩充时隙由4部分构成:供链路估值和同步保持的中间码、中间码两边的业务数据区、以及基本时隙与扩充时隙之间的保护间隔。基本时隙中的保护间隔与扩充时隙中的保护间隔的长度可以相同,但基本时隙中的中间码及业务数据区的长度将不同于扩充时隙中的中间码及业务数据区的长度。
使用本发明的帧结构作无线传输时,只需要改变基本时隙宽度、利用基本时隙合并成不同倍的扩充时隙,和采用不同的调制方式、扩频系数,就可在提供不同数据速率的业务。
本发明在宽带CDMA TDD移动通信系统中,使用一种高效率及高性能的帧结构进行无线传输,此帧结构和TD-SCDMA系统的帧结构类似,因而充分利用了目前第三代移动通信TDD(LCR)系统的基础技术。使用本发明的帧结构,所带来的有益效果包括以下几个方面:
可以使用多种带宽,如每载波带宽可以为5MHz、10MHz及20MHz;可满足使用各种新技术时的需要,例如除了使用在TD-SCDMA系统中已经使用的智能天线、同步CDMA、联合检测、接力切换等新技术外,还可以使用多天线收发(MIM0)技术等;可支持可变扩频系数,如扩频系数为1至64或至128;可支持可变时隙宽度,满足不同上下行业务比例的需要,如上下行比例为1∶10或者10∶1;支持长扰码,扰码长度至少为扩频系数的2至4倍;支持自适应多种调制方式,如QPSK、16QAM、64QAM等;支持多载波工作等。
总之,使用此帧结构进行无线传输,不仅可以高效率的提供各种速率的话音业务,还可以大大提高数据,特别是包交换数据的传输速率和效率,以满足三代后移动多媒体的需求。
本发明方案是对现有TD-SCDMA系统的一种重大改进与完善,本发明技术方案与目前标准的TD-SCDMA系统的技术方案相比较,本发明的帧结构在今后系统传输速率提高时,也可支持其要求,即能满足三代后高速数据传输的需要,既克服了现有帧结构的缺点,又不增加额外的成本和复杂度。
附图说明
图1是目前3GPP标准TDD系统多载波基站信道分配示意图;
图2是本发明为宽带TD-SCDMA移动通信系统的无线传输设计的帧结构示意图;
图3是本发明在每载波带宽为5MHz、10MHz及20MHz时,TDD移动通信系统的帧结构示意图;
图4是对图3中扩充时隙的结构设计示意图。
具体实施方式
本发明为宽带时分双工移动通信系统设计了一种高效率与高性能的帧结构,使用这种帧结构进行无线传输,可以满足三代后高速数据传输的需要。
参见图2,是本发明为宽带TDD系统设计的帧结构。一个Supper帧的长度为720ms,含72个无线帧,每个无线帧的长度为10ms,由2个子帧组成,每个子帧的长度是5ms。每一个5ms子帧,分为N+1个基本时隙和3个特殊时隙,其中一个基本时隙TS0是为小区广播或者寻呼安排的下行时隙,其后为3个特殊时隙:下行导引时隙(DwPTS)、上下行保护时隙G和上行导引时隙(UpPTS),然后是N个基本时隙TS1至TSN,供传输业务信息的,也可总称为业务时隙。
N+1个基本时隙的长度可以相同,也可以不相同,甚至有些相同有些不相同;N个基本时隙可以单独使用也可以合并使用;N个基本时隙可以安排为上行时隙,也可以安排为下行时隙。
当传输高速数据时,可以将多个(2个及2个以上)基本时隙合并使用,组成各种长度不同的扩充时隙。如图2中由基本时隙TS1与TS2合并成的扩充时隙。
每个基本时隙或者扩充时隙都由4个部分构成:中间码部分,供传输用于链路估值和同步保持的信息,中间码两边的业务数据区,供传输业务数据,以及基本时隙、扩充时隙之间的保护间隙区g。当存在扩充时隙时,除扩充时隙最后边的保护间隙区g可以和基本时隙中的保护间隔区g长度相同外,中间码和业务数据区的长度都将随之改变。
使用此帧结构,在提供不同数据速率的业务时,只需要改变时隙长度、调制方式、扩频系数等参数。这样,上述改变或者调整都可以用软件定义的方式来完成,使系统有很高的灵活性。当系统升级,如由带宽5MHz增加为10MHz或者20MHz时,在满足硬件平台有足够处理能力的条件下,只需要升级软件就可完成系统升级,为适应后三代发展提供了方便。
下面,结合图3、图4所示的实例详细说明本发明方案的具体应用。
图3所示是带宽为5/10/20MHz时的帧结构。第三代移动通信系统的发展方向之一就是提高每载波的传输速率,为此,必须增加每载波的带宽和频谱效率。
本发明设计了图3、图4所示的帧结构:每个5ms子帧由11个基本时隙TS0至TS10和3个特殊时隙构成,N=10。为描述简单起见,设每个基本时隙的长度相同,均为425μs。基本时隙的中间码占66.67μs,每个数据区各占175μs,保护间隙区占8.33μs。
可以利用图3所示结构构成2倍扩充时隙,以支持单时隙较高传输速率的能力,如由基本时隙TS1和TS2合并成的扩充时隙,长度为2×425μs。此2倍时隙占用850μs,其中,中间码占133.34μs,每个数据区占354.165μs,保护间隙占8.33μs,133.34+354.165+354.165+8.33=850μs。具体数据可参见图4中所示的2倍时隙结构。
还可以用图4所示结构构成9倍扩充时隙,以支持单时隙更高传输速率的能力,如用于传输包交换数据。该9倍扩充时隙占用9×425=3,825μs,其中,中间码占66.67μs,每个数据区占1,875μs,保护间隙占8.33μs,66.67+1875+1875+8.33=3,825μs。
当带宽为5MHz时,基本时隙可以这样配置:中间码为256bit,在扩频系数为16时,每码道数据区为84个符号(symbol),或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为33.6kbps,可以传输一路编码速率为12.2kbps的话音。
而每基本时隙可传输1,344个符号(symbol),或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为537.6kbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为1.0752Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为2.1504Mbps。
当将两个基本时隙合并为一个2倍扩充时隙,其配置如图4中所示,在扩频系数为16时,每码道数据区为170个符号(symbol),每基本时隙可传输2,720个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为1.088Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为2.176Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为4.352Mbps。
当将9个基本时隙合并为一个9倍扩充时隙,其配置如图4中所示,在扩频系数为16时,每码道数据区为1,028个符号,每基本时隙可传输16,448个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为6.5792Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为13.1584Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为26.3168Mbps。
当带宽为10MHz时,基本时隙可以这样配置:中间码为512bit,在扩频系数为32时,每码道数据区为84个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为33.6kbps,可以传输一路编码速率为12.2kbps的话音。而每基本时隙可传输2,688个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为1.0752Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为2.1504Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为4.3004Mbps。
当将两个基本时隙合并为一个2倍扩充时隙,该2倍时隙可以这样配置:中间码为1024bit,在扩频系数为32时,每码道数据区为170个符号,每基本时隙可传输5,440个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为2.176Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为4.352Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为8.704Mbps。
当将9个基本时隙合并为一个9倍扩充时隙,该9倍扩充时隙可以这样配置:中间码为512bit,在扩频系数为32时,每码道数据区为1,028个符号(symbol),每基本时隙可传输32,896个符号(symbol),或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为13.1584Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为26.3168Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为52.6336Mbps。
当带宽为20MHz时,基本时隙可以这样配置:中间码为1024bit,在扩频系数为64时,每码道数据区为84个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为33.6kbps,可以传输一路编码速率为12.2kbps的话音。每基本时隙可传输5,376个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为2.1504Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为4.3008Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为8.6016Mbps。
当将两个基本时隙合并为一个2倍扩充时隙时,该2倍扩充时隙可以这样配置:中间码为2048bit,在扩频系数为64时,每码道数据区为170个符号,每基本时隙可传输10,880个符号(symbol),或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为4.352Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为8.704Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为17.408Mbps。
当将9个基本时隙合并为一个9倍扩充时隙时,该9倍扩充时隙可以这样配置:中间码为1024bit,在扩频系数为64时,每码道数据区为1028个符号,每基本时隙可传输65,792个符号,或者说在QPSK调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为26.3168Mbps;在16QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为52.6336Mbps;在64QAM调制下的最大传输能力(业务数据加信令,未计纠错编码)为105.2672Mbps。
通过上述举例可以看出,当使用本发明的帧结构,并配合使用不同的基本时隙与扩充时隙长度、不同的调制方式及不同的扩频系数时,将TDD系统每信道(一个时隙中一个码道)的传输能力列在下表中,表中基本时隙的长度按N=10确定:
  业务速率   调制方式   扩频系数   时隙长度   备注
  带宽=5MHz,码片速率=3.84Mcps
  话音   QPSK   16   基本时隙   12.2kbps(R=1/3纠错编码)
  可视电话   QPSK   4   基本时隙   64kbps(R=1/3纠错编码)
  144kbps   QPSK   1   基本时隙   R=1/3纠错编码
  384kbps   16QAM   1   基本时隙   R=1/3纠错编码
  2Mbps   116QAM   1   2倍基本时隙   R=1/2纠错编码
  10Mbps   16QAM   1   9倍基本时隙   无纠错编码
  带宽=10MHz;码片速率=7.68Mcps
  话音   QPSK   32   基本时隙   12.2kbps(R=1/3纠错编码)
  可视电话   QPSK   8   基本时隙   64kbps(R=1/3纠错编码)
  144kbps   QPSK   4   基本时隙   R=1/3纠错编码
  384kbps   QPSK   1   基本时隙   R=1/3纠错编码
  2Mbps   16QAM   1   2倍基本时隙   R=1/2纠错编码
  10Mbps   16QAM   1   9倍基本时隙   R=1/2纠错编码
  20Mbps   16QAM   1   9倍基本时隙   无纠错编码
  带宽=20MHz;码片速率=15.36Mcps
  话音   QPSK   64   基本时隙   12.2kbps(R=1/3纠错编码)
  可视电话   QPSK   16   基本时隙   64kbps(R=1/3纠错编码)
  144kbps   QPSK   8   基本时隙   R=1/3纠错编码
  384kbps   QPSK   2   基本时隙   R=1/3纠错编码
  2Mbps   16QAM   1   基本时隙   R=1/3纠错编码
  10Mbps   16QAM   1   2倍基本时隙   R=1/2纠错编码
  100Mbps   64QAM   1   9倍基本时隙   无纠错编码
从上述表格所列参数可以看出,当确定N,决定所述基本时隙长度、合并基本时隙成扩充时隙,和在不同时隙内采用不同的调制方式、纠错编码方式与扩频系数,可以提供不同传输速率及不同传输质量要求的业务的无线传输;在固定N=10的条件下,通过采用调整调制方式,调整扩频系数和组成扩充时隙(基本时隙的倍数)的方法,能同时满足系统带宽分别为5MHz、10MHz、20MHz时,系统对一个时隙中一个码道传输至100Mbps时各种传输速率能力的要求。
显然,本发明方法是对TD-SCDMA系统的重大改进和提高,在不增加现有系统复杂性的前提下,大大提高了系统的数据传输速率,满足了三代后移动多媒体的需求。
本发明的方法也可以在简单修改后,使用到其它无线系统,例如无线用户环路及无线本地网(WLAN)等等系统中。

Claims (10)

1.一种宽带TDD系统使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其将一个子帧划分为若干个基本时隙和若干个特殊时隙,利用其中一个基本时隙传输小区广播或寻呼信息,其余基本时隙传输业务信息,其特征在于:所述传输业务信息的基本时隙可以部分合并为若干个扩充时隙来进行业务传输。
2.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述基本时隙或扩充时隙,包括一个中间码部分,该中间码部分用于传输链路估值和同步保持的信息,位于该中间码两边的各一个业务数据区,用于传输业务数据,和一个间隔区,用于基本时隙、扩充时隙间的保护。
3.根据权利要求2所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述基本时隙中的间隔区与所述扩充时隙中的间隔区具有相同的长度。
4.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述若干个基本时隙中的每个基本时隙的长度是相同的。
5.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述若干个基本时隙中的每个基本时隙的长度是不相同的。
6.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述若干个特殊时隙,包括下行导引时隙DwPTS、上、下行保护时隙G和上行导引时隙UpPTS。
7.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于进一步包括:确定所述基本时隙的个数,以决定所述基本时隙长度、合并基本时隙成扩充时隙,和在不同基本时隙、扩充时隙内采用不同的调制方式、纠错编码方式与扩频系数,以提供不同传输速率及不同传输质量要求的业务的无线传输。
8.根据权利要求7所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:在固定所述基本时隙个数的条件下,对应某一调制方式,调整扩频系数和组成扩充时隙的基本时隙的倍数,能同时满足系统带宽分别为5MHz、10MHz、20MHz时,系统对100Mbps内各种速率数据传输能力的要求。
9.根据权利要求1所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述基本时隙的个数为11,所述扩充时隙的长度为2至9倍基本时隙的长度。
10.根据权利要求9所述的使用高效高性能帧结构进行无线传输的方法,其特征在于:所述基本时隙的长度为425μs,其中,中间码部分的长度为66.67μs,中间码两边各一个数据区的长度为175μs,间隔区的长度为8.33μs;所述2倍基本时隙的扩充时隙的长度为850μs,其中,中间码部分的长度为133.34μs,中间码两边各一个数据区的长度为354.165μs,间隔区的长度为8.33μs;所述9倍基本时隙的扩充时隙的长度为3825μs,其中,中间码部分的长度为66.67μs,中间码两边各一个数据区的长度为1875μs,间隔区的长度为8.33μs。
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