5GNR学习笔记理论v10.docx

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5GNR学习笔记理论v10

5GNR总体架构与物理层

1NR总体架构与功能划分

1.1总体架构

NG-RAN节点包含两种类型：

gNB：

提供NR用户平面和控制平面协议和功能

ng-eNB：

提供E-UTRA用户平面和控制平面协议和功能

gNB与ng-eNB之间通过Xn接口连接，gNB/ng-eNB通过NG-C接口与AMF（AccessandMobiityManagementFunction）连接，通过NG-U接口与UPF（UserPaneFunction）连接。

5G总体架构如下图所示，NG-RAN表示无线接入网，5GC表示核心网。

1.2功能划分

5G网络的功能划分如下图所示。

NG-RAN包含gNB或ng-eNB节点，5G-C一共包含三个功能模块：

AMF，UPF和SMF（SessionManagementFunction）。

1.2.1gNB/ng-eNB

小区间无限资源管理InterCellRadioResouRLCeManagement（RRM）

无线承载控制RadioBear（RB）Contro

连接移动性控制ConnectionMobiityContro

测量配置与规定MeasurementConfigurationandProvision

动态资源分配DynamicResouRLCeAocation

1.2.2AMF

NAS安全Non-AccessStratum（NAS）Security

空闲模式下移动性管理IdeStateMobiityHanding

1.2.3UPF

移动性锚点管理MobiityAnchoring

PDU处理（与Internet连接）PDUHanding

1.2.4SMF

用户IP地址分配UEIPAddressAocation

PDUSession控制

1.3网络接口

1.3.1NG接口

NG-U接口用于连接NG-RAN与UPF，其协议栈如下图所示。

协议栈底层采用UDP、IP协议，提供非保证的数据交付。

NG-C接口用于连接NG-RAN与AMF，其协议栈如下图所示。

在传输中，IP协议为信令提供点对点传输服务。

SCTP保证信令的可靠交付。

NG-C接口有以下功能：

NG接口管理

UE上下文管理

UE移动性管理

NAS信令传输

寻呼

PDUSession管理

更换配置

警告信息传输

1.3.2Xn接口

Xn-U接口用于连接两个NG-RAN节点。

Xn-U接口协议栈如下图所示。

GTP-U基于UDP、IP网络之上，为数据提供非保证服务。

Xn-U主要包含两个功能：

数据转发

流控制

Xn-C接口用于连接两个NG-RAN节点。

IP协议为信令提供点对点传输，SCTP为信令提供可靠交付。

Xn-C接口主要包含以下功能：

Xn接口管理

UE移动性管理，包括上下文传输和寻呼等

双链接

1.4无线协议栈

NR无线协议栈分为两个平面：

用户面和控制面。

用户面（UserPane,UP）协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面（ControPane,CP）协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。

NR用户面和控制面协议栈稍有不同，下面详细介绍。

1.4.1用户面

NR用户平面相比LTE协议栈多了一层SDAP层，用户面协议从上到下依次是：

SDAP层：

ServiceDataAdaptationProtoco

PDCP层：

PacketDataConvergenceProtoco

RLC层：

RadioinkContro

MAC层：

MediumAccessContro

PHY层：

Physica

1.4.2控制面

NR控制面协议几乎与LTE协议栈一模一样，从上到下依次为：

NAS层：

Non-AccessStratum

RRC层：

RadioResouceContro

PDCP层：

PacketDataConvergenceProtoco

RLC层：

RadioinkContro

MAC层：

MediumAccessContro

PHY层：

Physica

UE所有的协议栈都位于UE内；而在网络侧，NAS层不位于基站gNB上，而是在核心网的AMF（AccessandMobiityManagementFunction）实体上。

还有一点需要强调的是，控制面协议栈不包含SDAP层。

2物理层

2.1波形、子载波&CP配置和帧结构

NR系统下行传输采用带循环前缀的（CP）的OFDM波形；上行传输可以采用基于DFT预编码的OFDM波形，也可以与下行传输一样，采用带CP的OFDM波形。

NR与LTE系统都基于OFDM传输。

两者主要有两点不同：

1.LTE只支持一种子载波间隔15KHz，而NR目前支持5种子载波间隔配置，LTE一个常规子帧固定为两个时隙，一个时隙内固定7个符号；

2.LTE上行采用基于DFT预编码的CP-BasedOFDM，而NR上行可以采用基于DFT预编码的CP-BasedOFDM，也可以采用不带DFT的CP-BasedOFDM。

：

5GNR的基本时间单位。

其中

，

信道最大傅里叶变换的点数

:

无线帧长度；值为10ms。

NR支持的载波间隔、CP类型、对数据信道的支持如下表所示。

NR一共支持5种子载波间隔配置：

15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz。

一共有两种CP类型，Norma和Extended（扩展型）。

扩展型CP只能用在子载波间隔为60KHz的配置下。

相对应的，LTE的符号长度为66.7us（不包括CP），NR可以为66.67us,33.33us,16.67us,8.33us,4.17us。

其中，子载波间隔为15KHz、30KHz、60KHz和120KHz可用于数据传输信道；而15KHz、30KHz、120KHz和240KHz子载波间隔可以用于同步信道。

NR中连续的12个子载波称为物理资源块（PRB），在一个载波中最大支持275个PRB，即275*12=3300个子载波。

上下行中一个帧的时长固定为10ms，每个帧包含10个子帧，即每个子帧固定为1ms。

同时，每个帧分为两个半帧（5ms）。

第一个半帧长5ms、包含子帧#0~#4，第二个半帧长5ms、包含子帧#5~#9；这部分的结构是固定不变的。

可变的部分是每个子帧包含的符号数，由于子载波间隔是可变的，子载波间隔越大则每个符号的长度越短，而子帧长度是固定为1ms的，所以子载波间隔越大则一个子帧所包含的符号越多，计算公式为：

=

每个子帧包含若干个时隙，每个时隙固定包含14个OFDM符号（如果是扩展CP，则对应12个OFDM符号）。

因为每个子帧固定为1ms，所以对应不同子载波间隔配置，每个子帧包含的时隙数是不同的。

具体的个数关系如下表所示。

[下表相比之前表格多了一个u=5项，但在Re-15中并不使用此选项]

NR的传输单位（TTI）为1个时隙。

如上所述，对于常规CP，1个时隙对应14个OFDM符号；对于扩展CP，1个时隙包含12个OFDM符号。

NR的一个subframe（1ms）内可以包含多个slot，其配置如下表（这里列出normalCP的情况）：

注：

NR中RE（Resourceelement）依然为频域上一个子载波与时域上一个符号的面积。

这里我们假设RE是个长方形，随着u增大，长方形的宽加倍，长减半，面积不变。

也就是说不同u值下，一个RE所占用的时频域资源面积是不变的。

NR的一个subframe（1ms）内可以包含多个slot，其配置如下表（这里列出extendedCP的情况）：

由于子载波间隔越大，对应时域OFDM符号越短，则1个时隙的时长也就越短。

所以子载波间隔越大，TTI越短，空口传输时延越低，当然对系统的要求也就越高。

子载波的间隔最后协议定位15KHz~240KHz，为什么不能小于15KHz或大于240KHz呢？

相位噪声和多普勒效应决定了子载波间隔的最小值，而循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值。

我们当然希望子载波间隔越小越好，这样在带宽相同的情况下，能够传输更多的数据。

但如果子载波间隔太小，相位噪声会产生过高的信号误差，而消除这种相位噪声会对本地晶振提出过高要求。

如果子载波间隔太小，物理层性能也容易受多普勒频偏的干扰；如果子载波间隔的设置过大，OFDM符号中的CP的持续时间就越短。

设计CP的目的是尽可能消除时延扩展（delayspread），从而克服多径干扰的消极影响。

CP的持续时间必须大于信道的时延扩展，否则就起不到克服多径干扰的作用。

因此选择15KHz~240KHz都是技术和实现成本等一系列综合考虑的折中结果。

2.2带宽频点

在NR中，3GPP主要指定了两个频点范围。

一个是我们通常称为Sub6GHz，另一个是我们通常称为毫米波（MiimeterWave）。

Sub6GHz称为FR1，毫米波称为FR2。

FR1和FR2具体的频率范围如下表所示：

对于不同的频点范围，系统的带宽和子载波间隔都所有不同。

在Sub6GHz，系统最大的带宽为100MHz而在毫米波中最大的带宽为400MHz。

子载波间隔15KHz和30KHz只能用在Sub6GHz，而120KHz子载波间隔只能用在毫米波中，60KHz子载波间隔可以同时在Sub6GHz和毫米波中使用

2.3物理层下行链路

2.3.1PDSCH

PhysicaDowninkSharedChanne/下行共享物理信道

PDSCH处理流程

1.传输块CRLC添加（如果传输块长度大于3824，则添加24bitCRLC；否则添加16bitCRLC）

2.传输块分段，各段添加CRLC（24bit）

3.信道编码：

LDPC编码（低密度奇偶校验码）

4.物理层HARQ处理，速率匹配

5.比特交织

6.调制：

QPSK,16QAM,64QAM和256QAM

7.映射到分配的资源和天线端口

PDSCH处理模型如下图所示：

PDSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的Graph：

Graph1或Graph2。

Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。

Graph的选择规则如下（A为码块长度，R为码率）：

1.如果A<=292；或者A<=3824并且R<=0.67；或者R<=0.25，选择Graph2

2.其他情况选择Graph1.

2.3.2PDCCH

PhysicaDowninkControChanne/下行控制物理信道

物理下行控制信道（PhysicaDowninkControChanne，PDCCH）用于调度下行的PDSCH传输和上行的PUSCH传输。

采用Polar码（极化码）信道编码方式，调制方式固定为QPSK。

PDCCH上传输的信息称为DCI（DowninkControInformation），包含Format0_0，Format0_1，Format1_0，Format1_1，Format2_0，Format2_1，Format2_2和Format2_3共8中DCI格式。

1.Format0_0用于同一个小区内PUSCH调度

2.Format0_1用于同一个小区内PUSCH调度

3.Format1_0用于同一个小区内PDSCH调度

4.Format1_1用于同一个小区内PDSCH调度

5.Format2_0用于指示Solt格式

6.Format2_1用于指示UE那些它认为没有数据的PRB（s）andOFDM符号（防止UE忽略）

7.Format2_2用于传输TPC（TransmissionPowerContro）指令给PUCCH和PUSCH

8.Format2_3用于传输给SRS信号的TPC，同时可以携带SRS请求

一个PDCCH只能有一种格式的DCI，1个下行子帧上可以发送多个PDCCH，上下行DCI都是通过下行PDCCH发送给UE。

注：

Polar码的理论基础就是信道极化。

信道极化包括信道组合和信道分解部分。

当组合信道的数目趋于无穷大时，则会出现极化现象：

一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道，这种现象就是信道极化现象。

无噪信道的传输速率将会达到信道容量I（W），而全噪信道的传输速率趋于零。

Polar码的编码策略正是应用了这种现象的特性，利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。

CCE与聚合度

PDCCH的逻辑资源组成单元是CCE，1个CCE对应PRB上的6个REG。

一个PDCCH由n个连续CCE组成，n称为聚合度（AggregationLevel），n￠{1,2,4,8,16}。

PDCCH的起始CCEIndexi：

满足imodn=0。

5GNRCORESET和SearchSpace

PDCCHSearchSpace指示哪些下行资源块可能承载PDCCH，UE通过盲检搜索空间尝试解码PDCCH中的DCI。

在LTE中，只有搜索空间这个概念，并没有CORESET这个概念。

下面简单分析下为什么要在NR中引入CORESET这个概念。

　　在LTE系统中，PDCCH在频域上占据整个频段，时域上占据每个子帧的前1-3个OFDM符号（起始位置固定为#0号OFDM符号）。

也就是说，系统只需要通知UEPDCCH占据的OFDM符号数，UE便能确定PDCCH的搜索空间。

　　而在NR系统中，由于系统的带宽（最大可以为400MHz）较大，如果PDCCH依然占据整个带宽，不仅浪费资源，盲检复杂度也大。

此外，为了增加系统灵活性，PDCCH在时域上的起始位置也可配置。

　　也就是说在NR系统中，UE要知道PDCCH在频域上的位置和时域上的位置才能成功解码PDCCH。

为了方便，NR系统将PDCCH频域上占据的频段&时域上占用的OFDM符号数等信息封装在CORESET中；将PDCCH起始OFDM符号编号以及PDCCH监测周期等信息封装在SearchSpace中。

CORESET在频域上有

个RB，在时域上有

个symbol组成。

RRC层ControlResourceSet IE中给出了具体配置。

·ControlResourceSetId：

CoreSetID

·frequencyDomainResources：

CORESET频域资源，BITSTRING（SIZE（45））

·duration：

CORESET连续符号数，取值范围在{1,2,3}

·cce-REG-MappingType：

可以配置为交织映射或非交织映射方式

·precoderGranularity：

指示DMRS的预编码粒度是宽带预编码还是窄带预编码

下图举例讲解CCE-REG-Mapping方法（Non-interleaved）

2.3.3PSS/SSS/PBCH

PhysicaBroadcastChanne/广播物理信道

SSBlock（SSB）指的是SynchronizationSignalBlock，实际上指Synchronization/PBCHblock因为同步信号和PBCH信道一直是打包在一起的.SSB包括两个部分：

SynchronizationSignal:

PSS（PrimarySynchronizationSignal）,SSS（SecondarySynchronizationSignal）

PBCH:

PBCHDMRSandPBCH（Data）

NR包含两种同步信号：

主同步信号（PrimarySynchronizationSigna，PSS）和辅同步信号（SecondarySynchronizationSigna,SSS）。

PSS和SSS信号各自占用127个子载波。

PBCH信号横跨3个OFDM符号和240个子载波，其中有一个OFDM符号中间127个子载波被SSS信号占用。

1、SS/PBCH占4个OFDMsymbol，包括240个连续子载波（编号0-239），即20个RB。

2、UE可以设置RE为0。

3、有两类SS/PBCH：

TypeA和TypeB

时频位置如下图

NR系统中一共定义了1008个小区ID：

。

即336个小区组ID，每个小区组由3个组内小区组成。

PSS信号产生时需要利用小区组内ID，产生公式如下图所示：

SSS信号产生时需要小区组ID和小区组内ID，产生公式如下图所示：

为了形象表示表格中时频资源，见下图。

PBCHDMRS是随着小区ID变化的：

PBCH信道编码方式为Polar编码，调制方式为QPSK。

PBCH物理层处理模型如下图所示：

2.4物理层上行链路

2.4.1传输方案

NR上行包含两种传输方案：

基于码本的传输和非码本传输。

基于码本的传输：

gNB在DCI携带一个预编码矩阵指示PMI（PrecodingMatrixIndicator）。

UE使用PMI指示的矩阵对PUSCH进行预编码。

对于非码本传输，UE根据DCI中的SRI确定对应的预编码矩阵。

2.4.2PUSCH

PhysicaUpinkSharedChanne/上行共享物理信道

PUSCH的处理流程如下图所示：

传输块添加CRLC（TBS大于3824时添加24bitCRLC；否则添加16bitCRLC）

1.码块分段及各段CRLC添加

2.信道编码：

LDPC编码

3.比特级交织

4.调制方式：

Pi/2BPSK（仅当进行TransformPrecoding时可采用）,QPSK,16QAM,64QAM和256QAM

5.层映射，TransformPrecoding（需上层配置确定是否进行），预编码

6.映射到相应的资源和天线端口

PUSCH处理模型如下图所示：

PUSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的Graph：

Graph1或Graph2。

Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。

Graph的选择规则如下（A为码块长度，R为码率）：

1.如果A<=292；或者A<=3824并且R<=0.67；或者R<=0.25，选择Graph2

２.其他情况选择Graph1.

2.4.3PUCCH

PhysicaUpinkControChanne/上行控制物理信道

PUCCH携带上行控制信息（UpinkControInformation，UCI）从UE发送给gNB。

根据PUCCH的持续时间和UCI的大小，一共有5种格式的PUCCH格式：

1.格式1：

1-2个OFDM，携带最多2bit信息，复用在同一个PRB上

2.格式2：

1-2个OFDM，携带超过3bit信息，复用在同一个PRB上

3.格式3：

4-14个OFDM，携带最多2bit信息，复用在同一个PRB上

4.格式4：

4-14个OFDM，携带中等大小信息，可能复用在同一个PRB上

5.格式5：

4-14个OFDM，携带大量信息，无法复用在同一个PRB上

不同格式的PUCCH携带不同的信息，对应的底层处理也有所差异，此处不展开介绍。

UCI携带的信息如下：

1.CSI（ChanneStateInformation）

2.ACK/NACK

3.调度请求（ScheduingRequest）

PUCCH大部分情况下都采用QPSK调制方式，当PUCCH占用4-14个OFDM且只包含1bit信息时，采用BPSK调制方式。

PUCCH的编码方式也比较丰富，当只携带1bit信息时，采用Repetitioncode（重复码）；当携带2bit信息时，采用Simpexcode；当携带信息为3-11bit时，采用ReedMuercode；当携带信息大于11bit时，采用的便是著名的Polar编码方式。

2.4.4PRACH

PhysicaRandomAccessChanne/随机接入信道

NR支持两种长度的随机接入（RandomAccess）前缀。

长前缀长度为839，可以运用在1.25KHz和5KHz子载波间隔上；短前缀长度为139，可以运用在15KHz，30KHz，60KHz和120KHz子载波间隔上。

长前缀支持基于竞争的随机接入和非竞争的随机接入；而短前缀只能在非竞争随机接入中使用。

5GNRReferenceSigna（参考信号）

NR中参考信号变化

没有CRS（CeSpecificReferenceSigna）

新增PhaseTrackingReferenceSigna,PBCHReferenceSigna,Time/FrequencyTrackingReferenceSigna

ReferenceSignaist

CSI-RS:

ChanneStateInformationReferenceSignal，信道状态参考信号。

无线信道条件可能不断变化，UE需要将其看到的下行信道条件通过CSI反馈给eNodeB，以便eNodeB在下行调度时将信道质量考虑在内。

CSI通过PUCCH或者PUSCH传输.

不同于4GLTE，5GNR不使用Ce-specificRSs（CRS）；所有的RS都是UE-specificRSs。

4GLTE只在上行链路使用DMRS，但是由于5GNR没有CRS，因此其下行链路也需要用到DMRS。

PT-RS用于校正由于晶振相位误差引起的干扰。

CSI-RS用于获取下行链路的CSI（channe-stateinformation）信息；同一个无线资源单位上，不会同时传输CSI-RS和DMRS。

DM-RS：

Demoduationreferencesignas/解调参考信号

PT-RS：

Phase-trackingreferencesignas/位相跟踪参考信号

SRS：

Soundingreferencesigna/探测参考信号

CSI-RS：

Channe-stateinformationreferencesigna/信道状态信息参考信号

PSS：

Primarysynchronizationsigna/主同步信号

SSS：

Secondarysynchronizationsigna/辅同步信号

2.5传输信道

传输信道描述“信息该怎么传输”这个特性，下面我们会提到逻辑信道描述的则是“传输的是什么信息”。

每个传输信道规定了信息的传输特性。

下行传输信道包括：

1.　广播信道（BroadcastChanne,BCH）

　固定的，预先定义好的传输格式

　在整个小区中广播

2.下行共享信道（DowninkSharedChanne，D-SCH）

　支持HARQ

　支持链路动态自适应，包括调整编码、调制方式和功率等

　支持在整个小区中广播

　可以使用波束赋形

　UE支持非连续性接收（为了节能）

3.　寻呼信道（PagingChanne,PCH）

　UE支持非连续性接收（为了节能）

　需要在整个小区中广播

　映射到物理资源上（可能会动态地被其他业务和控制信道占用）

上行传输信道包括：

1.　上行共享信道（UpinkSharedChanne，U-SCH）

　可以使用波束赋形