5G NR上行控制信道PUCCH

一、PUCCH概述

• PUCCH用于承载上行控制信息，相比LTE，NR PUCCH支持5种不同的格式，按照时域上所占用的符号数量可以分为短格式和长格式两种，如下表所示，短格式占用1-2个符号，可以承载1-2bit信息，长格式占用4-14个符号，可承载大于2bit的信息。NR引入短格式PUCCH的目的是可以缩短HARQ-ACK反馈的时延，长格式仍然是考虑到持续时间长可以保证覆盖。
  
• NR中，考虑到系统配置的灵活性，所有大于等于2个符号的PUCCH都是可以配置跳频，包括时隙内和时隙间跳频。跳频时第一hop内的符号数量是，剩下的符号在第二hop内。
• PUCCH格式0 1 3 4使用的都是low-PAPR序列，可降低上行传输的峰均比。low-PAPR序列在一个基本序列的基础上通过循环移位产生（个人理解与ZC序列类似吧，没仔细研究序列的生成公式），基本序列根据序列长度的不同分为了两种情况（具体可参考协议38211中的5.2.2）。

二、PUCCH格式

PUCCH format 0

• 格式0序列生成公式如下，长为12的CGS序列，PARP较低、具有单载波特性。式中阿拉法即为循环移位，其大小由初始的循环移位和HARQ-ACK特定的循环移位共同确定。通过序列的选择承载UCI信息，即通过序列的不同循环移位表示不同的信息。不同循环移位的序列之间是正交的，所以多个UE可以选择各自的循环移位，且复用同一个RB。移位步长太长会影响多用户复用的数量，太短会影响序列检测性能，所以就存在多用户复用和性能之间的trade-off。
  
• PUCCH格式0在时域上占用1或2个符号，是短格式的PUCCH（相比LTE为一种新的格式），目的是为了降低HARQ-ACK反馈时延。在频域上占1个RB的全部12个子载波，没有DMRS。

PUCCH format 1

• 与PUCCH格式0不同的地方在于，PUCCH格式1不需要通过序列的循环移位来承载信息，序列的循环移位仅用于多用户的码分复用。PUCCH格式1要使用序列来承载1bit或2bit信息的方式为：通过把要承载的信息的调制符号与序列相乘来承载到序列上。当需要承载1bit信息时，用BPSK调制，当需要承载2bit信息时，用QPSK调，然后将调制符号与序列相乘，形成长为12的调制后序列。如果PUCCH跨多个slot调度，则每个slot调制符号都是同一个调制符号的重复。
• PUCCH格式1频域占用12个子载波，时域占用4-14个符号，是长格式PUCCH，可以配置跳频，跳频时第一hop内的符号数量是总符号数量除以2并向下取整，剩下的符号在第二hop内。
• PUCCH格式1 除了通过序列循环移位可以支持码分复用外，调制后序列还要与正交扩频码相乘，也就是还要经过扩频处理，公式如下：
  
  所以PUCCH格式1具有很强的多用户复用能力。正交扩频码和N的取值与PUCCH所占符号数量和跳频配置有关，通过下面两个表格来指示。相应的，其DMRS也需要通过扩频的方式来支持多用户复用。
  
• 对于资源映射，在UCI和DMRS映射到RE时，PUCCH格式1的UCI和DMRS间隔放置，占用的符号尽可能均分，也就是说无论是否配置了跳频，DMRS只占用PUCCH中偶数索引的OFDM符号（以第一个符号索引为0开始），否则两者中占用符号较少的部分就会承载多用户复用数量的短板，所以资源映射如下图所示：
  

PUCCH format 2

• 由于PUCCH格式2要承载的UCI信息较多，所有无法采用序列循环移位的不同来承载信息的方法，只能使用UCI+DMRS的传输方式。经过信道编码的bit序列经过加扰、调制后映射到RE上。
• PUCCH格式 2的UCI信息不进行DFT预编码，也就是说采用CP-OFDM波形，且调制方式固定采用QPSK，不采用pi/2-BPSK，这些都是因为不考虑降低PUCCH格式2的PARP需求。
• PUCCH格式2的DMRS生成公式与CP-OFDM波形的PUSCH的DMRS相同，DMRS与UCI为频分复用的方式，这个与格式1不同。PUCCH格式2频域上占用1-16个RB中的任意值，DMRS密度为3，即一个RB内有3个RE由DMRS占用，其余RE为UCI。时域上占用1或2个符号，为短PUCCH。

PUCCH formats 3

• PUCCH格式3频域占用1-16个RB中取值为2、3、5的幂次方的乘积的RB数量（这个设定是基于DFT预编码运算效率考虑），时域占用4-14个符号，为长PUCCH，DMRS与UCI为时分复用，各自占用RB内的全部子载波，这个与PUCCH格式1类似。PUCCH格式3所占资源最多，且不支持多用户复用，所以PUCCH格式3具有最强的负载能力。
• PUCCH格式3采用DFT-s-OFDM波形，为了进一步降低PARP，引入了pi/2-BPSK，具体采用pi/2-BPSK还是QPSK由高层参数指示。PUCCH格式3也不采用序列循环移位承载信息的方式，信道编码后的bit序列经过加扰、调制和DFT预编码后映射到RE。由于不支持多用户复用，所以上述过程中调制后的序列不需要进行扩频处理。
• PUCCH格式3的DMRS时域位置由PUCCH所占符号数量、是否配置了hopping以及是否配置了附加导频决定的。

PUCCH formats 4

• 与格式3不同的是，PUCCH格式4频域占用1个RB的全部12个子载波，时域与格式3相同，为4-14个符号，是长格式PUCCH，同样DMRS与UCI为时分复用，且DMRS的位置配置与格式3相同。
• 与格式3不同的是，PUCCH格式4支持码分复用，即可以多用户复用。UCI通过扩频来支持多用户复用，所以调制后序列要经过扩频处理以支持码分复用，即经过信道编码的bit序列要经过加扰、调制、块式扩频（Block-wise Spreading）和DFT预编码之后，映射到资源（块式扩频的公式如下面协议内容中给出）。而DMRS是通过序列的循环移位来实现多用户复用，所以UCI扩频时的正交序列与DMRS的循环移位之间存在预定义的关系。扩频公式如下
  
  其中
  
  

三、资源配置

1 小区级别配置

• 在RRC建立之前，UE无法获取专用的PUCCH配置，所以只能使用配置在初始上行BWP内的小区级别PUCCH配置，一旦RRC连接建立，UE有了专有PUCCH，则使用专有PUCCH。小区级别的PUCCH配置有如下特点：
• 由于此时UCI需要承载的信息很少，仅需要反馈建立RRC连接的信令的应答信息，所以只需要PUCCH格式0或格式1即可。
• 由于格式0和1通过序列循环移位来实现多用户复用，所以在指示配置参数时，除了时频域资源相关的参数外，还需要指示循环移位大小。
• 这样的若干小区级别的PUCCH resource set，每个set内包含16个resource配置，由下面IE中第一个参数指示用哪个resource set，该set为一个预定义的表格，然后通过DCI中的指示以及一个计算公式进一步确定使用该set内的哪个resource，即确定一个表格的行索引，每行都对应一套固定的配置，包括format、起始符号、持续符号、PRB偏移和循环移位索引相对应。索引计算公式和表格如下所示：
  
  其中N是CORESET内CCE的数量，n是该PDCCH的第一个CCE的索引，△是DCI内给出的PUCCH资源指示域的值。
  
  如果索引≤7时，由下两式分别确定第一hop和第二hop内的PUCCH的PRB索引：
  
  并且UE根据下式确定初始循环移位索引：
  
  如果索引≥8时，第一hop和第二hop内的PUCCH的PRB索引分别由下两式计算：
  
  并且UE根据下式确定一个初始循环移位索引：
  
  小区级别的PUCCH的参数配置如下，小区内所有UE都需要获取，所以承载在SIB1中：
  

2 UE专用配置

对于UE专用的PUCCH配置，与小区级别PUCCH只有格式0和1不同的是，格式0-4五种不同的格式都可以支持，每种格式都有各自的特点，如时频域资源、多用户复用能力等，所以在参数配置时，每种格式的参数配置不尽相同。每个UE至多配置4个resource set，第一个set内最多包含32个resource，且每个resource只能承载1-2bit的UCI信息；其余set内最多包含8个resource，且每个resource内可以承载多于2bit的UCI信息，最大数量由高层参数指示，缺省值为1706bit。

RRC连接一旦建立，高层会提供一个或多个PUCCH resource，每个resource中会包含下列参数：

• 参数pucch-ResourceId指示resource ID；
• 参数startingPRB指示第一个PRB的位置索引（如跳频则为第一hop内PRB索引）；
• 参数secondHopPRB指示跳频后第一个PRB位置索引；
• 参数intraSlotFrequencyHopping为时隙内跳频指示；
• 参数format指示PUCCH格式。

对于不同的格式，除了上述的参数外，还会有一些额外的参数需要指示

• 如果为format 0，则还要额外指示循环移位initialCyclicShift，符号数量nrofSymbols及起始符号startingSymbolIndex索引。
• 如果为format 1，除了上述参数外还是指示时域OCC，因为格式1的多用户复用能力来源于序列循环移位与时域OCC。
• 如果为format 2和3，其在频域上占用超过1个PRB，所以还要指示PRB数量nrofPRBs。
• 如果为format 4，其通过块式扩频支持多用户复用，所以还要提供一些OCC相关的参数。

一个UE至多可以配置4个PUCCH set，每个set都由参数PUCCH-ResourceSet提供，且与一个set ID对应。Set内包含由参数resourceList 提供的一系列resource。参数maxPayloadMinus1指示最大UCI信息bit数量。对于第一个set，最大UCI信息bit数量是2；其他的set所能承载的UCI信息bit的大小由参数指示。第一个set内的最大resource数量为32，其余set内最大为8.
Set的配置描述如下：

• 如果set ID为0，则指示第一set，包含1-2bit的应答信息；
• 如果set ID为1/2/3，则指示第二/三/四set，包含3-N2/3/4 bit的UCI信息，其中N2/3/4由参数maxPayloadMinus1指示，缺省值为1706；