[4G&5G专题-39]：物理层-上行控制信道PUCCH与上行控制信息UCI

目录

第1章 上行控制信道概述

1.1 PUCCH概述

1.2 上行控制信道在物理层信道中的位置

第2章 上行控制信道传输的内容

2.1 UCI：SR，Scheduling Request

2.2 UCI: HARQ ACK/NACK

2.3 UCI: CSI，Channel State Information

第3章 上行控制信道的格式Format

3.1 什么是信道格式Format

3.2  PUCCH信道的序列化编码

3.3 Format0

3.4 Format1

3.5 Format2

3.6 Format3

3.7 Format4

第4章 PUCCH信道的种类与资源分配

4.1 不同格式的RE资源

4.2 小区级上行公共控制信道

4.3 用户级上行专有控制信道

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第1章 上行控制信道概述

1.1 PUCCH概述

PUCCH，Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道。

主要携带终端UE给基站的应答信息、请求信息等物理层的控制信息。实现UE与基站之间，通过空口进行远程控制与交互。

需要注意的是：PUCCH中没有common一词，因此它具备common和dedicated的双工能力。

也就是说PUCCH不仅仅用于小区级下行公共控制信道，还用于UE级下行专有控制信道。

 

1.2 上行控制信道在物理层信道中的位置

下行控制信道PDCCH主要用来承载DCI信息和解调参考DMRS

上行控制信道PUCCH主要用来承载UCI信息和解调参考DMRS

UCI： Uplink Control Information，上行控制信息

DMRS：Demodulatin Reference Signal，解调参考DMRS

 

第2章 上行控制信道传输的内容

上行控制信道传输的内容的内容称为UCI, 主要包括以下几个方面：

• UCI：SR，Scheduling Request，上行调度请求
• UCI: HARQ ACK/NACK，混合自动重传请求
• UCI: CSI，Channel State Information，状态指示。

相比于下行控制信道PDCCH，PUCCH要承载的内容还是相当简单的。

 

2.1 UCI：SR，Scheduling Request

（1）什么是SR

SR，全称Scheduling Request，即调度请求，是UE向网络侧基站申请资源，用于新数据传输的一种方式。

SR用于UE向基站请求基站分配上行UL-SCH信道资源。

UL-SCH称为上行共享信道，是空口实现多路复用数据传输的信道。终端如果有上行数据需要传输，需要预先向基站申请UL-SCH信道的资源。

SR属于物理层的信息，UE发送SR调度请求这个行为，可以通过PUCCH控制信道传输。

基站成功解码到某个UE的SR请求之后，可能会通过下行控制信道PDCCH下发DCI0给该UE，指示分配的RB资源。

但不能保证网侧每次都会分配RB。有些时候虽然UE发送了SR信号，但基站并没有解码到。

UE发出了SR信号后，不要期望基站一定会在接下来的某个时刻分配RB资源，很多时候，UE为了得到上行RB资源，是需要多次发送SR申请的。

（2）SR发送的时机

当UE已经组装了一个MAC层的PDU，且无PUSCH上行共享信道资源可用时，则先通过PUCCH向基站申请PUSCH资源，基站在许可的情况下，会通过PDCCH信道发送DCI0，通知终端UE，已经分配的PUSCH信道资源。

但如果已经有足够的PUSCH上行共享信道资源,就无需要通过PUCCH发送SR调度请求了，直接通过分配的PUSCH信道时频资源发送上行数据。

 

2.2 UCI: HARQ ACK/NACK

HARQ ACK/NACK对在PD-SCH上发送的下行数据进行物理层的HARQ确认。

HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 称为混合自动重传请求，是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。

HARQ的基本原理如下：

• 在发送端，使用能够进行纠错的物理层编码。

• 在接收端，使用FEC技术纠正所有错误中能够纠正的那一部分。

• 对纠错后的数据，再通过错误检测判断不能纠正错误的数据包。

• 丢弃不能纠错的数据包，向发射端请求重新发送相同的数据包。

重传是不需要通过SR申请资源的，因为：如果是自适应重传，网络测基站会主动下发DCI0配置上行资源；如果是非自适应重传，UE直接使用上一次的RB资源。

 

2.3 UCI: CSI，Channel State Information

CSI用于UE告诉基站，其收到的下行无线信号的信道质量等，以帮助基站进行下行调度。包括

• CQI：CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示
• PMI：Precoding Matrix Indicator;预编码矩阵指示
• RI：RI：rank indication, MIMO秩指示 

 

（1）CQI：CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示。

什么是CQI：

CQI由UE测量收到的基站信号所得，因此，CQI一般指的是下行信道质量。

基站根据CQI信息选择合适的调度算法和下行数据块大小，以保证UE在不同的无线环境下获取最佳的下行性能。

 

引入CQI的原因

PDSCH支持多种编码方式：QPSK、16QAM及64QAM等，不同的编码方式，携带的比特数据量不同，但所需要的信道条件也不相同，编码方式越高（QPSK<16QAM<64QAM），信道条件要求就越高。

由于下行调度是由基站决定的，而基站作为发射端，并不知道下行信道质量的好坏。就比如一个人在讲话时，听不听得清楚是有听众感知的。

因此信道质量的好坏也是由UE来衡量的。基站决定要采用何种编码方式，就需要UE来反馈这个信道质量的好坏。

 

信道质量的标识方法：

LTE协议将信道质量的好坏量化成了0~15的序列（4个bit来承载），并定义为CQI。

 

CQI的选取标准：

CQI 值由UE测量并上报。

LTE规范中没有明确定义CQI的测量方式，只定义了CQI的选取准则，即保证PDSCH的解码错误率（即BLER）小于10%所使用的CQI值。也就是说，UE 需要根据测量结果（比如SINR）评估下行链路特性，并采用内部算法确定此SINR 条件下所能获取的BLER值，并根据BLER<10%的限制，上报对应的CQI值。

 

CQI取值及其对应的编码方式

 

（2）RI：rank indication, MIMO秩指示 

RI用来指示PDSCH的有效的数据层数。

RI用来告诉基站，UE现在可以支持的MIMO的层数，并通过CW（Code Word码字）数来指示。

只有当RI> 1，空间复用可被支持。对于空间复用，CQI是基于每码字对应的层来报告。

 

（3）PMI：

PMI： Precoding Matrix Indicator;预编码矩阵指示

PMI用来指示码本集合的index。

不同的index，预编码矩阵支持的层数以及矩阵的系数是不相同的。

 

第3章 上行控制信道的格式Format

3.1 什么是信道格式Format

所谓信道格式，是指该信道时域上占用多少个符号、频域上占用多少子载波、通过什么编码方式承载要传输的比特数的一种约定。

（1）不同Format选项的区别：

• （1）产生二进制序列的函数和参数不完全相同
• （2）时域上占用多少个符号不完全相同
• （3）频域上占用多少子载波不完全相同
• （4）DMRS解调参考信号与UCI的关系

 

（2）5G NR支持5种格式：

• 格式0： 时域上占用1-2个符号周期，信道传输的比特数<=2.
• 格式1： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数<=2.
• 格式2： 时域上占用1-2个符号周期，信道传输的比特数>2.
• 格式3： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数>2.
• 格式4： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数>2.

 

（3）不同格式区别

主格式还可以进一步细分为子格式，以LTE的PUCCH信道为例：

• 不同格式的调试解调方式不同
• 不同格式通过每个1ms子帧，承载的bit数目不同
• 不同格式用于承载的UCI信息不同。

 

3.2  PUCCH信道的序列化编码

PUCCH信道使用特定的二进制序列表示0或1，而不是直接进行PQSK调制，这就是物理层编码，有点类似“扩频编码”。

PUCCH信道采用循环移位的方式产生特定的二进制序列，二进制序列的输入是UCI和相关的循环序列的生成参数。

通过不同的循环序列表示不同的信息，不同的循环序列之间是正交的，所以多个UE可以选择各自的循环移位，且复用同一个RB。

如果移位步长太短会影响多用户复用的数量，太长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平衡（trade-off）。

 

3.3 Format0

（1）占用的时频资源

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。

（2）序列生成公式

序列生成公式如下：

序列长为12bit的CS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。

 

3.4 Format1

（1）与Fomat0的区别

• 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。

（2）Format1的编码与调试方法

• 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。

（3）时频资源使用情况

• 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。

（4）循环序列

• PUCCH格式1 通过序列循环移位代表要传输的信息，然后再进行xPSK调制，可以支持码分复用。

（5）扩频过程

• 调制后的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：
  

经过循环序列和扩频两个编码过程，使得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。

 

（6）时频资源RE的映射关系

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。

 

3.5 Format2

（1）Format2的编码与调试方法

• 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序列来承载信息的方法，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。

（2）DMRS生成公式

• 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。

 

3.6 Format3

• 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。

 

3.7 Format4

• 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。
• 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）。
• 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

 

第4章 PUCCH信道的种类与资源分配

4.1 不同格式的RE资源

4.2 小区级上行公共控制信道

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。

4.3 用户级上行专有控制信道

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；