5G无线技术基础自学系列 | 5G NR和LTE信道结构比较

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信道就是信息处理的流水线。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撑的关系。彼此必须有清晰的工作界面，避免相互推诿、互相扯皮，避免出现像人和人之间在协作过程中常犯的错误那样。不同的信息类型需要经过不同的处理过程。上一道工序把自己处理完的信息交给下一道工序时，要有一个双方都认可的标准，这个标准就是业务接入点（Service Access Point，SAP）。协议的层与层之间要有许多这样的业务接入点，以便接收不同类别的信息。狭义地讲，不同协议层之间的业务接入点（SAP）就是信道。这时，信道的含义就是下一层向它的上层提供服务的标准接口，即业务接入点SAP。

广义地讲，发射端的信源信息，经过层3、层2和物理层的处理，发射到无线环境中，然后接收端接收到无线信息，经过物理层、层2和层3的处理被用户高层所识别的全部环节，就是信道。

和LTE相比，3GPP R15版本的5G NR信道结构改变不大。从5G NR的信道结构中，可看到LTE信道结构的影子。

11.1.1 三类信道、两个方向

5G NR采用和LTE相同的三类信道：逻辑信道、传输信道与物理信道。从协议栈的角度来看，逻辑信道是MAC层的服务接入点，传输信道是物理层和MAC层之间的服务接入点，物理信道是物理层的信息传送通道，用来把TB块的数据流通过射频通道发送到空中，或者从空中接收射频信号，把它还原成TB块的数据流，如图11-2所示。

图11-2 无线信道结构

MAC层一般包括很多功能模块，如传输调度模块、传输块（TB）产生模块等。与MAC层强相关的信道有传输信道与逻辑信道。传输信道是物理层提供给MAC层的服务，MAC层用于利用传输信道向物理层发送与接收数据；而逻辑信道则是MAC层向高层提供的服务，高层可以使用逻辑信道向MAC层发送或从MAC层接收数据。经过MAC层处理的消息向上传给高层的业务接入点，要变成逻辑信道的消息；向下传送到物理层的业务接入点（SAP），要变成传输信道的消息。

信道按照信息传送的方向可分为上行信道和下行信道。上下行信道均是以基站为参考的。上行信道是终端发送信号，基站接收信号的通道；下行信道是基站发送信号，终端接收信号的通道。上下行的区分不是按照终端和基站的地理高度来区分的。有同学认为，5G无人机飞在空中，搭载的摄像头摄取的视频资料要发送给基站，基站在下方，那么这个信号发送的方向是下行，这是典型的概念错误。从无人机的摄像头发往5G基站的信号，属于上行信号，所走的信道是上行信道。如图11-3所示。

图11-3 无人机利用上行信道发送上行信号

11.1.2 5G NR逻辑信道

逻辑信道关注的是传输什么内容，什么类别的信息。信息首先要分为两种类型：控制消息（控制平面的信令，负责工作协调，如广播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。逻辑信道是高层信息传送到MAC层的服务接入点。

根据传送消息的类型不同，逻辑信道分为两类：控制信道、业务信道。控制信道，只用于控制平面信息的传送，如协调、管理、控制类信息。业务信道，只用于用户平面信息的传送，如高层交给底层传送的语音类、数据类的数据包。

5G NR的逻辑信道中，控制信道有4个，业务信道有1个。

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）是广而告之的消息入口，面向辖区内的所有用户发送广播控制信息。BCCH是网络到用户的一个下行信道，它传送的信息是在用户实际工作开始之前获取的一些必要的信息。它是协调用户行为、控制用户行为、管理用户行为的重要信息。虽不干业务上的活，但没有它，业务信道就不知道如何开始工作，如何下手。

寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）是寻人启事类消息的入口。当有下行数据到达，却不知道用户具体处在哪个小区的时候，需要发送寻呼信息。PCCH也是一个网络到用户的下行信道，一般用于被叫流程（主叫流程比被叫流程少一个寻呼消息）。

公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）类似于主管和员工之间协调工作时信息交互的入口，用于多人干活时协调彼此动作的信息渠道。CCCH是上、下行双向和点对多点的控制信息传送信道，在UE和网络没有建立RRC连接的时候使用。

专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）类似于领导和某个亲信之间面授机宜的信息入口，是两个建立了亲密关系的人干活时，协调彼此动作的信息渠道。DCCH是上、下行双向和点到点的控制信息传送信道，在UE和网络建立了RRC连接以后使用。

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）是待搬运货物的入口，这个入口按照控制信道的命令或指示，把货物从这里搬到那里，或者从那里搬到这里。DTCH是UE和网络之间的点对点和上、下行双向的业务数据传送渠道。

5G NR和LTE定义的逻辑信道有相同的，也有不同的，如表11-1所示。对于BCCH、PCCH、CCCH、DCCH这4个控制信道，DTCH业务信道是二者都有的；控制信道MCCH、业务信道MTCH是LTE中为了支持MBMS而设立的逻辑信道，在5G NR中暂没有定义。逻辑信道都支持下行方向的信息传送，但上行方向，只有2个控制信道（CCCH、DCCH）和1个业务信道（DTCH）支撑。

表11-1 5G NR和LTE的逻辑信道对比

11.1.3 5G NR传输信道

传输信道关注的是怎样传以及形成什么样的传输块（TB）。不同类型的传输信道对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，如调制编码方式、交织方式、冗余校验的方式、空间复用方式等内容。

传输信道定义了空中接口中数据传输的方式和特性。传输信道可以配置物理层的很多实现细节，同时物理层可以通过传输信道为MAC层提供服务。值得注意的是，传输信道关注的不是传什么，而是怎么传。

5G NR的传输信道分为上行信道和下行信道。其中有一个共享信道（Shared Channel，SCH），可以让多个用户共同占用，也可进行信道资源的动态调度；共享信道支持上、下行两个方向。为了区别，将SCH分为DL-SCH（下行SCH）和UL-SCH（上行SCH）。其他信道所有用户均可使用，是按照一定规则分配、使用非共享模式来占用公共信道资源。

5G NR的下行传输信道有3个。

1）广播信道（Broadcast Channel，BCH），为广而告之消息规定了预先定义好的固定格式、固定调制编码方式。BCH是在整个小区内发射的、固定传输格式的下行传输信道，用于给小区内的所有用户广播特定的系统信息。

在5G NR和LTE中，只有广播信道中的MIB（Master Information Block，主系统信息块）在专属的传输信道（BCH）上传输，其他的广播消息，如SIB（System Information Block，系统信息块）都是在下行共享信道（DL-SCH）上传输的。

2）寻呼信道（Paging Channel，PCH）规定了寻人启事传输的格式，在将寻人启事贴在公告栏之前（映射到物理信道之前），要确定寻人启事的措辞、发布间隔等内容。PCH是在整个小区内进行发送寻呼信息的一个下行传输信道。为了减少UE的耗电，UE支持寻呼消息的非连续接收（DRX）。

3）下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH），规定了待搬运货物的传送格式。DL-SCH是传送业务数据的下行共享信道，支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

5G NR的上行传输信道有2个。

1）随机接入信道（Random Access Channel，RACH）规定了终端要接入网络时的初始协调信息格式，如同一个人要登门拜访领导的时候，首先要确定叩门、打电话，还是按门铃。RACH是一个上行传输信道，在终端接入网络开始业务之前使用。由于终端和网络还没有正式建立链接，RACH信道使用开环功率控制。RACH发射信息时是基于碰撞（竞争）的资源申请机制（有一定的冒险精神）。

2）上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）和下行共享信道一样，也规定了待搬运货物的传送格式，只不过方向不同。UL-SCH是从终端到网络传送业务数据的共享信道，同样支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

5G NR的传输信道设计和LTE相比，变化不大。5G NR传输信道目前比LTE少1个MCH信道，二者的对比如表11-2所示。广播信道（BCH）、寻呼信道（PCH）以及随机接入信道（RACH）为每个用户指定特定的公共资源之外，其他信息的资源占用都是所有用户共享的，这就需要MAC层对所有用户进行统一的资源调度，要兼顾业务优先级、调度的效率、公平性。

表11-2 5G NR和LTE传输信道对比

11.1.4 5G NR物理信道和信号

物理信道，就是信号在无线环境中传送的方式，即空中接口的承载通道。与物理信道对应的是实际的射频资源，如时隙（时间）、子载波（频率）、天线口（空间）。物理信道，就是确定好编码交织方式、调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道，对应的是一系列无线时频资源（Resource Element，RE）和天线逻辑端口。根据物理信道所承载的上层信息的不同，定义了不同类型的物理信道。物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载，如同交给邮局的货物被装上了一种特定交通工具（火车、飞机、轮船、汽车）。

物理信道主要用来承载传输信道来的数据，但还有一类物理信道无须传输信道的映射，直接承载物理层本身产生的控制信令或物理信令（如下行：PDCCH；上行：PUCCH）。这些物理信道和传输信道映射过来的物理信道一样，是有着相同的空中载体的，可以支持物理信道的功能。

物理信号是物理层产生并使用的、有特定用途的一系列无线资源单元（Resource Element）。物理信号并不携带从高层而来的任何信息，类似没有高层背景的底层员工，配合其他员工工作时，彼此约定好使用的信号。它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的映射关系，但从系统功能的观点来讲是必需的。

如果说物理信道是出行的康庄大道，物理信号就是道路上各种状况的信使，协助保证交通顺畅的。

（1）下行方向

下行方向有3个物理信道、3个参考信号、2个同步信号。如图11-4所示。

图11-4 下行方向信道结构图

a. 3个下行物理信道：

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：是辖区内的大喇叭，可并不是所有广而告之的消息都从这里广播（映射关系将在下一节介绍），部分广而告之的消息通过下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）：是个踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，一点不偷懒，只要略有闲暇，就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）：是发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的人（PDSCH）需要它的协调。PDCCH承载传送用户数据的资源分配的控制信息。

b. 3个下行参考信号：

CSI-RS（Channel-State Information RS，通道状态信息参考信号）用于信道质量测量和时频偏跟踪，这个信号无须伴随任何物理信道；

DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）用于PDSCH、PDCCH、PBCH解调时的信道估计；也就是下行方向有3种DMRS:PDSCH DMRS、PDCCH DMRS、PBCH DMRS；

PT-RS（Phase-tracking Reference Signals，相位跟踪参考信号）是5G NR新引入的参考信号。5G和LTE不同的是，需要工作在高频段。在高频段的时候，数据信道存在比较明显的相位噪声。PT-RS用于高频段时跟踪PDSCH相位噪声的变化。

下行物理信号和下行物理信道的关系，如图11-5所示。

图11-5 下行物理信号和物理信道的关系

c. 2个下行同步信号：

同步信号（Synchronization Signal，SS），用于小区搜索过程中UE和gNodeB的时、频同步。给空中战机加油，首先要让加油飞机与空中战机同步。同样道理，UE和gNodeB做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。

主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）：用于符号时间对准，频率同步以及小区组号的侦测；

从同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）：用于帧时间对准，CP长度侦测及小区组内编号的侦测。

下行物理信道和信号总结内容如表11-3所示。

表11-3 下行物理信道与信号总结

（2）上行方向

上行方向有3个物理信道、3个参考信号，如图11-6所示。

图11-6 上行方向信道结构图

a. 3个上行物理信道

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门，后面的事情才有门儿。如果叩门失败了，后面的事情就没法说了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦应答了，UE便可进一步和网络沟通信息。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：是上行方向发号施令的嘴巴，但干实事的人（PUSCH）需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道状态指示（Channel State Indicator）等信息。

b. 3个上行参考信号

DMRS用于PUSCH、PUCCH解调时的信道估计，也就是包括两种DMRS:PUSCH DMRS和PUCCH DMRS；

PT-RS是5G NR新引入的参考信号，用于高频段时跟踪PUSCH相位噪声变化的；

SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号）是上行方向的探测参考信号，上行方向无线环境的一种参考导频信号，不需要伴随任何物理信道，主要便于基站在无线资源调度、无线链路适配时进行上行信道状态信息（CSI）测量。

5G NR支持波束赋型（Beaforming）技术，可以将波束指向各终端。基站若要想把波束指向某个终端，首先得探测到终端的位置、上行传输通路的质量等，从而使基站的资源更精准的分配给每个终端。终端发送上行SRS信息就是基站探测终端位置和信道质量的方式之一。

5G NR中DMRS和SRS 2个参考信号都可做上行参考信号，它们的区别主要在哪里？

DMRS用于信道解调，5G NR中上下行均用；SRS是基站用于估计上行信道频域信息，做下行波束赋型，做频率选择性调度。DMRS和SRS都是在分配给UE的带宽上发送，属于UE级别参考信号。

上行物理信号和上行物理信道的关系，如图11-7所示。

图11-7 上行物理信号和物理信道的关系

上行物理信道和信号总结内容如表11-4所示。

表11-4 上行物理信道与信号总结

（3）5G NR、LTE物理信道和信号的比较

5G NR有3个下行物理信道，比LTE的下行物理信道少了很多，这样归功于PDCCH和PDCCH功能的增强。5G NR的上行物理信道和LTE数量和名称完全一致。如表11-5所示。

表11-5 5G NR、LTE物理信道和信号对比

LTE时用于下行信道估计、资源调度、切换测量下的参考信号为CRS（Cell Specific Reference Signal、小区专用参考信号）。LTE中的参考信号（RS）设计，CRS是核心，所有RS均和小区ID（Cell-ID）绑定。

5G NR淡化了小区级参考信号的概念，对参考信号（RS）的功能进行了重组，增强了信道状态指示的参考信号CSI-RS。其实，参考信号CSI-RS在3GPP的R10就已经引入，但终端支持力度弱，在实际的LTE网络中使用很少。5G NR对CSI-RS模式和配置进行了增强，可以用于RRM、CSI获取、波束管理和精细化时频跟踪等。在5G NR中除PSS/SSS以外，其他所有RS和Cell-ID解耦，均为用户级RS。

无线信道条件不断变化，UE需要测量CSI-RS得知下行信道条件，通过上行的CSI（通过PUCCH或者PUSCH）反馈给gNodeB，以便gNodeB在下行调度时考虑信道质量。此外，CSI-RS信号还可以作为时频偏跟踪的参考信号，这个在LTE中是不存在的。

5G NR控制信道和数据信道均采用DMRS解调，且对DMRS类型，端口数、配置等进行了增强；5G为PBCH信道也增加了解调参考信号DMRS。而LTE中DMRS仅上行有定义，物理信道PBCH没有DMRS。

5G NR和LTE相比，新引入伴随PDSCH和PUSCH的参考信号PT-RS，用于高频段下相位噪声的跟踪。

5G NR和LTE参考信号对比如表11-6所示。

表11-6 LTE和5G NR参考信号对比

11.1.5 信道映射

物理信道从3GPP的R6版本（支持HSPA，包括TDD、FDD）的接近20个物理信道，简化为LTE的下行6个，上行3个，再加上若干个参考信号。到了5G的R15版本，物理信道的架构做了进一步的简化，数目变成下行3个，上行3个，再加上若干个参考信号。

信道映射就是指逻辑信道、传输信道、物理信道之间的对应关系，这种对应关系包括底层信道对高层信道的服务支撑关系及高层信道对底层信道的控制命令关系。

5G NR信道映射的关系，类似LTE的信道映射关系，都存在以下几个规律：

（1）高层一定需要底层的支撑，工作需要落地；

（2）底层不一定和上面都有关系，只要干好自己分内的活，无须全部走上层路线；

（3）无论是传输信道、还是物理信道，共享信道干的活，种类最杂，它可以包容很多。

下行信道的映射关系如图11-8所示。其中，PDCCH无须高层信道直接映射，自己完成在物理层的工作，但高层对PDCCH在物理层的工作方式有影响，如HARQ进程中相关信息的传递。

图11-8 下行信道映射

以如下几个下行消息的处理过程为例。

（下行）广而告之消息——主消息块（MIB）：

BCCH逻辑信道→BCH传输信道→PBCH物理信道。

（下行）广而告之消息——系统消息块（SIB）：

BCCH逻辑信道→DL-SCH传输信道→PDSCH物理信道。

（下行）寻人启事消息：

PCCH逻辑信道→PCH传输信道→PDSCH物理信道。

（下行）业务数据：

DTCH逻辑信道→DL-SCH传输信道→PDSCH物理信道。

（下行）控制信息：

DCCH（专用）逻辑信道→DL-SCH传输信道→PDSCH物理信道；

CCCH（公用）逻辑信道→DL-SCH传输信道→PDSCH物理信道。

上行信道的映射关系如图11-9示。其中，PUCCH无须高层信道映射，自己完成在物理层的工作，但高层也可以影响PDCCH在物理层的工作方式。

图11-9 上行信道映射

以如下几个上行消息的处理过程为例。

（上行）网络敲门（随机接入）消息：

PRACH物理信道→RACH传输信道。

（上行）共享业务控制消息：

PUSCH物理信道→UL-SCH传输信道→DCCH（专用）逻辑信道；

PUSCH物理信道→UL-SCH传输信道→CCCH（公用）逻辑信道；

PUSCH物理信道→UL-SCH传输信道→DTCH（业务）逻辑信道。