【5GNR物理层】-NR物理层概述

无线协议架构

在3GPP中，基站是逻辑的无线接入网络节点的实现，每代通信网络的无线网络节点名称如下：

• 3G :Node B (NB)
• 4G :演进的Node B (eNB)
• 5G :下一代Node B (gNB)

注意：gNB是指一个逻辑实体而不是基站的实际物理实现，一个标准的gNB协议可以通过多种方式实现，这个概念同样适用于在3GPP中称之为“UE”的终端

NR的无线协议分为控制平面架构和用户平面架构。他们的功能简要介绍如下：

• 用户平面：递交用户数据
• 控制平面：负责简历连接、移动性和安全

下图表示用户平面协议栈：

各个层的功能如下：

• SDAP（Service Data Adaptation Protocl，服务数据调整协议）：处理服务质量（QoS）和无线承载之间的映射（无线承载可以看做是通过网络承载IP数据包的管道，并且根据特定的QoS要求对数据包进行优先级排序）。根据无线承载的QoS要求将IP数据包映射到无线承载。
• PDCP（Packte Data Convergence Protocl，分组数据汇聚协议）：负责IP头的解压缩，重排序和重复检测，加密/解密和完整性保护。头压缩可以减少空口传输的比特数，加密是保护用户信息不被窃听以及完整性，重排序和重复检测允许数据单元按序递交并删除重复数据重复单元。
• RLC （Radio Link Control，无线链路控制）：主要是通过自动重传请求（ARQ）进行纠错、（压缩了报头的）IP数据包的分段和/重新分段，以及将数据单元按序递交到高层。
• MAC（Medium Access Control，媒体接入）：通过混合HARQ进行纠错和上下行的调度。调度器控制用于传输的上行和下行物理时频资源的分配。采用载波聚合时，MAC层需要处理跨多个分量载波的数据复用
• PHY（Physical，物理）：处理编解码，调制解调，多天线处理，以及将信号映射到物理时频资源上。
  控制平面主要是负责针对连接建立、移动性、安全性。控制信令来自于核心网和gNB的RRC（无线资源控制层）。RRC提供的主要服务包括系统信息广播、寻呼消息发送、安全管理、切换、小区选择/重选、QoS管理以及无线链路的检测与回复。RRC的消息是通过PDCP、RLC、MAC、PYH（注意：RRC没有SDAP层）。从物理层的角度看，控制面和用户面的协议向高层提供的服务没有本质的技术差异。

NR物理层技术

调制

与LTE一样，NR的上下行都支持QPSK、16QAM、64QAM和256QAM。另外，针对mMTC业务，NR上行还支持π/2-BPSK进一步降低峰均比（可在数据速率低的时候提高功放功率）。

波形

在高达52.6GHz的频率范围，NR的上下行都采用了CP-OFDM。而LTE是下行使用CP-OFDM，上行使用DFT-Spread OFDM或DFTS-OFDM。NR上下行使用相同波形有利于简化设计。对于上行覆盖受限的场景，单流常数提供了DFTS-OFDM可选

NR具有可扩展的OFDM参数集来满足宽广的频率范围内的多种服务需求。

后续的版本增加了240kHz。

多天线技术

在LTE中，MIMO多用户功能增强。而NR的高频，波束赋形带来的增益可以克服传输损耗并提供足够的副高。NR不仅支持波束赋形用于数据传输，也用于初始接入和广播信号。

信道编码

NR将LDPC（低密度奇偶校验码，Low Density Parity Check, LDPC）用于数据传输，Polar码（极化）码用于信令传输。

原因：

• LDPC从实现角度上看更有吸引力，特别是在数据速率较高时。NR的LDPC可以使用速率兼容的结构从而运行不同码率的进行传输并使用增量冗余进行HARQ操作
• 与数据传输想必，物理层控制信息块小，不需要HARQ，Polar码可以执行串行抵消列表解码，在较短的码快上实现较好的性能。

物理时频资源

物理时频资源对应于OFDM符号和OFDM符号内的子载波。

• RE（Resource Element）：最小的资源单元，指OFDM符号内的一个子载波。
• PRB (Physical Resource Block)：物理资源块，以12个子载波为一组进行调度。

时域：
无线传输通过无线帧（radio frame）、子帧（subframe）、时隙（slot）和为微时隙（mini-slot）来进行。

具体如下：

物理层使用时频资源进行传输，与LTE一样，NR中的时频资源代表了物理信道活物理信号。在3GPP术语中，物理信道对应于承载高层信息的一组资源单元，而物理信息对应于不承载高层信息的一组资源单元。

物理信道

承载高层信息的时频资源成为物理信道，分为上下行两种：

• PDSCH（physical downlink shared channel，物理下行共享信道）：用于下行数据传输。
• PDCCH（physical downlink control channel，物理下行控制信道）：用于下行控制信息传输，下行控制信息：接收下行数据（PDSCH）所需的调度决策以及允许UE上行数据（PUSCH）的调度授权。
• PBCH（physical broadcast channel，物理广播信道）：用于UE接入网络所需的系统信息广播。
• PUSCH（physical uplink shared channel，物理上行共享信道）：用户上行数据传输。
• PUCCH（physical uplink control channel，物理上行控制信道）：用户上行控制信息传输，上行控制信息：HARQ反馈确认（指示下行传输是否成功）、调度请求（向网络请求用于上行传输的时频资源），以及用于链路自适应的下行CSI。
• PRACH（physical random access channel，物理随机接入信道）：被UE用来请求建立连接，称为随机接入。

物理信号

物理层使用但不承载高层信息的时频资源。

下行物理信号：

• 解调参考信号（DM-RS）：用于估计解调的无线信道，DM-RS是UE特定的，可以进行波束赋形传输，仅针对于调度资源，并且在必要时传输，包括上行链路和下行链路。DM-RS的设计考虑了提前解码的要求，以支持低时延应用，因此DM-RS位于时隙的其实位置。低速场景：在时域上使用低密度DM-RS（即，一个时隙中较少的OFDM符号包含DM-RS）。高速场景：时域上增加DM-RS的目睹以跟踪无线信道的快速变化。
• 相位跟踪信号（PT-RS）：用于补偿振荡器的相位噪声。相位噪声随着振荡器载波频率的升高而增加，因此，在毫米波频段可以用使用PT-RS抑制相位噪声。
• 信道状态信息参考信号（CSI-RS）：用于获取CSI、波束管理、时间/频率跟踪和上行功率控制。它的设计十分灵活，如：获取CSI的CSI-RS用于链路自适应和确定预编码器的信道质量指示（Channel Quality Indicator, CQI）、秩指示（Rank Indicator, RI）以及预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator, PMI）。CSI干扰测量（CSI-IM）资源时零功率CSI-RS（ZP CSI-RS）资源，可以配置用于UE的干扰测量。CSI-RS通过测量每个波束的RSRP（Reference Signal Received Power, RSRP）来评估用于数据传输的候选波束，从而进行波束管理。
• 主同步信号（PSS）
• 辅同步信号（SSS）

上行物理信号：

• 解调参考信号（DM-RS）
• 相位跟踪参考信号（PT-RS）
• 探测参考信号（SRS）：在上行链路中发送SRS来用于CSI测量，主要用于调度和；链路自适应。NR中，SRS也将用于基于互异性的大规模MIMO预编码器设计和上行波束管理。SRS采用模块化和灵活的设计以支持不同的过程和UE能力。

双工机制

与NR一样，NR支持TDD和FDD。双工通常取决于频谱分配，低频时，频谱分配大多是对称的，意味着选择FDD传输。高频时，频率分配通常不对称，需要选择TDD。NR还支持动态TDD，上下行分配随时间动态改变。

帧结构

NR帧结构遵循三个原则：

• 传输自包含原则：一个时隙和一个波束中的数据可以独立解码，而不依赖于其他时隙和波束。这意味着在给定的时隙和波束内已经包含解调数据所需的参考信号。
• 时频集中传输原则：集中传输有助于将来引入新的传输类型，同时兼容现有的数据传输类型。
• 时隙之间和不同传输方向之间避免静态的或者严格的定时关系。例如：5G NR使用异步HARQ，取代了4G所使用的需要预先设置重传时间的同步HARQ。

NR 帧结构支持TDD和FDD传输，并且可以用于授权和非授权评断。

NR还可采用微时隙来支持具有灵活其实位置且持续时间短于常规实习的传输。原则上，微时隙可以短至一个OFDM符号，而且可以随时开始。在R15中，微时隙限制为2、4、7个OFDM符号。

物理层的挑战

5G NR 是第一个工作在毫米波频率的蜂窝技术，支持GHz级别的带宽，并且使用大规模MIMO。这对NR物理层带来了许多挑战，主要原因是毫米波传播特性以及硬件损伤（在基站和终端处）都缺乏了解。

传播相关的特性

• 频率升高时，天线的传输损耗随着频率的平方而增加。使用波束赋形和窄波束传输的一个影响是：波束的突然阻挡而造成信道的动态变化更大也更快。传播信道的方向扩展特性尚不清楚。对于那些方向高度分散（富散射）的信道，高增益天线并不是很有用，因为它们只会捕获来自发射机/接收机的一小部分信号，若采用全相关天线合并技术，当天线阵列很大时有很耗费资源。

硬件的挑战

• PA：PA工作在密集和高度集成的天线中，除非有足够的隔离，否则PA性能可能会收到相互耦合的影响。在MU-MIMO或波束赋形技术中，PA的失真还值得研究。
• 射频振荡器：射频振荡器在非常高的频率下更难保持稳定的振荡，因为随着损耗的增加谐振会理的品质因数会降低，并且受限于晶体管技术的基本限制而无法产生功率。相位噪声的评估也值得研究，这部分噪声可能对基于OFDM的传输带来负面的影响。