通信算法之三十八:5G NR - 总体架构与物理层(转载)

一 NR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:

  l  gNB:提供NR用户平面和控制平面协议和功能

  l  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(Access and Mobility Management Function)连接,通过NG-U接口与UPF(User Plane Function)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(Session Management Function)。

1.2.1gNB/ng-eNB

  l  小区间无限资源管理Inter Cell Radio Resource Management(RRM)

  l  无线承载控制Radio Bear(RB)Control

  l  连接移动性控制 Connection Mobility Control

  l  测量配置与规定Measurement Configuration and Provision

  l  动态资源分配Dynamic Resource Allocation

1.2.2AMF

  l  NAS安全Non-Access Stratum(NAS) Security

  l  空闲模式下移动性管理Idle State Mobility Handling

1.2.3UPF

  l  移动性锚点管理 Mobility Anchoring

  l  PDU处理(与Internet连接)PDU Handling

1.2.4SMF

  l  用户IP地址分配 UE IP Address Allocation

  l  PDU Session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:

  l  NG接口管理

  l  UE上下文管理

  l  UE移动性管理

  l  NAS信令传输

  l  寻呼

  l  PDU Session管理

  l  更换配置

  l  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:

  l  数据转发

  l  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:

  l  Xn接口管理

  l  UE移动性管理,包括上下文传输和寻呼等

  l  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(User Plane, UP)协议栈即用户数据传输采用的协议簇,控制面(Control Plane, 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:

  l  SDAP层:Service Data Adaptation Protocol

  l  PDCP层:Packet Data Convergence Protocol

  l  RLC层:Radio Link Control

  l  MAC层:Medium Access Control

  l  PHY层:Physical

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:

  l  NAS层:Non-Access Stratum

  l  RRC层:Radio Resource Control

  l  PDCP层:Packet Data Convergence Protocol

  l  RLC层:Radio Link Con trol

  l  MAC层:Medium Access Control

  l  PHY层:Physical

  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 (Access and Mobility Management Function)实体上。还有一点需要强调的是,控制面协议栈不包含SDAP层。

二 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预编码的带CP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;

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

  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,Normal和Extended(扩展型)。扩展型CP只能用在子载波间隔为60KHz的配置下。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)。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Rel-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。

  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。

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Sub 6GHz,另一个是我们通常称为毫米波(Millimeter Wave)。Sub 6GHz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Sub 6GHz,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Sub 6GHz,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Sub 6GHz和毫米波中使用

2.3 物理层下行链路

2.3.1PDSCH

  PDSCH处理流程

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

  2.      传输块分段,各段添加CRC(24bit)

  3.      信道编码:LDPC编码

  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:Graph 1或Graph 2。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Graph 2

  2.      其他情况选择Graph 1.

2.3.2PDCCH

  用户专用物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)用于调度下行的PDSCH传输和上行的PUSCH传输。PDCCH上传输的信息称为DCI(Downlink Control Information),包含Format 0_0,Format 0_1,Format 1_0,Format 1_1,Format 2_0,Format 2_1,Format 2_2和Format 2_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Slot格式

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

  7.       Format2_2用于传输TPC(Transmission Power Control)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

  各种DCI格式之间的差异及使用场景之后再详细讨论。

  PDCCH信道采用Polar码信道编码方式,调制方式为QPSK。

2.3.3PSS/SSS/PBCH

  NR包含两种同步信号:主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)和辅同步信号(Secondary Synchronization Signal, 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。

  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:


  PSS/SSS/PBCH在时频资源格上的位置关系如下图所示:

  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(Precoding Matrix Indicator)。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

  PUSCH的处理流程如下图所示:

  传输块添加CRC(TBS大于3824时添加24bit CRC;否则添加16bit CRC)

  1.       码块分段及各段CRC添加

  2.       信道编码:LDPC编码

  3.       比特级交织

  4.       调制方式:Pi/2 BPSK(仅当进行Transform Precoding时可采用), QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM

  5.       层映射,Transform Precoding(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:Graph 1或Graph 2。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Graph 2

  2.    其他情况选择Graph 1.

2.4.3PUCCH

  PUCCH携带上行控制信息(Uplink Control Link,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(Channel State Information)

  2.      ACK/NACK

  3.      调度请求(Scheduling Request)

  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Repetition code(重复码);当携带2bit信息时,采用Simplex code;当携带信息为3-11bit时,采用Reed Muller code;当携带信息大于11bit时,采用的便是著名的Polar编码方式。

2.4.4随机接入

  NR支持两种长度的随机接入(Random Access )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。

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(Broadcast Channel, 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(Downlink Shared Channel,DL-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(Paging Channel)

   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(Uplink Shared Channel,UL-SCH)

   可以使用波束赋形

   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HARQ

   支持动态和半动态资源分配

  2.  随机接入信道(Random Access Channel,RACH)

   仅限传输控制信息

   有碰撞的风险

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