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