5G-NR物理层概述v1.0.0

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5G-NR物理层协议由如下7个规范构成。

其中[1]是概述性文档，其他六个是具体规范文档。与LTE规范不同的是，物理层提供的服务单独为一个文档，物理层过程一分为二，分为控制和数据两个部分。

本文的依据是 3GPP TS 38.200系列2017-09版本。

NR物理层概述

与其他层的关系

总体协议架构


本部分描述的无线接口指用户终端（UE）和网络之间的接口，包括L1，L2和L3。3GPP TS 38.200系列规范对L1（物理层）进行描述。L2和L3的描述见TS 38.300系列规范。

图1显示的是与物理层相关的NR无线接口协议体系结构。物理层连接L2的媒体介入控制子层（MAC）、以及L3的无线资源控制（RRC）层。图中不同层/子层之间的圈表示服务接入点（SAPs）。物理层向MAC层提供传输信道。传输信道的特性通过信息在无线接入口上的传输方式确定。MAC向L2的无线链路控制（RLC）子层提供不同的逻辑信道。逻辑信道的特性通过传输信息的类型确定。

提供给上层的服务


物理层向高层提供数据传输服务，这些服务的接入是通过使用MAC子层的传输信道实现的。具体内容详见[2]。

物理层概述

多址接入


NR物理层多址接入方案基于OFDM+CP。上行链路支持DFT-s-OFDM（Discrete Fourier Transform-spread-OFDM）+CP。为支持成对和不成对的频谱，FDD和TDD都被支持。

L1基于资源块以带宽不可知的方式定义，从而允许NR L1适用于不同频谱分配。一个资源块（RB）以给定的子载波间隔占用12个子载波。

一个无线帧时域为10ms，由10个子帧组成，每个子帧为1ms。一个子帧包含1个或多个相邻的时隙，每个时隙有7或14个相邻的符号。帧结构的进一步细节详见[2]。

物理信道与调制


下行定义的物理信道如下：

  • 物理下行共享信道（PDSCH）
  • 物理下行控制信道（PDCCH）
  • 物理广播信道（PBCH）

上行定义的物理信道如下：

  • 物理随机接入信道（PRACH）
  • 物理上行共享信道（PUSCH）
  • 物理上行控制信道（PUCCH）

定义的信号包括：参考信号、主和辅同步信号

支持的调制方式有：

  • 下行支持QPSK，16QAM，256QAM
  • 上行支持：对于OFDM+CP有QPSK, 16QAM, 64QAM，256QAM；对于DFT-s-OFDM+CP有π/2-BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM，256QAM

信道编码与交织


传输块的信道编码方案采用准循环LDPC（quasi-cyclic LDPC）码，QC-LDPC采用2个BG（base graphs），每个BG 8个奇偶校验矩阵集合。One base graph is used for code blocks larger than a certain size or with initial transmission code rate higher than a threshold; otherwise, the other base graph is used. Before the LDPC coding for large transport blocks, the transport block is segmented into multiple code blocks. 对于比较大的传输块，在LDPC编码前要先传输块分割为多个码块。PBCH和控制信息的编码方案采用基于嵌套序列的极化码（Polar coding）。支持三种速配匹配方案：Puncturing, shortening and repetition are used for rate matching。信道编码方案的进一步细节详见[4]。

物理层过程


涉及多个物理层过程。物理层所涵盖的此类过程有：

  • 小区搜索
  • 功率控制
  • 上行同步和上行定时控制
  • 随机接入相关过程
  • HARQ相关过程
  • 波束管理和CSI相关过程

通过对物理层资源在频域、时域和功率域的控制，隐式地支持干扰协调。

物理层测量


无线特性由UE和网络测量并上报到高层。这些措施包括，例如，测量频率内和频率间切换、RAT间切换，定时测量，RRM测量。

对RAT间切换的策略定义为对切换到E-UTRA的支持。

物理层规范的文档结构

概述


物理层规范由一个概述文档（TS 38.201）和六个具体文档（TS 38.202和38.211-38.215）构成。通过高层的关联，物理层各部分规范之间的关系如图2所示。

TS 38.201：物理层概述


描述范围：

  • 物理层的内容
  • 在何处查找信息

TS 38.202：物理层提供的服务


描述范围是物理层提供的服务，规定以下内容：

  • 物理层的服务和功能；
  • UE的物理层模型；
  • 物理信道和SRS的并行传输；
  • 物理层提供的测量

TS 38.211：物理层信道与调制


该部分确立物理层信道的特性，物理层信号的生成和调制，规定以下内容：

  • 上行和下行物理信道的定义；
  • 帧结构和物理资源；
  • 调制映射（BPSK，QPSK等）
  • OFDM符号生成；
  • 加扰、调制和上变频；
  • 层映射和预编码；
  • 上行和下行物理共享信道；
  • 上行和下行参考信号；
  • 物理随机接入信道；
  • 主、辅同步信号

TS 38.212：复用和信道编码


该部分描述传输信道和控制信道数据的处理，包括复用技术，信道编码和交织，规定以下内容：

  • 信道编码方案；
  • 速率匹配；
  • 上行传输信道和L1/L2控制信息的编码；
  • 下行传输信道和L1/L2控制信息的编码

TS 38.213：物理层过程（控制）


该部分确立用于控制的物理层过程的特性，规定以下内容：

  • 同步过程；
  • 上行功率控制；
  • 随机接入过程；
  • 用于报告控制信息的UE过程；
  • 用于接收控制信息的UE过程

TS 38.214物理层过程（数据）


该部分确立用于数据的过程层过程的特性，规定以下内容：

  • 功率控制；
  • 物理下行共享信道相关过程；
  • 物理上行共享信道相关过程；

TS 38.215物理层测量


该部分确立物理层测量的特性，规定以下内容：

  • UE/NG-RAN的控制测量；
  • 对NR能力的测量