5G通信原理和构架

第一章 5G简介

从4G到5G

4G网络从纯数据业务发展到支持VOLTE，逐渐了满足用户的需求，但是随着新的应用如无人驾驶，远程医疗的发展，4G网络不能满足当前最近技术的应用， 特别是工业互联网对时延的要求，目前新应用对5G的呼声很高，5G也是中国制造2025的关键发力点。

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。9月9日中国联通以及中国电信签署合作协议，双方将双方划定区域，分区建设，各自负责划定区域内的5G网络建设相关工作。

5G的关键指标

5G网络七个关键指标（KPI）包括用户体验速率、连接数密度、端到端延时、移动性、流量密度、用户峰值速率、能源效率。

1. 移动性历代移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。5G的移动性指标主要是要求支持500km/h的移动速度。

2.时延采用OTT或RTT来衡量，OTT是指发送端到接收端接收数据之间的间隔，RTT是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。在4G时代，网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。在5G时代，车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景，对时延提出了更高的要求，最低空口RTT时延要求达到了1ms。

3. 用户感知速率5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络性能指标。用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。用户感知速率要求达到0.1Gbps。

4. 峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率，峰值速率要求达到10Gbps。

5. 连接数密度在5G时代存在大量物联网应用需求，网络要求具备超千亿设备连接能力。连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，一般不低于100万/平方公里。

6.流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。5G支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。

7.能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量，5G新型接入技术：低功率基站、D2D技术、流量均衡技术、移动中继。

5G的三大场景

ITU 定义了 5G 三大应用场景：增强型移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)及低时延高可靠通信(uRLLC)。eMBB 场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验，适用于高速率、大带宽的移动宽带业务。mMTC和uRLLC 则主要面向物物连接的应用场景，其中eMTC 主要满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景;uRLLC 则基于其低时延和高可靠的特点，主要面向垂直行业的特殊应用需求。

eMBB增强型移动宽带

eMBB( Enhanced Mobile Broadband)，增强移动宽带。体现在用户侧表现为网速的提升。

eMBB 对应的是大流量移动宽带业务,场景包括随时随地的 3D/超高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存储、高速移动上网等大流量移动宽带业务，在大带宽、低时延需求上具有一定优势，是三大场景最先实现商用的部分。

在 5G eMBB（增强移动宽带）场景上，Polar 为信令信道编码方案，LDPC 码为数据信道编码方案。其它两个 5G 场景的编码方案，目前还没确定。eMBB 场景理想的峰值速率将达到 20Gbps，各厂商在理想状态下均已达到。

eMBB 场景关键性指标：

峰值速率：下行 20Gbps 上行10Gbps

用户体验速率：下行 100Mbps 上行 50Mbps

频谱效率：下行 30bit/s/Hz 上行：10bit/s/Hz

控制面时延：20ms

用户面时延：4ms

带宽：低频 100MHz 高频1GHz

eMTC大规模移动通信

eMTC (Massive Machine Type Communication，大规模机器通信）：侧重于人与物之间的信息交互，主要场景包括车联网、智能物流、智能资产管理等，要求提供多连接的承载通道，实现万物互联，统称为物联网应用。

mMTC 场景的标准规范，将在 5G 标准 R17 版本中实现，预计 2020 年底发布。

eMTC 场景关键性指标：

连接密度：100 万/平方公里

功耗：广阔地区分布的设备，要求续航 10 年，电表气表等一般设备 2-5 年续航能力。

uRLLC超高可靠低时延通信

uRLLC(Ultra Reliable&Low LatencyCommunication，超高可靠低时延通信)：侧重于快速无误的通信，主要场景包括：远程控制，工业自动化，铁路等重点实时信息交互等。

URLLC 场景关键性指标：

用户时延：1ms

可靠性：用户面时延 1ms 内，传送32 字节包的可靠性为 1~10^(-5)。

第二章 5G网络构架

5G网络架构和以前的几代网络类似，主要包括 5G 接入网和 5G 核心网,其中 NG-RAN 代表 5G 接入网，5GC代表 5G 核心网(5G Core Network)。它们之间的接口，就叫NG接口

5G核心网(5GC)构架

5G核心网的设计思想

1、 用户面与控制面分离，可独立扩展、演进、部署。

2、 模块化功能设计，实现灵活和有效的网络切片。

3、 流程（即网络功能之间的交互集）定义为服务，可重复使用。

4、 允许每个网络功能直接与其他 NF（Net Function） 交互。

5、 AN和CN之间的接口集成了不同的接入类型，支持3GPP和非 3GPP接入。

6、 支持统一的身份验证框架。

7、 支持“无状态”NF，其中“计算”资源与“存储”资源分离。

8、 支持网络能力对外开放（开放接口，非 3GPP 网络也可以接入）。

9、 支持并发接入到本地和集中服务。UP可部署在接入网络附近。

10、 支持漫游，包括归属路由区流量以及访问 PLMN 中的本地之外流量。

服务化构架SBA

SBA(Service Based Architecture:服务化构架) ：将网络功能（NF）拆分，所有的NF通过接口接入到系统。

服务化SBA的优点：

负荷分担：相同功能的NF可多个接入网络，提供NFS（网络功能服务）。

容灾：当某个NF存在故障，退网，由其他NF承担业务

扩容、升级简单：独立NF的功能快速扩容，并且对单独的NF升级

实现网络开放功能：NF实现了标准的接口，则多个设备厂家的不通过NF可用来构建某个NFS。

SBA 设计的目标是以软件服务重构核心网，实现核心网软件化、灵活化、开放化和智慧化。SBA的关键技术如下：

交互：采用Request-Response、Subscribe- Notify模式交互。

注册：5G 核心网引入的新型网络功能NRF 来实现的：NRF 接收其它 NF 发来的服务注册信息，维护 NF 实例的相关信息和支持的服务信息；NRF 接收其它 NF 发来的 NF 发现请求，返回对应的 NF 示例信息。

接口：传输层采用了 TCP，在应用层采用 HTTP/2.0 [3]，在序列化协议方面采用了 JSON，接口描述语言采用 OpenAPI3.0， API 的设计方式采RESTFul。

5G网络切片

网络比喻为交通系统，车辆是用户，道路是网络。随着车辆的增多，城市道路变得拥堵不堪，这时候出现了快车道，公交车道，人行道能概念，路那是那条路，但是人为的划分了每条道，并且每条道的车辆行驶速度不同。

网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，灵活应对不同的eMBB、eMTC和uRLLC三大场景。

NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）：利用软硬件解耦及功能抽象，以虚拟化技术降低昂贵的设备成本费，根据业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离等步骤，让运营商可通过此极速将承载各种网络功能的通用硬件与云计算虚拟化技术相结合，实现网元虚拟化和虚拟网络可编程，简化网络升级的步骤和降低购买新专用网络硬件的成本，把网络技术重点放到部署新的网络软件上。

SDN（SoftwareDefined Network，软件定义网络）：将网络设备分离为单独的控制设备及转发设备，转发设备功能简单化，控制与转发间遵循标准的Openflow 协议，从而实现控制层和转发层分离。这样网络管理者可在接口上开发应用软件，实现灵活的可编程，并结合流量监控，可动态调整数据平面的网元，使移动网络组成变得更加灵活，从而提高传送到消费者手机终端的下行传输速度。

SDN解耦的是控制平面与数据平面；NFV主要是软硬件解耦，基于通用服务器和虚拟化技术，软件实现控制和处理功能、流量处理功能。两者虽不依赖，但共存互补对5G移动网络功能重组，提升网络弹性十分有效。

SDU（service Data Unit）:服务数据单元，又叫业务数据单元，是指定层的用户服务的数据集，传送到接收方的时候同一协议层时数据没有发生变化，即业务部分，然后发给下层之后，下层将其封装在PDU中发送出去。服务数据单元是从高层协议来的信息单元传送到低层协议。第N层服务数据单元SDU，和上一层的协议数据单元（PDU）是一一对应的。根据协议数据单元的数据的不同，送到接收端的指定层。

PDU（Protocol dataunit）: 协议数据单元：计算机网络各层对等实体间交换的单位信息，例如TCP层的PDU就是segment（分节）、应用层间交换的PDU则是application data（应用数据）。

SDU服务数据单元，对应于某个子层中没有被处理的数据。对于某个子层而言，进来的是SDU。PDU协议数据单元，对应于被该子层处理形成特定格式的数据。对于某个子层而言，出去的就是PDU。

网络片由 RAN 部分和 CN 部分组成。网络切片的支持依赖于不同切片的流量由不同的 PDU 会话处理的原理。网络可以通过调度以及通过提供不同的 L1 / L2 配置来实现不同的网络切片。如果已经由 NAS 提供，则 UE使用 RRC 消息中提供用于网络片选择的辅助信息。虽然网络可以支持大量切片（数百个），但 UE 不需要同时支持多于 8 个切片。网络运营商根据服务等级协议（SLA：Service Level Agreement）管理每个用户有资格使用的切片类型和业务。NSSAI（Network Slice Selection AssistanceInformation：网络片选择辅助信息）包括一个或多个 S-NSSAI（单 NSSAI）。每个网络片由 S-NSSAI 唯一标识。

SA和NSA

5G 网络架构分成了 SA 和 NSA，R15 版本分成了两个阶段，第一个阶段发布的是 NSA，第二阶段发布的是SA，它们的部署是不相同的。SA 即是 Standalone独立组网，即一套全新的 5G 网络，包括全新的基站和核心网。NSA 为非独立组网，使用现有的 4G 网络，进行改造、升级和增加一些 5G 设备，使网络可以让用户体验到 5G 的超高网速，又不浪费现有的设备。

SA 选项 2：全新的 5G 核心网和无线网 gNB 组网，优势是可以完全发挥出 5G 的各项性能，按照 3GPP 的标准推进。缺点就需要浩大的投资。

SA 选项 5：和上面的选项 2 相比，在这个模式下，把原来的 4G 基站进行升级接入，它也属于独立组网。

NSA 选项3：在LTE双连接构架中，UE（用户终端）在连接态下可同时使用至少两个不同基站的无线资源(分为主站和从站)。5G基站可以通过4G基站接到4G核心网。但是4G基站必须升级为增强型4G基站。

NSA 选项3a：当运营商不愿意花钱升级4G基站，5G基站的用户面直接通4G核心网，控制面继续锚定4G基站。

NSA 选项3x：把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G基站。剩下的部分继续走4G基站。

NSA 选项7系列：当把4G核心网更换为5G核心网，则3系列升级为7系列。

NSA 选项4系列：当5G作为锚定站时，且核心网使用5G核心网，则升级为4系列。4系列为用户面和数据面均走5G基站，4a系列为用户面走4G基站直达5G核心网，控制面板走5G基站到达核心网。

5GC NF功能说明

5G需要达到RTT为1毫秒级别的响应，需要达到每平方公里100万连接数的用户需求，决定了5GC不能在使用以往的MME+SGW的模式，5GC的主要关键技术包含：SBA（ServiceBased Architecture：基于服务式构架）、CUPS（Control and User Plan Separation:控制面板和用户面分离）、NS(Net Slicing:网络切片)。

接入和移动性管理AMF功能

AMF：Core Access and Mobility Management Function ，负责控制面的移动性和接入管理,4G的MME包含接入、移动性管理、会话管理、安全性管理等功能，5G中将接入、移动性管理、安全性管理归属到AMF中，将会话管理归属到SMF中， 5G RAN通过N2接口和AMF连接，UE则通过虚拟端口N1和AMF连接，多个AMF之间通过N14端口连接。

AMF 的单个实例中可以支持部分或全部AMF 功能，无论网络功能的数量如何，UE 和 CN 之间的每个接入网络只有一个 NAS 接口实例，实现 NAS 安全性和移动性管理的网络功能之一，即只有一个AMF为UE提供安全和移动性管理服务。

AMF的3GPP服务功能：

为RAN网络提供CP接口(N2接口)即控制面接入；

为UE提供N1接口实现加密和完整性保护；

为UE提供接入身份验证，接入授权，注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理；

定位服务管理和移动事件通知；

用于与EPS互通的EPS承载ID分配。

为UE和SMF之间的 SM 消息提供透明代理和传输；

为UE和SMSF之间提供 SMS 消息的传输；

为UE和LMF之间以及RAN和LMF 之间的位置服务消息提供传输；

SEAF的安全锚功能；

合法拦截（AMF事件和L1系统接口）

AMF还支持安全策略的相关功能和非3GPP网络的某些功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中使用，支持使用部分或全部功能灵活部署。

会话管理功能SMF

SMF：SessionManagerment Function ,负责会话管理，在4G中MME负责ESM会话管理，在5G中SMF独立处理，专门负责会话管理。5G的用户平面的功能是UPF,SMF通过N4接口和UPF连接控制会话管理，通过N11接口和AMF连接交互信息。

SMF的功能说明：

会话管理，维护UE和AN之间的通道，如会话的建立，修改，释放；

UE的IP V4 和V6地址分配（DPCH V4 和V6功能）；

响应IP V4 ARP（AddressResolution Protocol：地址解析协议）和IP V6的NDP（Neighbor Discovery Protocol：邻居发现协议）的请求和流量转发；

配置 UPF 的流量控制，将流量路由导到正确的目的地；

提供到策略控制功能的路径；

收费数据采集和计费接口提供；

SM消息的SM部分处理；

下行数据通知；

AN 特定 SM 信息的发起者，通过 AMF 通过 N2 发送到 AN；

确定会话的 SSC 模式；

合法拦截（SM事件和L1系统接口）

SMF 的单个实例中可以支持部分或全部SMF 功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中得到支持。

SMF 还可以包括与安全策略相关的功能和漫游功能。

用户平面功能UPF

UPF：User PlanFunction ,用户平面功能，在4G中用户面由S-GW和P-GW构成，在5G中UPF负责用户面的功能。UPF通过N3口和RAN连接，通过N4口和SMF连接，通过N6口和DN连接，UPF之间通过N9口连接。

5G会话是基于PDU（Packet Data Unit: 数据包单元）交互，PDU连接业务即UE和DN（Data Network ,类似4G的PDN的概念，但是DN更侧重万物互联的概念，即以前PDN网络已经扩展到了每个终端均已通过IPV6地址接入网络，即每个终端都是外网的终端，则PDN网络扩展为DN网络。4G中APN的概念在5G中叫DNN）之间交换PDU数据包的业务；PDU连接业务通过UE发起PDU会话的建立来实现。一个PDU会话建立即建立了一条UE和DN的数据传输通道。UE可以建立多条通过不同的UPF连接到同一个DN的PDU会话连接，每条PDU会话对应的SMF也可以不同。每条PDU会话的服务SMF信息会登记在UDM中。

UPF的功能说明：

用于RAT(Radio Access Type)内和RAT间的移动性锚定点

外部PDU和DN之间的会话点

分组路由和转发

数据包检查和合法拦截（UP面）

UP面策略规则实施和Qos处理

流量使用报告和上行链路流量验证

上行链路和下行链路中的传输级分组标记

下行数据包缓冲和下行数据通知触发

UPF 的单个实例中可以支持部分或全部UPF 功能，并非所有 UPF 功能都需要在网络切片的用户平面功能的实例中得到支持。一个会话中存在多个UPF时，则UPF和UPF之间通过N9口连接，中间的UPF充当中继UPF。

策略控制功能PCF

PCF:Policy Control Function 策略控制功能，类似4G的PCRF。PCF是5G的策略整体框架。

AM策略：AMF在PCF中创建和管理与接入和移动性管理策略关联，其他NF通过该关联获取UE的接入和移动性管理相关的策略。

Authorization策略：鉴权AF（Application Funtion）请求，并且为已鉴权的AF绑定PDU会话创建策略。

SM策略：SMF在PCF中创建和管理会话策略关联，其他NF通过该关联获取PDU会话的策略信息。

BDT策略：来自开放网络的AF获取后台传输策略并且根据AF的选择更新后台传输。

UE策略：NF在PCF中创建和管理UE的策略关联，其他NF通过该关联获取UE策略触发信息，PCF可以将该信息通过NAS信令发送给UE。

EveryExposure策略：该策略使其他NF可以订阅和获取PCF事件。

PCF策略控制管理不仅管了UE的策略，也管理其他NF之间的访问策略，它是5G的一个整体策略框架。

网络开放功能NEF

NEF: Network Exposure Function, 网络开放功能，5G网络基于服务化构架SBA，每个功能均是一个NF，当某个NF需要处理某些信息则需要调用其他NF的服务，NEF充当了重要的角色，它完成了NF的能力公开和事件公开，同时NEF也是和其他外部网络交互的重要枢纽。

NEF的功能说明：

NF的能力和事件公开

外部网络到3GPP的信息交互和安全信息控制

网络存储库功能NRF

NRF: NF Repository Function，NF贮存功能，5G网络中NEF是完成了NF的能力和事件公开，但是NF实例的具体信息是通过NRF获取。

NRF的功能：

从NF实例接收NF发现请求，并将发现的 NF 实例（被发现）的信息提供给 NF 实例。

维护可用 NF 实例及其支持服务的NF 配置文件。

UDM,AUSF,AF

UDM：Unified DataManagement,统一数据管理，生成3GPP AKA身份验证和用户识别。

AUSF: Authentication Server Function,身份验证服务器，支持3GPP和非3GPP的接入认证。

AF: Application Function,应用服务，即将某些应用如腾讯QQ等应用直接归属到5G核心网中，当然也可以是其他服务，比如网络信号的MR分析等服务。

5G接入网构架

5G的接入网一般叫AN，即Access Network,有时候会加上Radio，即无线接入网，则简写为RAN,接入网和核心网之间的接口为NG接口，故可以写成NG-RAN表示5G接入网。

由于5G构架分为SA和NSA 2种模式，在SA的情况下5G基站直接连接5G核心网相对比较简单，在NSA情况下5G基站需要和4G基站组成主从站的形式接入核心网。目前非独立组网均使用3X模式组网，即5G基站的用户面和控制面均和4G基站连接，5G基站用户面也直接和核心网连接，把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G基站。剩下的部分，继续走4G基站。

NR:5G基站和UE之间的接口，即New Radio,新无线。

EN-DC：E为ENB（4G基站），N为EN-GNB（5G基站），DC为Dual Connectivity即双连接，则EN-DC表示4/5G基站双连接模式组网，即UE分别和4G基站、5G基站连接。

SA 构架

SA构架中使用5G的核心网，基站主要包括纯5G基站(gNB)和由4G升级的5G基站(ng-eNB)。

节点名称解释：

NR：New Radio，即5G新的空口技术；

gNB：向 UE 提供 NR 用户面和控制面协议终端的节点（基站），并且经由 NG 接口连接到 5GC。G表示nextGeneration，即下一代。

en-gNB：4G核心网下的5G基站，主要是NSA模式下的5G基站，使用EN-DC的模式和核心网连接。

ng-eNB：当组网模式为NSA 4时，5G作为锚定站，4G通过5G基站接入核心网，提供4G服务，则成为ng-eNB，需要注意的是该基站提供4G信号服务。

5GC：5G 核心网

NG 接口就是无线接入网和 5G 核心网之间的接口，其中：

NG-C：NG-RAN 和 5GC 之间的控制面接口。

NG-U：NG-RAN 和 5GC 之间的用户面接口。

Xn:5G核心网下的基站之间的接口，在4G中成为X2接口。

NG-RAN功能说明

NG-RAN网络的功能主要涉及UE和核心网，主要功能如下图：

主要功能：

无线接入控制，无线承载控制，移动性连接控制，在上行链路和下行链路中向 UE 的动态资源分配（调度）；

IP 报头压缩，加密和数据完整性保护；

用户面和控制面的路由；

当不能从 UE 提供的信息确定到AMF 的路由时，在 UE 附着处选择 AMF；

调度和传输寻呼消息和系统广播信息；

用于移动性和调度的测量和测量报告配置；

上行链路中的传输级别数据包标记；

会话管理，网络切片，QoS 流量管理和映射到数据无线承载

NG-RAN接口

2.3.6.1 NG接口

NG接口为RAN和5GC之间的接口，该接口为逻辑接口，即定义了这个结构实现的功能，具体实现的方式由各厂家自行决定和完成。

NG 接口分为 NG-C 接口（NG-RAN 和 5GC 之间的控制面接口）和 NG-U 接口（NG-RAN 和5GC 之间的用

户面接口）。

任何一个 NG-RAN 节点和5GC 可能存在多个 NG-C 逻辑接口。然后，通过 NAS 节点选择功能确定 NG-C接口的选择。任何一个 NG-RAN 节点和5GC 可能存在多个 NG-U 逻辑接口。NG-U 接口的选择在 5GC 内完成，并由 AMF 发信号通知 NG-RAN 节点。

接口协议如下：

2.3.6.2 XN接口

XN接口为NG-RAN内部接口，即gNB或eNB之间的接口，该接口为逻辑接口，具体实现由各厂家决定，逻辑接口的概念是即便2个设备之间无物理连接，也可以通过路由实现接口功能。

XN接口分为XN-C和XN-U接口，分别对应控制面和用户面。具体协议层如下：

XN-C的功能：

切换准备功能:该功能允许在源NG-RAN 节点和目标 NG-RAN 节点之间交换信息，以便启动某个 UE 到目标的切换。

切换取消功能:该功能允许通知已准备好的目标 NG-RAN 节点，不会进行准备好的切换。它允许释放准备期间分配的资源。

检索 UE 上下文功能:NG-RAN 节点从另一个节点检索找回 UE 上下文。

RAN 寻呼功能：NG-RAN 节点为处于非活动状态的 UE 启动寻呼。数据转发控制功能：源和目标 NG-RAN 节点之间建立和释放传输承载以进行数据转发。双连接功能：在NG-RAN 中的辅助节点中使用附加资源。

激活功能：通过在 Xn 接口上指示小区激活/停用来降低能耗。

XN-U的功能：数据传输和流量控制。

NG-RAN网络层和协议

5G RAN网络和4G存在区别，主要是用户面增加了SDAP层，控制面和4G区别不大。

NG-RAN网络层

PHY：Physical Layer，物理层，目前一般是网线或者光纤完成传输，信号为二进制的电信号或者光信号。

2.3.7.1.1 MAC层说明

MAC地址为识别网络节点的标识，通常有48位长。网卡的物理地址通常是由网卡生产厂家烧入网卡的EPROM(一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写)，它存储的是传输数据时真正赖以标识发出数据的电脑和接收数据的主机的地址.MAC地址公司前缀由IEEE统一管理，当同一个网络中存在相同MAC地址，则MAC冲突导致网络传输故障。

MAC层：Media AccessControl,介质访问控制层，单个 MAC 实体可以支持多个数字，传输定时和小区。该层的示意图如下：

逻辑信道和传输信道之间的映射、复用和解复用

调度信息报告;

HARQ 进行纠错重传（在 CA 的情况下每个小区一个 HARQ 实体）;

动态调度在 UE间和UE内的逻辑信道的优先级;

填充

HARQ:混合自动重传,HARQ 功能确保在物理层的对等实体之间的传递。当物理层未配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个 HARQ进程支持一个 TB，并且当物理层配置用于下行链路/上行链路空间复用时，单个 HARQ 进程支持一个或多个 TB。

2.3.7.1.1 RLC层说明

RLC:Radio Link Control,无线链路控制层，层位于PDCP层和MAC层之间。它通过RLC通道（RLC channel）与PDCP层通信，并通过逻辑信道与MAC层进行通信。RLC配置是逻辑信道级的配置，一个RLC实体（RLC entity）只对应一个UE的一个逻辑信道。RLC实体从PDCP层接收到的数据，或发往PDCP层的数据被称作RLC SDU（或PDCPPDU）。RLC实体从MAC层接收到的数据，或发往MAC层的数据被称作RLC PDU（或MACSDU）。RLC层分为AM,TM,UM 3种模式。

TM模式：TransparentMode，透明传输模式，只包含一个实体：发送与接收在同一个实体中。TM模式不对传入RLC的SDU做任何处理，直接透传。TM模式可以从BCCH，DL/UL CCCH和PCCH接收或者发送RLC PDU。

UM模式：UnacknowledgedMode，非确认模式，UM发送实体为RLC SDU添加协议头；如果需要还对RLC SDU进行分割在更新协议头。UM模式可以从DTCH中接收或者发送RLC PDU，UM模式接收侧维护一个接收窗口。

UM接收实体时探测RLC SDU是否丢失，无丢弃重组RLC SDU并把RLC SDU传输给上层；丢弃无法重组为RLC SDU的UMD PDU。

AM模式：AcknowledgedMode，确认模式，AM模式可以从DTCH和DCCH中接收或者发送RLC PDU。AM模式传输的数据PDU称为AMD PDU；控制PDU称为 STATUS PDU。

AM发送实体为RLC SDU添加协议头；如果需要还对RLC SDU进行分割，然后更新协议头。AM发送实体支持ARQ重传，当重传的RLC SDU大小与MAC指示的大小不符时，可以对RLC SDU进行分割或者重分割。AM模式发送侧和接收侧都维持一个窗口。

AM接收实体：探测AM PDU是否重复接收并丢弃重复的AM PDU；检测丢失的AM PDU并请求重传；恢复RLC SDU并提交给上层。

AM模式发送端优先级：ControlRLC PDU > 重传PDU > 普通PDU

RLC层功能说明：

1.传输上层的PDU

2.编号（与PDCP层编码独立）（UM与AM模式）

3.通过ARQ纠错（AM模式）

4.对RLC SDU进行分割（UM与AM模式）和重分割（AM模式重传时）

5.重组RLC SDU（UM与AM模式）

6.重复检测（根据编号进行，AM模式）

7.RLC SDU丢弃（UM与AM模式）

8.RLC层重建

9.协议错误检测（AM模式）

2.3.7.1.3 PDCP层说明

PDCP: Packet Data Convergence Protocol,分组数据汇聚协议层，PDCP层为映射为DCCH和DTCH逻辑信道的无线承载提供传输服务。每个无线承载对应一个PDCP层实体，每个PDCP实体对应1个，2个，或者4个RLC实体（根据单向传输/双向传输，RB分割/不分割，RLC模式等确定）。

如果RB不分割，则一个PDCP实体对应1个UM RLC（单向），或者2个UM RLC实体（双向各一个），或者1个AMRLC实体。如果RB分割，则一个PDCP实体对应2个UM RLC（单向），或者4个UM RLC实体（双向各一个），或者2个AMRLC实体。

PDCP控制面/用户面通用功能：

1. 编号

2. 加密、解密和完整性保护

3. 传输数据

4. 重排序和重复检测

5. PDCP PDU复制

PDCP用户面附加功能：

1.头压缩和解压缩（ROHC算法）

2.PDCP PDU路由（当存在BearSplit时）

3.PDCP SDU重传和丢弃

4.PDCP重建、为RLC AM恢复数据

2.3.7.1.4 SDAP层说明

SDAP：Service DataAdaptation Protocol，服务数据适配协议层，SDAP协议是为了保证5G QoS 而设置的层，SDAP子层是通过RRC信令来配置。

QoS: Quality of Service，服务质量, 当网络发生拥塞的时候，所有的数据流都有可能被丢弃；为满足用户对不同应用不同服务质量的要求，就需要网络能根据用户的要求分配和调度资源，对不同的数据流提供不同的服务质量：对实时性强且重要的数据报文优先处理；对于实时性不强的普通数据报文，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。QoS针对某种类别的数据流，可以为它赋予某个级别的传输优先级，来标识它的相对重要性，并使用设备所提供的各种优先级转发策略、拥塞避免等机制为这些数据流提供特殊的传输服务，增加了网络性能的可预知性，并能够有效地分配网络带宽，更加合理地利用网络资源。

DRB: Data Radio Bears，数据承载，用来承载用户面数据的承载。

QoS flow to DRB mapping rule：将一个QoS流的packet映射到哪条DRB上的规则，用于发送方向。

Reflective QoS flow to DRB mapping：UE监测下行的QoS流到DRB的映射规则，然后将其应用到上行方向上。

QFI：QoS Flow ID：QoS流ID

RDI：Reflective QoSflow to DRB mapping Indication：

RQI：Reflective QoSIndication

SDAP子层负责将QoS流映射到对应的DRB上；一个或者多个QoS流可以映射到同一个DRB上，一个QoS流只能映射到一个DRB上。

RRC的SDAP配置：

pdu-Session：PDU会话ID，表示这条DRB属于哪个PDU会话的，也就是说这个DRB是为哪个PDU会话建立的。

sdap-HeaderDL：present表示配置，absent表示不配置，如果没有配置就相当于SDAP层不存在，PDCP后应用packet。

sdap-HeaderUL：上行数据传输是否配置SDAP头，如果没有配置就相当于SDAP层不存在，packet直接扔给PDCP处理。

defaultDRB：是否为这条PDU会话的默认DRB；一个PDU会话中的所有SDAP配置实例中，最多只能有一个默认DRB，可以没有默认DRB。

mappedQoS-FlowsToAdd：这是一个QFI列表，表示要再增加列表中的QoS流映射到这条DRB上；同一个PDU会话的所有SDAP配置实例中，一个QFI值只能出现一次，也就是说不能一条QoS流映射到多条DRB上。

mappedQoS-FlowsToRelease：这是一个QFI列表，表示这些QoS流不能再映射到这条DRB上。

从中可以看出，ngNB会为一个PDU会话的QoS规则为其建立1个或多个DRB，每个DRB负责承载1个或多个QoS数据流

SDAP流程：

上行数据传输:

一个发送SDAP实体接收到一个来自上层QoS流的SDAP SDU时：

如果这个SDU没有满足已存在的任何一条QoS流到DRB的映射规则，则将这个SDAP PDU映射到默认DRB，否则，映射这个SDU到满足映射规则的DRB上

如果映射到的DRB配置了SDAPheader，则按照协议构造上行SDAP data PDU,否则按照协议构造另外一种上行SDAP data PDU。

将构造好的上行SDAP data PDU提交给下层（PDCP）

下行数据传输：

一个接受SDAP实体在收到来自下层的SDAPPDU时，如果这个SDAP PDU所在的DRB配置了SDAP头则反射QoS流到DRB的映射的处理在进行RQI处理，去除SDAP data PDU的头，提取SDAP PDU；否则（未配置SDAP头）将提取出来的SDAP PDU递交给上层。

NG-RAN控制面板协议栈

NG-RAN协议栈主要是指控制面协议，控制面主要包括RRC协议和NAS协议。

2.3.7.2.1 RRC协议

RRC：Radio ResourceControl，无线资源控制协议，理解为终端 UE 和网络相互沟通的共同语言。RRC的主要功能为广播与 AS 和NAS 相关的系统信息;由 5GC 或 NG-RAN 发起的寻呼;建立，维持，释放 UE 与 NG-RAN 之间的 RRC连接。

RRC层的具体功能：

发送AS和NAS的系统消息

发送AS和NAS的寻呼信息

建立、维持、释放RRC连接

小区选择，重选、测量、切换等移动性管理

无线承载建立、修改、释放等承载控制

安全功能

载波聚合添加、修改、删除等载波控制

5G NR支持3种RRC状态，分别为：RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED。

RRC_IDLE状态功能：1.PLMN的选择，2.系统广播，3.小区重选，4.寻呼

RRC_CONNECTED状态功能：1.RRC建立和AS上下文，2.专用信道传输数据，3.测量和切换。4，RAN知道UE所在小区。

RRC_INACTIVE状态表示RRC不活跃状态，状态功能如下：

PLMN的选择

系统广播

小区重选（不可以切换）

寻呼

基于 RAN 的通知区域（RNA）由 NG-RAN 管理;

UE存储AS上下文

在 RRC INACTIVE 状态下，终端处于省电的“睡觉”状态，但它仍然保留部分 RAN 上下文（安全上下文，UE 能力信息等），始终保持与网络连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从 RRCINACTIVE 状态转移到 RRCCONNECTED 状态，且减少信令数量。

4/5G状态转换如下：（FFS为将来继续研究）

2.3.7.2.2 NAS 协议

NAS协议分为控制面和用户面，控制面终止于AMF，分为N1和N2接口，N1为UE和AMF之间的接口，N2位AN和AMF之间的接口。用户面终止于UPF，接口N3位AN和UPF之间的接口。

NAS协议分为NAS-MM和NAS-SM协议，具体功能如下：

NAS-MM：负责注册管理、连接管理、用户面连接的激活和去激活操作，NAS消息的加密和完保。（AMF接口）

NAS-SM：支持用户面PDU会话的建立、修改、释放；NAS-SM消息通过AMF传输，且其对AMF是透明的（也就是AMF负责透传SM消息、不对其进行解析处理）。(SMF)

N2-SM消息是NG-AP消息的一部分，这部分消息由AMF负责透传。从接入网的角度N2-SM消息终结于AMF。

N1 NAS信令的终结点为UE和AMF， UE和5GC间还有多个其它协议（SM、SMS、UE policy、LCS等），这都协议都是通过N1 NAS-MM进行透传的。

第三章 5G底层

5G物理层概念

无线通信的空中接口是无线通信最重要的部分，5G空口叫NR（New Radio）接口，分为L1层（物理层）、L2层（数据链路层）、L3层(RRC层)。

物理层即空中无线电波的传输层，媒介为无线信号，为L2的MAC层提供传输通道。

物理层的主要功能：

频率和时间同步;

无线特性测量和对更高层的指示;

编码传输信道与物理信道的速率匹配和信道映射

物理信道的调制和解调;

物理信道的功率加权、MIMO多天线处理、射频处理;

FEC 编码/解码传输信道;

传输信道上的错误检测和对更高层的指示。

帧结构

帧：Frama，无线通信从2G到4G都是通过帧的形式通信，一般是指从时域和频域2个维度衡量的资源单位，是数据链路层即L2的协议数据单元。帧分为帧头、数据部分、帧尾，数据部分包含网络传输的数据，帧头和帧尾放置控制信息。

4G和5G的基本时间单位

在LTE中基本时间单位：

LTE支持6种不同的传输带宽1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz，子载波间隔为15kHz，所以最大传输带宽20MHz共含有1200个子载波，其余带宽为保护间隔。这1200个子载波上分别承载着子序列信息，频域采样点数不能少于1200才可以保证信息不会丢失，但在计算机系统里，2的幂次方方便计算，必须要2048点的IFFT才能生成OFDM符号。LTE子载波间隔是15kHz，所以OFDM符号长度是1/15000，符号长度除以2048采样点，得到的就是采样间隔，所以这个时间单位Ts就是LTE中OFDM符号的采样间隔，为32.55×10（-9）s。

在5G中基本时间单位：

最大子载波间隔为480khz，100MHZ的频域带宽包含RB数为273，一个RB包含12个子载波，即包含子载波3276个，所以使用4096的采样点，OFDM符号的采样间隔为5.086×10（-11）s。

帧结构的时域

5G 帧长为10ms，包含2个半帧，每个半帧包含5个子帧(SubFrame)，共计10个子帧，每个子帧的长度时1ms，帧编号从0开始。5G帧结构和LTE相同，为 5G 和 4G 的共存和灵活组合提供了条件，简化了小区搜索和频率测量。

时隙长度因子载波间隔不同会有所不同，一般是随着子载波间隔变大，时隙长度变小。

当子载波间隔为15khz时，一个子帧包含一个时隙，即每个帧包含10个时隙，随着子间隔间隔的翻倍，每个时隙的长度减半，每个子帧包含的时隙数量翻倍。子载波间隔共15khz-480khz共计6种，每个子帧包含的子载波数量共计1-32共计6种，每个帧包含的子载波数量共计10-320共计6种。

符号：无线电波的一个凸起，在常规CP下每个时隙包含14个符号，在扩展CP下每个时隙包含12个符号。由于时隙的长度不一样，即在不同的子载波间隔下符号的长度也不相同。

需要注意上图中当符号的长度减小一半时，循环前缀CP的长度也减小一半。

时隙结构

在LTE中只支持上下行时隙配比，在5G中支持符号配比，即每个时隙中的符号也可以是上行，也可以是下行，协议规定了0-255一共256种格式，R15版本0-61已给出配置，62-255为预留态。相对LTE更加灵活。基站通过SIB1（SA）或者公共消息中的tdd-UL-DL-Configuration和tdd-UL-DL-configurationCommon2消息(NSA)，对UE进行初始slot配置广播。

NR中时隙格式的配置方法包括：

1 半静态的Cell-Specific（小区级）时隙格式配置

2 半静态的UE-Specific（UE级）时隙格式配置

3 动态时隙格式配置（通过DCI Format 2_0调度，也称为SFI格式配置）

其他可影响时隙格式的因素：

DCI调度

2. Semi-static半静态相关配置

频率

5G频谱分为两个区域FR1和FR2，FR（FrequencyRange）即频率范围。FR1的频率范围是450MHz到6GHz，也叫Sub6G（低于6 GHz），经常也会说5G部署在3.5G上。FR2的频率范围是24GHz到52GHz，这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的，也叫毫米波mmWave（严格来说大于30GHz才叫毫米波（10毫米波））。

FR1的优点是频率低，绕射能力强，覆盖效果好，是当前5G的主用频谱，带宽范围为（5,10,15,20,25,30,40,50,60,80,100）MHZ。

FR2的优点是超大带宽，频谱干净，干扰较小，作为5G后续的扩展频率。未来很多高速应用都会基于此段频谱实现，5G高达20Gbps的峰值速率也是基于FR2的超大带宽。带宽范围为（50,100,200,400）MHZ。

5G上下行也存在FDD和TDD 2种配置，LTE时FDD和TDD的帧结构是2个标准，在5G中只有一个标准，但是也支持FDD和TDD上下行的配置。目前武汉移动的NSA为TDD配置模式。

目前我国仅对FR1中的频段进行了分配，其中

中国移动：2515MHz-2675MHz共160MHz，频段号为n41，以及4800MHz-4900MHz共100MHz，频段号为n79；目前武汉移动的配置100M:2515`2615,60M:2515`2575

中国电信：3400MHz-3500MHz共100MHz，频段号为n78；

中国联通：3500MHz-3600MHz共100MHz，频段号为n78；

目前中国移动LTE D频段（2575-2635MHz）  分为D1、D2、D3三个频点：

D1频率范围为2575-2595MHz，中心频点为2585MHz，绝对频点号（EARFCN）37900；

D2频率范围为2594.8-2614.8MHz，中心频点为2604.8MHz，绝对频点号（EARFCN）38098；

D3频率范围为2614.6MHz-2634.6MHz，中心频点为2624.6MHz，绝对频点号（EARFCN）38298。 

D7频率范围为2634.4MHZ-2654.4MHZ，中心频点为2644.4MHZ,绝对频点号（EARFCN）

从频率上看如果配置5G配置了60M带宽，则LTE D1,D2,D3,D7均不需要退频，如果配置了100M，则D1,D2需要退频,D3,D7不需要退频。

物理资源

5G的物理资源单位包含时域，频域和空域3个维度，前面已初步了解时域和频域的概念。

天线端口：5G关键技术MassiveMIMO为大规模多天线技术，从LTE时代的1/2/4/8天线发展到64/128/256天线。信号发射从水平面发展到三维面发射。

天线端口的特性：若在一个天线端口上传输的某一符号的信道的大尺度特性，可以从另一个天线端口上传输的某一符号的信道推知，则这两个天线端口被称为是准共定位（quasi co-located，QCL）。大尺度特性包括一个或多个时延扩展，多普勒扩展，多普勒频移，平均增益，平均时延，空间Rx参数。

资源块RB（Resource Block）：频域上连续

个子载波。

参考资源块RRB（Reference ResourceBlock）：在频域上从0开始编号。参考资源块0的子载波0对于所有的子载波配置是公共的，也被称为“参考点A”，并且用作其他资源块格的公共参考点。参考点A从以下高层参数获得：

1. PRB-index-DL-common for a PCell downlink

2. PRB-index-UL-common for a PCell uplink

3. PRB-index-DL-Dedicated for an SCelldownlink

4. PRB-index-UL-Dedicated for an SCelluplink

5. PRB-index-SUL-common for a supplementaryuplink

公共资源块CRB（CommonResource Block）：在子载波间隔配置μ的频域上从0开始编号。子载波间隔配置μ下的公共资源块0的子载波0与“参考点A”一致。

资源栅格：对于每个参数集和载波，资源栅格（Resource grid）定义为个子载波和 个OFDM符号，起始公共资源块由高层信令指示。表示DL（downlink）或UL（uplink），在不会产生混淆时，下标可省略。每个天线端口 p、每个子载波间隔配置 μ 以及每个传输方向（上行或下行），对应一个资源格。

上下行对应的最大最小RB数：

这里需要注意5G的RB只有频域的概念，没有时域的概念，通常就是一个Symbol的长度。RB的DCI授权时，需要指定Symbol的数目。

BWP（Bandwidth Part）：

5G的带宽最小可以是5MHz，最大能到400MHz。如果要求所有终端UE都支持最大的400MHz，无疑会对UE的性能提出较高的要求，不利于降低UE的成本。同时，一个UE不可能同时占满整个400M带宽，如果UE采用400M带宽对应的采样率，无疑是对性能的浪费。此外，大带宽意味着高采样率，高采样率意味着高功耗。

NR在调度上和LTE不一样，LTE按照每个tti来调度， NR调度引入了BWP：Bandwidth Part，即一部分带宽。也用Bandwidth Adaptation指代这个技术，即带宽自适应变化。在LTE中，UE的带宽跟系统的带宽保持一致，解码MIB信息配置带宽后便保持不变。在NR中，UE的带宽可以动态的变化。如下图为例来解释BWP：

T1时刻，UE的业务量较大，系统给UE配置一个大带宽（BWP1）；T2时刻，UE的业务量较小，系统给UE配置了一个小带宽（BWP2），满足基本的通信需求即可；T3时刻，系统发现BWP1所在带宽内有大范围频率选择性衰落，或者BWP1所在频率范围内资源较为紧缺，于是给UE配置了一个新的带宽（BWP3）。

UE在对应的BWP内只需要采用对应BWP的中心频点和采样率即可。而且，每个BWP不仅仅是频点和带宽不一样，每个BWP可以对应不同的配置。比如，每个BWP的子载波间隔，CP类型，SSB（PSS/SSSPBCH Block）周期等都可以差异化配置，以适应不同的业务。

UE可以在下行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个DL BWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外接收PDSCH，PDCCH，CSI-RS或TRS。

UE可以在上行链路中被配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个UL BWP处于激活状态。如果UE配置有辅助（supplementary）上行链路，则UE可以在辅助上行链路中另外配置多达四个BWP，并且在给定时间内只有一个辅助UL BWP处于激活状态。UE不应在激活的BWP之外传输PUSCH或PUCCH。

在NR FDD系统中，一个UE最多可以配置4个DL BWP和4个UL BWP。在NR TDD系统中，一个UE最多配置4个BWP Pair。BWP Pair是指DL BWP ID和UL BWP ID相同，并且DL BWP和UL BWP的中心频点一样，但是带宽和子载波间隔可以不一致。

BWP分类：

Initial BWP : 用于UE接入前的信息接收，主要是用于接收SIB和RA相关信息，一般在Idle态时使用。

First Active BWP: 第一个UE 专有BWP，UE可在这个BWP上进行数据的收发和PDCCH检索。

default BWP: UE专有BWP，协议提供了参数defaultDownlinkBWP-Id来给UE配置一个默认的DLBWP，如果高层没有配置这个参数，则UE认为initial DL BWP就是默认的DL BWP。在激活了某个DL BWP时，启动该定时器，定时器超时后，跳转到defaultDownlinkBWP，如果没有配置defaultDownlinkBWP，则跳转到initialDownlinkBWP。

BWP最基本的配置信息包括：

locationAndBandwidth：通过RIV的形式来指示BWP的PRB起始位置和占用的PRB个数。

2. SCS (subcarrier spacing)。

编码和速率匹配

在计算机网络或者无线网络传输中，总会存在各种干扰，导致数据无法解调，如果不通过方法克服，则重传率会大大增加，编码的目的就是通过各种方法，让传输错误的数据可以解调，如16个1重复3次编码成48个1，则第一次错了，通过后面2次的对比可以获得正确的数据，避免重传。同时编码必然带来编码效率的问题，即资源浪费的问题，则必须要考虑干扰的严重情况，明显计算机有线传输的误码几率要大大小于无线传输的误码几率，则对应相同的误码率要求情况下，计算机网络传输可以采用编码率更高的编码方式，无线传输采用编码率更低的编码方式。

随着通信的发展，在4G时采用的是Turbo编码，在5G中业务信道使用LDPC编码，控制信道使用Polar编码。

Turbo编码:

Turbo编码是法国电信研究院在1993年提出，1996年被IMT2000确定为3G的编码标准，一直延续到4G均使用其编码。

仿真结果表明码率为1/2 的Turbo码在达到误比特率（BER) ≤ 10−5时，Eb/N0仅为约0.7dB （这种情况下达到信道容量的理想Eb/N0值为0db），远远超过了其他的编码方式。

LDPC编码：

LDPC: Low Density Parity Check Codes，低密度奇偶校验码,美国人Gallager 1963年在麻省理工（MIT）博士毕业论文提出，由于当时计算机计算能力不行，一直得不到应用。需要注意的是虽然目前高通主推LDPC，华为主推Polar，但是这2个编码方式均不属于2个厂家，他们做的是编码的实施，如编码矩阵等等。

Polar编码：极化编码，土耳其人Arikan2008年在国际信息论大会上提出，华为2010年开始Polar码的研究。Arikan的博士论文导师是Gallager，5G的编码方式之争某种意义上说是师徒之战，弟子不必不如师。

3种编码方式的对比:

目前3GPP只是规定了EMBB的编码方式，在数据信道（长码）之争时，Turbo、LDPC、Polar 3个选项绝大多数厂家均支持LDPC，最终LDPC被确定为长码的编码方式，在控制信道TBCC（咬尾卷积编码）和Polar之争中Polar获胜，被确定为控制信道的编码方式。

速率匹配：Rate Matching，信道编码后信道速率和物理层资源速率不匹配，需要做速率匹配，完成信道数据对物理层数据的映射。

信道

信道分为逻辑信道、传输信道、物理信道，逻辑信道是RLC层和MAC之间的信息交互点，传输信道是MAC层和物理层之间的信息交互点，物理信道是空口即ENB和UE之间的信息交互点。

逻辑信道数据经过MAC层处理后映射到传输信道，传输信道经过物理层处理后映射到物理信道。

回顾下LTE的信道映射图：

调制介绍

数字信号：通信使用的信息一般用二进制数字来描述，二进制数字即数字信号。

模拟信号：电信号或者光信号，以电平或者光强的大小来模拟的有规律的信号。

A/D转换器 （Digital to Data Converter:ADC）：将模拟信号转换为数字信号。

D/A转换器：将数字信号转换为模拟信号。

基带信号：基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信中则指相应的电脉冲。在通信中即二进制转换后的模拟电信号或者光信号，一般在基站侧为电信号，在传输侧为光信号。（光纤接光电转换器转成电信号输送到基站侧）。

调制：将模拟信号调制为具有某些特性，并且适合无线传输的信号，一般分为2次调制的过程，第一次调制为增加特性，第二次调制则将低频信号通过振荡电路调制为适合无线传输的高频信号。

第一次调制（数字调制）：首先完成加扰，加扰的目的有2个，第一个是避免出现长连续的0或者1，长连续的0或者1容易使信号失真，不容易解调。这个目的完全是为了便于信号解调，第二个是为了加上小区特性，在LTE中加扰是和PCI相关的，通过加扰来区别小区信号。完成加扰后的信号通过QPSK、16QAM、256QAM等调制方式将数字信号调制，完成后在层映射，即在信号上加入层的信息，完成天线端口映射，在信号上加上天线端口的信息。

第二次调制（模拟调制）：通过振荡电路将低频电信号调制为适合无线传输的高频信号。高频信号的调制和网络部署频率相关，如将低频电信号调制到3.5GHZ或者调制到毫米波上。

预编码、码本矩阵、非码本矩阵

在LTE和5G通信中，每个子载波均为一个信道，使用了MIMO技术后则每个天线端口的每个子载波均为一个信道，2*2发射则原来的一个子载波信道扩展成了2个子载波信道。增加系统容量，提升吞吐率，从理论上来看,多天线的空分复用能成倍增加系统容量。但实际上并非如此,如，2*2MIMO的容量C（容量）小于两倍的SISO容量，因为容量增加必然带来干扰增大，干扰主要是由于信道矩阵中信道的相关性造成的，为了消除信道相关性造成影响，需要在接收端对H进行评估，并做线性均衡，最大化MIMO信道矩阵H的容量。

预编码（Precoding）：为了获取更高的MIMO容量，接收机侧需要对MIMO的发射矩阵H中的每个信道都进行均衡处理，消除信道间的影响，这样增加接收机的实现复杂度和增加系统开销。另一个是，若通过增加天线空间来消除信道间的影响，但天线近处的杂散环境使实现难度增加。于是提出了通过技术改进解决，通过改变发射机的发射方式，对发射信号进行预处理，辅助接收机消除信道间的影响，这种发射方式的改变就是通过预编码实现的。

码本矩阵：（Codebook）:在预编码的过程中使用的编码方式，由于预编码时对多个信道预编码，则编码方式也是对应多个信道，则多个编码方式构成了码本矩阵。3GPP定义了一系列码本矩阵V，eNodeB和ue侧均可获得，应用时根据PMI选择一个可以使信道矩阵H容量最大的V。预编码实际上就是在发射端对发射信号S乘以V。

非码本矩阵：非码本预编码利用了信道的互易性特性，eNode B根据上行发送信号获得上行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在TDD系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销，有利于eNode B灵活选取预编码矩阵。非码本方式的预编码矩阵的选择取决于eNode B的具体实现算法，不需要通过下行控制信令通知所用的预编码矩阵。为了使UE能够进行相干解调，需要发送专用导频使UE估计预编码后的等效信道。专用导频也经过了与业务数据相同的预编码处理。

逻辑信道

逻辑信道关注的是传输什么内容（广播、寻呼、业务），什么类别的信息（控制、业务）。根据类型分为：控制消息（控制平面的信令，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RLC传到MAC层的SAP（Service Access Point:服务接入点）。

5G的逻辑信道:

BCCH:广播控制信道，承载广播信息，即系统消息的承载。

PCCH：传输控制信道，承载寻呼信息

CCCH：公共控制信道，这个信道和专用控制信道的区别是公共控制信道属于整个小区，在公共控制中使用，不需要专门分配给某个UE，UE可以通过抢占的形式使用。

DCCH：专用控制信道，小区专门分配给UE的控制信道，属于某个UE，UE通过该信道和小区交互，存在资源分配的过程。

DTCH：专用业务信道，分为上行和下行，承载上下行业务。

传输信道

逻辑信道的数据经过MAC层处理后，由对应的传输信道传输到物理层，某些由MAC层提供的服务数据也会经过传输信道传输到物理层。即逻辑信道必然有对应的传输信道，但是传输信道不一定有对应的逻辑信道。

BCH：广播信道，承载BCCH的广播，需要注意BCCH部分内容还映射到DL-SCH。

DL-SCH：下行共享信道，承载下行业务和控制信息。CCCH、DCCH、DTCH和部分的BCCH内容均映射到该信道。

PCH：寻呼信道，PCCH映射到该传输信道。

UL-SCH：上行共享信道，承载上行业务和控制信息。CCCH、DCCH、DTCH均映射到该信道。

RACH：随机接入信道，MAC层随机接入的信息映射到该传输信道。

上行物理信道和物理信号

5G的上行链路和LTE类似，包含信道：PRACH、 PUCCH、PUSCH，信号：DM-RS、PT-RS、SRS，信道映射如下：

3.6.5.1 上行物理信号

DM-RS：DemodulationReference Signal,解调参考信号，用于对PUCCH和PUSCH信道解调，伴随PUCCH和PUSCH信道传输。

PT-RS：PhaseTracking Reference Signal,相位跟踪参考信号，用于校正由于晶振相位误差引起的干扰，伴随PUSCH传输。

SRS：SoundingReference Signal,探测参考信号，用于上行信道质量评估，便于后期分配上行信道，独立传输。UE可以配置多个SRS组，不同的SRS组可以同时传输。

PUSCH信道

PUSCH：PhysicalUplinkSharedChannel，物理上行共享信道，主要承担上行业务，上行CCCH（公共控制信道）、DCCH（专用控制信道）。DTCH（专用业务信道）映射到UL-SCH（上行共享信道，属于传输信道），UL-SCH信道映射到该物理信道。

从信道映射上看，PUSCH承载公共控制信息、专用控制信息、专用业务信息的传输。

下图是PSUCH的信道编码过程：

TB：TransportBlock，传输块，从MAC层传输过来的信息块，包含CCCH、DCCH、DTCH信息的传输块。当前为二进制数字格式。

CRC：CyclicRedundancy Check,循环冗余检校，即在原二进制文件上添加检校位，便于接收端检校是否存在传输错误，一般为二次CRC（先分段，在每段上加CRC，在合并，整体加CRC）。5G的CRC包括6,11,16,24A，24B，24C。（数字表示增加的CRC比特位）。

编码：PUSCH是业务信道，采用LDPC编码，分为Graph1和Graph2选项。大包使用Graph1，小包使用Graph2。

加扰：加扰的目的主要在于将干扰信号随机化，在发送端用小区专用扰码序列进行加扰，接收端再进行解扰，只有本小区内的UE才能根据本小区的ID形成的小区专用扰码序列对接收到得本小区内的信息进行解扰，这样可以在一定程度上减小临小区间的干扰，一般使用SI-RNTI加扰。

调制：采用QPSK、16QAM、64QAM、256QAM的方式调制，调制出的是数字的复制符号，即Symbol。当采用传输预编码时，还可以使用BPSK的调制方式。采用传输预编码即使用DFT-S-OFDM,由RRC层参数和DCI指示，主要目的是为了降低PAPR。

层映射：首先需要理解码字的概念，4/5G均属于码分通信，即同一个频率上通过码分的概念可以形成多个通道，传输多个TB块，那么同一个频率上传输的2个传输块即表示支持2个码字传输。4个传输块表示支持4个码字传输。但是码字的数量和天线的端口数不一致，需要引入层的概念，如计划使用4个天线端口传输，则需要有4层，并且通过速率匹配将4个码字映射到4个层，在数据上加上层标识。层的数量小于或等于传输天线端口数量。层的数量又用秩RI来表示。

传输预编码：即采用ODFM或者DFT-OFDM方式将层映射后的数据映射到并行的多流数据上，便于后期映射到子载波上。

预编码：基于码本或者基于非码本的预编码技术，用于构建信道矩阵数据。

VBR/PRB映射：将数据映射到载波上。

PUCCH信道

PUCCH: PhysicalUplinkControlChannel,物理上行控制信道,用于承载UE到GNB的UCI控制信息，包括CSI（PMI/RI/CQI），ACK/NACK，SR等信息，长格式的PUCCH需要传输预编码；PUCCH信道的编码格式根据UCI的长度。

PUCCH的格式：

伴随PUCCH的DM-RS和PUCCH时域或者频域复用：

当有UL-SCH传输块需要传输或者无传输快需要传输却触发了CSI传输，PUSCH和UCI会同时发生，则UCI可以复用到PUSCH信道。承载1-2比特的ACK/NACK UCI采用PUSCH减码的方式复用，其他情况则采用速率适配复用。

PRACH信道

PRACH:PhysicalRandomAccessChannel,物理随机接入信道，传输信道RACH映射到该信道。用于UE接入网络。

LTE系统中使用Zaddof-Chu（ZC）序列作为PRACH信道的上行同步序列；也称为PRACH Preamble（前导码）。LTE支持两种长度的ZC序列，根据根索引序列，通过循环移位生成多个序列。分别支持长度为839或者139的ZC长度序列。NR中的PRACH信道沿用了LTE 的ZC序列设计。在LTE中叫Nzc，在NR中成为Lra,名称不同，意义相同。

在UE静止或者低速移动场景下，不考虑多普勒频移时，循环移位的使用没有限制（循环移位配置和覆盖半径关系是另一回事）。即UE根据小区下发的高层参数zeroCorrelationZoneConfig ，即一共64个随机接入Preamble。

对于一个根序列，经过循环移位后生成的Preamble个数为Lra，当Lra小于64时，根索引序号+1后，继续通过循环移位生成Preamble，直到满足64个Preamble。

当循环移位配置为0时，直接通过根索引递增的方式，生成64个Preamble。

在UE高速移动场景下，由于多普勒频移效应，频偏会导致基站在检测PRACH信道时，时域上出现额外的相关峰。伪相关峰会影响基站对PRACH的检测，因此在UE高速移动场景下，针对不同根索引序列，要限制使用某些循环移位，来规避这个问题。因此LTEPRACH的循环移位，支持限制集配置。配置限制集后循环移位集合的计算变得复杂一些。从应用场景上看，通常认为LTE支持UE移动速度可以达到350km/h，而NR则要求支持UE移动速度达到500km/h。LTE和NR中， PRACH信道都支持非限制集，限制集A和限制集B配置。NR的限制集B可以支持更高的高速场景，所能支持的循环移位个数更少。

3.6.5.4.1 839长度的ZC序列

NR支持4种长度为839的Preamble的PRACH格式（PRACH Format 0/1/2/3），子载波间隔{1.25, 5}kHz。支持非限制集，限制集A，限制集B。

K为时间系数单位，值为64，其中Ts=k*Tc，Tc为NR的最小时间单位，Ts为LTE的最小时间单位。

PRACH Format 0：沿用了LTEFormat 0的时域设计，时长1ms，其中CP，Sequence，GAP长度和保持LTEFormat 0一致。GAP支持的最大覆盖距离14.53km，Format 0用于普通覆盖场景。

PRACH Format 1：沿用了LTEFormat 3时域设计，时长3ms，其中CP，Sequence，GAP长度和保持LTEFormat 3 一致。GAP支持的最大覆盖距离107km，Format 1用于超远距离覆盖场景。

PRACH Format 2：该Format有点特殊，时长3.5ms，其中Sequence重复发送4次，适用于需要覆盖增强的场景，例如室内场景，GAP支持的最大覆盖距离为22.11km。

PRACH Format 3：时长和Format0相同为1ms，子载波间隔为5kHz，适用于高速移动场景（500km/h），GAP支持的最大覆盖距离为14.53km。

3.6.5.4.2 139长度的ZC序列

PRACH A1/A2/A3/ B1/B2/B3/B4/ C0/C2，短序列格式，子载波间隔可配置{15, 30, 60, 120}kHz。

A1/A2/A3：

B1/B2/B3/B4:

C0/C2：

和LTE类似，通过PRACH 配置索引确定PRACH Format，时域发送帧号，子帧号，PRACH时隙，符号等时域信息。规范38211定义三个表格，分别为对应FR1 FDD/SUL，FR1 TDD，FR2 TDD，PRACH配置索引范围均为 0-255。

3.6.5.4.3 PRACH信道配置特性

对于长序列PRACH配置（低频时），PRACH时长为1/3/3.5ms，特点如下：

FDD或者SUL时，PRACH时域配置比较灵活，约束少，可以稀疏配置，也可以密集配置。

TDD Format 0/3（1ms），时域优先配置在子帧9（和上下行子帧配置相关）；在PRACH密集配置时，可以配置在子帧4/9（和上下行子帧配置相关）；在非常密集配置时，也可以配置在多个子帧上，例如7,8,9或者1,3,5,7,9等配置。

TDD Format 1（3ms），配置在子帧7。

TDD Format 2 （3.5ms），配置在子帧6（符号0），在密集配置时，也可以在配置在子帧6（符号7）开始，节省了前面7个符号位置。

对于短序列PRACH配置（子载波间隔15*2μ kHz，远大于长序列子载波间隔1.25/5kHz），PRACH时长较短，为2-12 OFDM符号，符号长度和子载波间隔相关。

一个子帧内可以包含多个PRACH时隙。

一个PRACH时隙内可以有多个PRACHOccasions（PRACH发送时刻）， 每个子帧内的PRACH开始符号可以较灵活配置。

PRACH从发送时刻开始的时长（OFDM符号）和格式相关。

PRACH信道和小区覆盖半径

小区半径的计算以Format0举例说明如下：

根据PRACH信道格式分析小区支持的最大覆盖半径，需要考虑用户间干扰和符号间干扰。

用户间干扰—基站接收到的小区最远用户的PRACH最后时域位置，不能和下一个上下行资源冲突。PRACH信道GAP和时长可以保护用户间干扰。

符号间干扰—小区最远用户的PRACH发送信号经过空中无线信道多径传输后，符号之间的干扰不能超过CP时长保护的范围。CP时长也可以用来保护用户间干扰。

小区中循环移位的大小Ncs和小区最大覆盖半径之间也有关系。通常情况下，是根据PRACH格式和规划的小区覆盖半径，来规划Ncs的大小，不是用Ncs的值来限定小区最大覆盖半径。

长序列覆盖：

短序列覆盖（以SCS为15KHZ举例说明）:

下行物理信道和物理信号

5G的下行物理信道基本延续了4G的物理信道，主要分为PBCH,PDCCH,PDSCH信道，下行信号分为同步信号PSS/SSS,参考信号DM-RS，PT-RS,CSI-RS。

3.6.6.1 PBCH信道

PBCH：PhysicalBroadCastChannel，物理广播信道，主要承载小区系统消息的MIB信息。具体内容如下：

系统帧号：字符串（长度为6）,10bit

公共子载波间隔：枚举型SCS15/30/60/120,即传递SIB1的PDCCH和PDSCH子载波间隔，1bit

SSB子载波偏置：SSB,即PSS,SSS BLOCK，PSS和SSS传输块。整数（0-15）,4bit

TypeA DM-RS位置：承载SIB1的PDSCH的时域位置，枚举（Symbol POS2/POS3:），1bit

SIB1的PDCCH配置：与SIB1相关的PDCCH的配置，整数（0-255），8bit

小区禁止：枚举（Barred/notBarred）,1bit

同频重选：枚举（Allowed/notAllowed）,1bit

预留Space: 预留信息位置，1bit

Half Frame Indicator: 半帧指示，1bit

Choice: 指示是否为扩展MIB（用于向前兼容），1bit

SSB索引：当载波大于6GHZ时，指示SSB索引的高3bit，低于6GHZ时，1bit用于指示最高位，2bit预留。

 

　　审核编辑：汤梓红