5G无线技术基础自学系列 | 5G NR和LTE信道结构比较

Posted 2022-11-26 COCOgsta

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信道就是信息处理的流水线。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撑的关系。彼此必须有清晰的工作界面，避免相互推诿、互相扯皮，避免出现像人和人之间在协作过程中常犯的错误那样。不同的信息类型需要经过不同的处理过程。上一道工序把自己处理完的信息交给下一道工序时，要有一个双方都认可的标准，这个标准就是业务接入点（Service Access Point，SAP）。协议的层与层之间要有许多这样的业务接入点，以便接收不同类别的信息。狭义地讲，不同协议层之间的业务接入点（SAP）就是信道。这时，信道的含义就是下一层向它的上层提供服务的标准接口，即业务接入点SAP。

广义地讲，发射端的信源信息，经过层3、层2和物理层的处理，发射到无线环境中，然后接收端接收到无线信息，经过物理层、层2和层3的处理被用户高层所识别的全部环节，就是信道。

和LTE相比，3GPP R15版本的5G NR信道结构改变不大。从5G NR的信道结构中，可看到LTE信道结构的影子。

11.1.1 三类信道、两个方向

5G NR采用和LTE相同的三类信道：逻辑信道、传输信道与物理信道。从协议栈的角度来看，逻辑信道是MAC层的服务接入点，传输信道是物理层和MAC层之间的服务接入点，物理信道是物理层的信息传送通道，用来把TB块的数据流通过射频通道发送到空中，或者从空中接收射频信号，把它还原成TB块的数据流，如图11-2所示。

图11-2 无线信道结构

MAC层一般包括很多功能模块，如传输调度模块、传输块（TB）产生模块等。与MAC层强相关的信道有传输信道与逻辑信道。传输信道是物理层提供给MAC层的服务，MAC层用于利用传输信道向物理层发送与接收数据；而逻辑信道则是MAC层向高层提供的服务，高层可以使用逻辑信道向MAC层发送或从MAC层接收数据。经过MAC层处理的消息向上传给高层的业务接入点，要变成逻辑信道的消息；向下传送到物理层的业务接入点（SAP），要变成传输信道的消息。

信道按照信息传送的方向可分为上行信道和下行信道。上下行信道均是以基站为参考的。上行信道是终端发送信号，基站接收信号的通道；下行信道是基站发送信号，终端接收信号的通道。上下行的区分不是按照终端和基站的地理高度来区分的。有同学认为，5G无人机飞在空中，搭载的摄像头摄取的视频资料要发送给基站，基站在下方，那么这个信号发送的方向是下行，这是典型的概念错误。从无人机的摄像头发往5G基站的信号，属于上行信号，所走的信道是上行信道。如图11-3所示。

图11-3 无人机利用上行信道发送上行信号

11.1.2 5G NR逻辑信道

逻辑信道关注的是传输什么内容，什么类别的信息。信息首先要分为两种类型：控制消息（控制平面的信令，负责工作协调，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）。逻辑信道是高层信息传送到MAC层的服务接入点。

根据传送消息的类型不同，逻辑信道分为两类：控制信道、业务信道。控制信道，只用于控制平面信息的传送，如协调、管理、控制类信息。业务信道，只用于用户平面信息的传送，如高层交给底层传送的语音类、数据类的数据包。

5G NR的逻辑信道中，控制信道有4个，业务信道有1个。

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）是广而告之的消息入口，面向辖区内的所有用户发送广播控制信息。BCCH是网络到用户的一个下行信道，它传送的信息是在用户实际工作开始之前获取的一些必要的信息。它是协调用户行为、控制用户行为、管理用户行为的重要信息。虽不干业务上的活，但没有它，业务信道就不知道如何开始工作，如何下手。

寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）是寻人启事类消息的入口。当有下行数据到达，却不知道用户具体处在哪个小区的时候，需要发送寻呼信息。PCCH也是一个网络到用户的下行信道，一般用于被叫流程（主叫流程比被叫流程少一个寻呼消息）。

公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）类似于主管和员工之间协调工作时信息交互的入口，用于多人干活时协调彼此动作的信息渠道。CCCH是上、下行双向和点对多点的控制信息传送信道，在UE和网络没有建立RRC连接的时候使用。

专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）类似于领导和某个亲信之间面授机宜的信息入口，是两个建立了亲密关系的人干活时，协调彼此动作的信息渠道。DCCH是上、下行双向和点到点的控制信息传送信道，在UE和网络建立了RRC连接以后使用。

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）是待搬运货物的入口，这个入口按照控制信道的命令或指示，把货物从这里搬到那里，或者从那里搬到这里。DTCH是UE和网络之间的点对点和上、下行双向的业务数据传送渠道。

5G NR和LTE定义的逻辑信道有相同的，也有不同的，如表11-1所示。对于BCCH、PCCH、CCCH、DCCH这4个控制信道，DTCH业务信道是二者都有的；控制信道MCCH、业务信道MTCH是LTE中为了支持MBMS而设立的逻辑信道，在5G NR中暂没有定义。逻辑信道都支持下行方向的信息传送，但上行方向，只有2个控制信道（CCCH、DCCH）和1个业务信道（DTCH）支撑。

表11-1 5G NR和LTE的逻辑信道对比

11.1.3 5G NR传输信道

传输信道关注的是怎样传以及形成什么样的传输块（TB）。不同类型的传输信道对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，如调制编码方式、交织方式、冗余校验的方式、空间复用方式等内容。

传输信道定义了空中接口中数据传输的方式和特性。传输信道可以配置物理层的很多实现细节，同时物理层可以通过传输信道为MAC层提供服务。值得注意的是，传输信道关注的不是传什么，而是怎么传。

5G NR的传输信道分为上行信道和下行信道。其中有一个共享信道（Shared Channel，SCH），可以让多个用户共同占用，也可进行信道资源的动态调度；共享信道支持上、下行两个方向。为了区别，将SCH分为DL-SCH（下行SCH）和UL-SCH（上行SCH）。其他信道所有用户均可使用，是按照一定规则分配、使用非共享模式来占用公共信道资源。

5G NR的下行传输信道有3个。

1）广播信道（Broadcast Channel，BCH），为广而告之消息规定了预先定义好的固定格式、固定调制编码方式。BCH是在整个小区内发射的、固定传输格式的下行传输信道，用于给小区内的所有用户广播特定的系统信息。

在5G NR和LTE中，只有广播信道中的MIB（Master Information Block，主系统信息块）在专属的传输信道（BCH）上传输，其他的广播消息，如SIB（System Information Block，系统信息块）都是在下行共享信道（DL-SCH）上传输的。

2）寻呼信道（Paging Channel，PCH）规定了寻人启事传输的格式，在将寻人启事贴在公告栏之前（映射到物理信道之前），要确定寻人启事的措辞、发布间隔等内容。PCH是在整个小区内进行发送寻呼信息的一个下行传输信道。为了减少UE的耗电，UE支持寻呼消息的非连续接收（DRX）。

3）下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH），规定了待搬运货物的传送格式。DL-SCH是传送业务数据的下行共享信道，支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

5G NR的上行传输信道有2个。

1）随机接入信道（Random Access Channel，RACH）规定了终端要接入网络时的初始协调信息格式，如同一个人要登门拜访领导的时候，首先要确定叩门、打电话，还是按门铃。RACH是一个上行传输信道，在终端接入网络开始业务之前使用。由于终端和网络还没有正式建立链接，RACH信道使用开环功率控制。RACH发射信息时是基于碰撞（竞争）的资源申请机制（有一定的冒险精神）。

2）上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）和下行共享信道一样，也规定了待搬运货物的传送格式，只不过方向不同。UL-SCH是从终端到网络传送业务数据的共享信道，同样支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

5G NR的传输信道设计和LTE相比，变化不大。5G NR传输信道目前比LTE少1个MCH信道，二者的对比如表11-2所示。广播信道（BCH）、寻呼信道（PCH）以及随机接入信道（RACH）为每个用户指定特定的公共资源之外，其他信息的资源占用都是所有用户共享的，这就需要MAC层对所有用户进行统一的资源调度，要兼顾业务优先级、调度的效率、公平性。

表11-2 5G NR和LTE传输信道对比

11.1.4 5G NR物理信道和信号

物理信道，就是信号在无线环境中传送的方式，即空中接口的承载通道。与物理信道对应的是实际的射频资源，如时隙（时间）、子载波（频率）、天线口（空间）。物理信道，就是确定好编码交织方式、调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道，对应的是一系列无线时频资源（Resource Element，RE）和天线逻辑端口。根据物理信道所承载的上层信息的不同，定义了不同类型的物理信道。物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载，如同交给邮局的货物被装上了一种特定交通工具（火车、飞机、轮船、汽车）。

物理信道主要用来承载传输信道来的数据，但还有一类物理信道无须传输信道的映射，直接承载物理层本身产生的控制信令或物理信令（如下行：PDCCH；上行：PUCCH）。这些物理信道和传输信道映射过来的物理信道一样，是有着相同的空中载体的，可以支持物理信道的功能。

物理信号是物理层产生并使用的、有特定用途的一系列无线资源单元（Resource Element）。物理信号并不携带从高层而来的任何信息，类似没有高层背景的底层员工，配合其他员工工作时，彼此约定好使用的信号。它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的映射关系，但从系统功能的观点来讲是必需的。

如果说物理信道是出行的康庄大道，物理信号就是道路上各种状况的信使，协助保证交通顺畅的。

（1）下行方向

下行方向有3个物理信道、3个参考信号、2个同步信号。如图11-4所示。

图11-4 下行方向信道结构图

a. 3个下行物理信道：

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：是辖区内的大喇叭，可并不是所有广而告之的消息都从这里广播（映射关系将在下一节介绍），部分广而告之的消息通过下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）：是个踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，一点不偷懒，只要略有闲暇，就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）：是发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的人（PDSCH）需要它的协调。PDCCH承载传送用户数据的资源分配的控制信息。

b. 3个下行参考信号：

CSI-RS（Channel-State Information RS，通道状态信息参考信号）用于信道质量测量和时频偏跟踪，这个信号无须伴随任何物理信道；

DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）用于PDSCH、PDCCH、PBCH解调时的信道估计；也就是下行方向有3种DMRS:PDSCH DMRS、PDCCH DMRS、PBCH DMRS；

PT-RS（Phase-tracking Reference Signals，相位跟踪参考信号）是5G NR新引入的参考信号。5G和LTE不同的是，需要工作在高频段。在高频段的时候，数据信道存在比较明显的相位噪声。PT-RS用于高频段时跟踪PDSCH相位噪声的变化。

下行物理信号和下行物理信道的关系，如图11-5所示。

图11-5 下行物理信号和物理信道的关系

c. 2个下行同步信号：

同步信号（Synchronization Signal，SS），用于小区搜索过程中UE和gNodeB的时、频同步。给空中战机加油，首先要让加油飞机与空中战机同步。同样道理，UE和gNodeB做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。

主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）：用于符号时间对准，频率同步以及小区组号的侦测；

从同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）：用于帧时间对准，CP长度侦测及小区组内编号的侦测。

下行物理信道和信号总结内容如表11-3所示。

表11-3 下行物理信道与信号总结

（2）上行方向

上行方向有3个物理信道、3个参考信号，如图11-6所示。

图11-6 上行方向信道结构图

a. 3个上行物理信道

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门，后面的事情才有门儿。如果叩门失败了，后面的事情就没法说了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦应答了，UE便可进一步和网络沟通信息。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：是上行方向发号施令的嘴巴，但干实事的人（PUSCH）需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道状态指示（Channel State Indicator）等信息。

b. 3个上行参考信号

DMRS用于PUSCH、PUCCH解调时的信道估计，也就是包括两种DMRS:PUSCH DMRS和PUCCH DMRS；

PT-RS是5G NR新引入的参考信号，用于高频段时跟踪PUSCH相位噪声变化的；

SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号）是上行方向的探测参考信号，上行方向无线环境的一种参考导频信号，不需要伴随任何物理信道，主要便于基站在无线资源调度、无线链路适配时进行上行信道状态信息（CSI）测量。

5G NR支持波束赋型（Beaforming）技术，可以将波束指向各终端。基站若要想把波束指向某个终端，首先得探测到终端的位置、上行传输通路的质量等，从而使基站的资源更精准的分配给每个终端。终端发送上行SRS信息就是基站探测终端位置和信道质量的方式之一。

5G NR中DMRS和SRS 2个参考信号都可做上行参考信号，它们的区别主要在哪里？

DMRS用于信道解调，5G NR中上下行均用；SRS是基站用于估计上行信道频域信息，做下行波束赋型，做频率选择性调度。DMRS和SRS都是在分配给UE的带宽上发送，属于UE级别参考信号。

上行物理信号和上行物理信道的关系，如图11-7所示。

图11-7 上行物理信号和物理信道的关系

上行物理信道和信号总结内容如表11-4所示。

表11-4 上行物理信道与信号总结

（3）5G NR、LTE物理信道和信号的比较

5G NR有3个下行物理信道，比LTE的下行物理信道少了很多，这样归功于PDCCH和PDCCH功能的增强。5G NR的上行物理信道和LTE数量和名称完全一致。如表11-5所示。

表11-5 5G NR、LTE物理信道和信号对比

LTE时用于下行信道估计、资源调度、切换测量下的参考信号为CRS（Cell Specific Reference Signal、小区专用参考信号）。LTE中的参考信号（RS）设计，CRS是核心，所有RS均和小区ID（Cell-ID）绑定。

5G NR淡化了小区级参考信号的概念，对参考信号（RS）的功能进行了重组，增强了信道状态指示的参考信号CSI-RS。其实，参考信号CSI-RS在3GPP的R10就已经引入，但终端支持力度弱，在实际的LTE网络中使用很少。5G NR对CSI-RS模式和配置进行了增强，可以用于RRM、CSI获取、波束管理和精细化时频跟踪等。在5G NR中除PSS/SSS以外，其他所有RS和Cell-ID解耦，均为用户级RS。

无线信道条件不断变化，UE需要测量CSI-RS得知下行信道条件，通过上行的CSI（通过PUCCH或者PUSCH）反馈给gNodeB，以便gNodeB在下行调度时考虑信道质量。此外，CSI-RS信号还可以作为时频偏跟踪的参考信号，这个在LTE中是不存在的。

5G NR控制信道和数据信道均采用DMRS解调，且对DMRS类型，端口数、配置等进行了增强；5G为PBCH信道也增加了解调参考信号DMRS。而LTE中DMRS仅上行有定义，物理信道PBCH没有DMRS。

5G NR和LTE相比，新引入伴随PDSCH和PUSCH的参考信号PT-RS，用于高频段下相位噪声的跟踪。

5G NR和LTE参考信号对比如表11-6所示。

表11-6 LTE和5G NR参考信号对比