5G无线技术基础自学系列 | 5G下行物理信道和信号

Posted 2022-12-11 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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5G空中接口下行的物理信道包括PB CH、PDCCH、PDSCH， 物理信号包括PSS、SSS、CSI-RS、PT-RS。

3.4.1 SSB

NR中PSS/SSS和PBCH组合在一起， 使用SS/PBCH Block表示， 简称SSB， SSB在时域上占用连续的4个OFDM符号， 在频域上占用连续的240个子载波(20个RB) 。SSB的结构如图3-11所示。

PSS和SSS占用4个OFDM符号中的符号0和符号2， 并且只占用240个子载波中的中间连续的127个RE， PBCH占用符号1和符号3的共240个RE，以及符号2中的047和192239RE，剩余的全部为0RE。PSS和SSS序列长度为127， 在频域上占用127个RE， 在时域上各占用一个符号； UE通过PSS/SSS序列可以获取Cell ID：NR中将Cell lD进行了分组， 共三组， 每组336个Cell lD。PSS和SSS用于UE进行下行同步， 包括时钟同步、帧同步和符号同步； 也可以获取Cell lD。5G中的Cell lD总共有1008个， 是LTE 中的2倍，取值为0~1007。

PBCH用于获取用户接入网络中的必要信息， 如系统帧号(SFN) 、初始BWP的位置和大小等信息。PBCH占用SSB中的符号1和符号3， 以及符号2中的部分RE。PBCH的每个RB中包含3个RE的DMRS导频， 为避免小区间PBCH DMRS干扰， 3GPP中定义了PBCH的DMRS在频域上根据Cell ID隔开， 即DM-RS在PBCH的位置为0+v， 4+v， 8+v， … ， v为PCI mod 4的值。

每个SSB都能够独立解码， 并且UE解析出来一个SSB之后， 可以获取Cell lD、SFN、SSB Index(类似于波束ID) 等信息； Sub3G最多可定义4个SSB(TDD系统的2.46GHz也可以配置8个SSB) ；Sub3GSub6G最多可定义8个SSB； Above 6G最多可定义64个SSB。每个SSB都有一个唯一的编号(SSB Index) ， 对于低频， 这个编号信息直接从PBCH的导频中获取； 对于高频， 低于3bit时从PBCH导频信号中获取， 高于3bit时从MIB信息中获取； 网络可以通过SIB1配置SSB的广播周期， 周期支持5ms、10ms、20ms、40ms、80ms和160ms。

3.4.2 物理下行控制信道

PDCCH用于传输来自L1/L2的下行控制信息， 主要内容有以下3种类型。

(1) 下行调度信息(DL assignments) ， 以便UE接收PDSCH信息。

(2) 上行调度信息(UL grants) ， 以便UE发送PUSCH信息。

(3) 指示插槽格式指示符(Slot Format Indicator， SFI) 、优先指示符(Pre-emption Indicator， PI)和功率控制命令等信息，辅助UE接收和发送数据。

PDCCH传输的信息为下行控制信息(Downlink Control Information， DCI) ， 不同内容的DCI采用不同的RNTI来进行CRC加扰； UE通过盲检测来解调PDCCH； 一个小区可以在上行和下行同时调度多个UE，即一个小区可以在每个时隙发送多个调度信息。每个调度信息在独立的PDCCH上传输， 也就是说， 一个小区可以在一个时隙上同时发送多个PDCCH。小区PDCCH在时域上占用1个时隙的前几个符号， 最多占用3个符号。图3-12所示为PDCCH示意图， 其中，每个方格表示一个RE，“X”代表PDCCH DMRS信号(固定占用1号、5号、9号子载波) ， 灰色方格代表PDCCH。

控制信道元素(Control Channel Element， CCE) 是PDCCH传输的最小资源单位， 一个CCE由6个REG组成， 1个REG的时域宽度为1个符号， 频域宽度为1个PRB。控制信道就是由CCE聚合而成的。聚合等级表示一个PDCCH占用的连续的CCE个数， Rel-15支持CCE聚合等级为1， 2， 4，8， 16 ， 其中， 16为NR新增的CCE级别。CCE的聚合等级为1时， 包含的CCE7数量为1， 以此类推， 如表3-6所示。gNodeB根据信道质量等因素来确定某个PDCCH使用的聚合等级。

LTE中PDCCH资源相对固定， 频域为整个带宽， 时域上为13个符号， 而5G中的PDCCH时域和频域的资源都是灵活的， 因此， NR中引入了CORESET的概念来定义PDCCH的资源。CORESET主要指示PDCCH占用符号数、RB数以及时隙周期和偏置等。在频域上， CORESET包含若干个PRB， 最小为6个；在时域上， 其包含的符号数为13。每个小区可以配置多个CORESET(0~11) ， 其中， CORESET0用于RMSI的调度， CORESET必须包含在对应的BWP中。一个CORESET可以包含多个CCE， 1个CCE包含了6个REG； 一个REG对应频域中的一个RB、时域中的一个符号。

每个搜索空间都有一个对应的所属CORESET， 每个搜索空间在配置该空间时都需要使用盲检的DCI格式。UE对PDCCH进行盲检时， 是在对应的CORESET及对应的搜索空间中， 针对不同的聚集级别盲检相应的DCI。

UE会在non-DRX时隙监听PDCCH candidates集合， 该集合被称为该UE的搜索空间。每个用户盲检PDCCH的搜索空间与特定的CORESET进行关联， 搜索空间会指示CORESET出现的周期和资源信息。

3.4.3 物理下行共享信道

PDSCH用于承载多种传输信道， 如PCH和DL-SCH。PDSCH PHY层处理过程如图3-13所示，其中包括以下5个重要的步骤。

(1) 加扰：扰码ID由高层参数进行用户级配置； 不配置时， 默认值为Cel ID。

(2) 调制：调制编码方式表格由高层参数mc-Table进行用户级配置， 指示最高阶为64QAM或256QAM。

(3) 层映射：将码字映射到多个层上传输，单码字映射14层，双码字映射58层。

(4) 预编码加权：将多层数据映射到各发送天线上； 加权方式包括基于SRS互易性的动态权、基于反馈的PMI权或开环静态权； 传输模式只有一种， 加权对终端透明， 即DMRS和数据经过相同的加权。

(5) 资源映射：时域资源分配由DCI中Time domain resource assignment字段指示起始符号和连续符号数； 频域资源分配支持Type0和Type1， 由DCI中Frequency domain resource assignment字段指示。

PDSCH采用OFDM符号调制方式， 起始符号和结束符号都由的CCE DCI指示。调制方式包括QPSK/16QAM/64QAM/256QAM， 支持LDPC编解码。PDSCH在时隙结构中的位置如图3-14所示。

和LTE相比， NR中PDSCH最大的变化是引入了时域资源分配的概念， 即一次调度的PDSCH资源在时域上的分配可以动态变化，粒度可以达到符号级。PDSCH时域资源映射类型(Mapping Type) 分为两种。

Type A：在一个时隙内， PDSCH占用的符号从0， 1， 2， 3 符号位置开始，符号长度为314个符号(不能超过时隙边界)。这种分配方式分配的时域符号数较多，适用于大带宽场景。典型应用场景为时隙内占用符号02位的PDCCH、占用符号3~13位的PDSCH， 即占满整个时隙， 因此， Type A也通常被称为基于时隙的调度。

Type B：在一个时隙内， PDSCH占用的符号从0， 1， …， 12 符号位置开始， 但符号长度限定为2， 4， 7 个符号(不能超过时隙边界) 。在这种分配方式中， PDSCH起始符号位置可以灵活配置， 分配符号数量少， 时延短， 适用于低时延和高可靠场景， 可实现uRLLC应用。

PDSCH时隙内的符号资源分配， 由开始符号位置“S”和PDSCH分配的符号长度“L”决定。针对Type A和Type B， 表3-7中定义了S值和L值的组合。

NR的PDSCH频域资源支持基于位图(Bitmap) 的分配和基于RⅣ的分配， 如表3-8所示， 而不再支持比较复杂的LTE Type 1型分配方式。

在Type 0方式中， RB分配按照RBG位图指示。RBG是一个连续VRB的集合，大小由RRC高层参数PDSCH-Config->rbg-Size配置和BWP共同决定， 如表3-9所示。RBG最小为2个RB，最大为16个RB。在此类型中，可以将多个连续的RB捆绑到RBG中，并且仅在RBG的倍数中分配PDSCH/PUSCH。可以在DCI中指定位图， 指示携带PDSCH或PUSCH数据的RBG号。在这种分配方式中， RBG不要求连续。

Type 1使用了资源指示值(Resource Indication Value， RIV) ， 即利用开始RB和连续RB长度指示资源。该方式与LTE类似。

两种频域资源分配方式的对比：和Type 0相比， Type 1分配的频域资源比较“精确”， 最小粒度能达到RB级，其缺点是只能分配连续的RB资源，不利于基于频域资源进行调度。

3.4.4 PT-RS

相位跟踪参考信号(Phase Tracking-Reference Signal， PT-RS) 是5G新引入的参考信号， 用于跟踪相位噪声的变化，主要用于高频段。

由于诸如射频器件在各种噪声(随机性白噪声、闪烁噪声)等作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，以及接收段SINR恶化， 造成大量误码， 从而直接限制了高阶调制方式的使用， 严重影响了系统容量。其对于低频段(Sub6G) 影响较小。而在高频段(Above 6G) 下， 由于参考时钟源的倍频次数大幅增加以及器件工艺水平和功耗等不同，相位噪声响应大幅增加，影响尤为突出。引入PT-RS以及相位估计补偿算法，增大了子载波间隔， 减少了相位噪声带来的ICI和ISI影响， 从而提升了本振器件质量， 降低了相位噪声。

3.4.5 CSI-RS

在LTE中，由于存在CRS(最多4天线端口) ， 在空分复用层数不超过4层时， UE对CRS进行测量并上报信道状态信息(Channel State Information， CSI) 即可。LTE Rel-10中引入了CSI-RS的概念，可以支持大于4层空分复用和大于4个的天线端口信道状态反馈。NR中， 由于没有CRS， 所以需要CSI-RS来对多天线端口信道(最多32个) 状态进行反馈和时频域跟踪。和CRS相比， NR中的CSI-RS开销更小，支持天线端口数更多。CSI-RS功能和分类如表3-10所示。

CQl的取值是1~15。每个CQI对应一种调制方式和码率， 支持64QAM和256QAM， CQl和调制方式/码率对应关系不同， 高层信令配置CQI对应3张表格， 分别为64QAM、256QAM和uRLLC的CQI。

理论上，对于一个MIMO通信系统， 如果UE对参考信号的测量反馈能够精确到对每个端口，每层上的复制信号都反馈相位、幅度等信息，则对信道的描述最准确，最有利于基站的预编码。但是，这样的系统无法承受如此大的用于信道反馈的负荷开销。因此， LTE和NR都引入了码本(CodeBook) 和预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI）的概念， 用于信道预编码和UE反债信道描述。码本是对空间进行有限数量的分割，码本中的每个元素对应一个预编码矩阵，UE只需要反馈预编码矩阵的索引，即可表示相关信道描述。