5G无线技术基础自学系列 | 下行物理信道与信号

Posted 2022-11-27 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

一边学习一边整理内容，并与大家分享，侵权即删，谢谢支持！

附上汇总贴：5G无线技术基础自学系列 | 汇总_COCOgsta的博客-CSDN博客

---

我们知道5G NR下行方向有3个物理信道、3个参考信号、2个同步信号。信道或信号要经历物理层的处理过程，然后映射到时频资源和空间资源上。不同的信道和信号在处理过程和时频资源、空间资源映射等方面有不同的特点。

11.2.1 下行物理信道处理过程

物理信道一般要进行两大处理过程：比特级处理和符号级处理。下行方向上，从基站的角度看，比特级的处理是物理信道数据处理的前端，主要是在二进制比特数字流上添加CRC校验、进行信道编码、速率匹配以及加扰。加扰之后进行的是符号级处理，包括调制、层映射、天线端口映射、RE资源块映射、天线发送等过程。如图11-10所示。在终端侧，先进行的是符号级处理，然后是比特级处理，这与基站侧处理的先后顺序不同。

图11-10 下行物理信道处理过程

CRC校验（Cyclic Redundancy Check、循环冗余校验码），简称循环码，是一种常用的、具有检错、纠错能力的校验码。

信道编码的基本目的是抗干扰、提高信息传输可靠性。重复是信道编码的基本方法，如何重复，效果怎样才是信道编码算法的区别所在。

速率匹配是指传输信道上的比特被重发或者被打孔（punctured），以匹配物理信道的承载能力，达到传输格式所要求的比特速率。

加扰是数字信号的加工处理方法，就是用扰码与原始信号相乘，从而得到新的信号。与原始信号相比，新的信号在时间上、频率上被打散，信息比特被随机化，提高了信道对抗连续干扰的能力。

调制就是把待传输的基带信号转换为适合在高频振荡电路上发送的符号的过程。下行信道对加扰后的码字进行调制，生成复数值的调制符号。

层映射和天线端口映射这两个过程只有在PDSCH信道处理过程中有，在PDCCH和PBCH的信道处理过程中没有。层映射是将复数调制符号映射到一个或多个发射层中；天线端口映射是将每个发射层中的调制符号映射到相应的天线端口。在5G NR的协议中没有体现下行预编码，认为下行预编码过程属于厂家实现问题，没有给予硬性规定。

RE映射是将每个天线端口的复数调制符号映射到相应的时频资源RE上。

OFDM波形生成是将每个天线端口的信号生成适合发送的OFDM信号。

5G NR的下行物理信道的处理过程涉及信道编码算法的选择、调制方式的选择、层数配置、天线逻辑端口的映射及波形选择，如表11-7所示。

表11-7 下行物理信道的处理过程配置

11.2.2 下行物理信道与信号时频域分布

5G NR的下行物理信道和信号的时频域分布的示意图：如图11-11所示。和LTE的下行物理信道的时频资源分配相比，5G NR更注重物理信道和信号在时频资源分配上的灵活性。一句话：资源皆调度、时频可配置。

图11-11 5G NR下行物理信道时频资源分布

PDCCH信道时域上占用时隙的前1～3符号，频域资源使用可配置；PDCCH和PDSCH两个信道可以在相同的时间资源（符号）上进行频率资源的共享，即支持FDM。

PDSCH的DMRS，时域位置可配置；频域密度和使用资源可配置，DMRS也可以和PDSCH在相同的时间资源（符号）上进行频率资源的共享，也支持FDM。

SSB（Synchronization Signal Block、Synchronization/PBCH block、同步广播块），实际上是下行同步信号PSS、SSS和PBCH组成的信道组合。5G NR的SSB时域位置固定，在一个时隙的符号2～5和符号8～11位置上；频域占用20RB，频域位置可配置，在BWP的中间位置上。SSB也可和PDSCH在相同的时间资源（符号）上进行频率资源的共享。SSB的配置比LTE的同步信号和广播信道更加灵活。LTE里，同步信号和广播信道的符号位置是固定的，频带位置固定在频带中间的72个子载波。由于在5G NR的频域上SSB不再固定于频带中间，而是可以配置在载波中的任意位置，时域上SSB发送的位置和数量都可能变化，如图11-12所示。所以在5G NR中仅通过解调PSS/SSS信号，是无法取得频域和时域资源的完全同步的，必须完成PBCH的解调，才能最终达到时频资源的同步。

图11-12 SSB位置

CSI-RS时域位置可配置，频域位置和带宽可配置；CSI-RS也可以和PDSCH在相同时间资源（符号）上进行频率资源的共享。

从以上描述可知，PDSCH和其他信道信号都可以进行频率资源共享。PDSCH的时频资源占用是非常灵活，可以支持时频资源的动态调度。

11.2.3 SSB

SSB的时频结构如图11-13所示。SSB在时域上占用连续4个符号，频域上占用20个RB。其中，PSS占用SS/PBCH Block中的符号0，SSS占用SS/PBCH Block中的符号2。PSS/SSS在时域上占用一个符号，在频域上占用127个RE。与LTE不同，NR中PBCH信道和PSS/SSS组合在一起，PBCH信道占用SSB中的符号1和符号3，还占用符号2中的部分RE。如表11-8所示。

图11-13 SSB结构

PBCH信道的每个RB中包含有3个RE的DMRS导频，为避免小区间PBCH DMRS干扰，PBCH的DMRS在频域上的位置根据小区Cell ID错开，由v参数调节，v可以取0,1,2,3，如图11-14所示。

表11-8 SSB时频资源安排

图11-14 PBCH的DMRS在频域上的位置

PBCH和PSS/SSS使用相同的子载波间隔，使用的子载波间隔根据使用的频段不同而不同，并且每个频段使用的子载波间隔固定。频率在6GHz以下，子载波间隔可用15kHz/30kHz；其中频率在3.5GHz时，子载波间隔固定为30kHz；频率在6GHz以上，子载波间隔可用120kHz/240kHz。

PSS和SSS都使用PN序列，主要用于UE进行下行同步，包括时钟同步，帧同步和符号同步，还有获取小区ID。5G NR中小区ID（PCI、Physical Cell ID）取值范围为：0～1007，分为三组，每组336个。其中组号从PSS中获取，组内编号从SSS中获取。LTE的PCI仅有504个。5G NR的小区ID增加了1倍，PCI模3冲突的概率降低了很多。但是5G NR由于不同小区要避免PBCH DMRS的位置干扰，PCI模4冲突的概率增加了很多。

PBCH主要用于获取用户接入网络中的必要信息，如：系统帧号SFN（System Frame Number），初始BWP的位置和大小等系统消息（SI、System Information）中主消息块MIB的信息。

每个SSB都能够独立解码，UE只要解析出来一个SSB之后，就可以获取小区ID，SFN，SSB Index（类似与波束ID）等信息。

PBCH信道的有用信息共占用32bit，通过CRC校验，加扰，信道编码，速率匹配后生成864bit数据。

PBCH可以携带864bit的数据，可以按照下面思路推算出来。

SSB中PBCH占用1,3符号各20个RB，符号2上下两部分共8个RB，每个RB有12个RE，于是有PBCH共有RE数目，如图11-15所示。

图11-15 1个SSB的PBCH的RE数目

每个RB中包含有3个PBCH DMRS导频RE，这样共有PBCH DMRS导频的数目如图11-16所示。

图11-16 1个SSB PBCH DMRS导频数目

于是，PBCH可以承载数据的RE如图11-17所示。

图11-17 PBCH可以承载数据RE数目

使用QPSK调制，1个RE可以承载2bit的信息，因此，432个RE可承载864个bit。

基站侧每一个波束里的SSB不需要在每个子帧都更新，同样地广播内容，更新循环周期是可以设置的，可以5ms（半帧）循环一次，也可以是10ms（帧）循环一次，还可以20ms（2帧）、40ms（4帧）、80ms（8帧）和160ms（16帧）循环一次。这个广播周期网络侧可以配置。

11.2.4 PDCCH

PDCCH信道在时域上占用每个时隙的前1～3个OFDM符号；频域上由CCE的聚合构成，CCE是PDCCH传输的最小资源单位，1个CCE包含6个REG，一个REG对应一个RB。不同数目的CCE聚合可以实现不同速率；每个REG都有自己的DMRS，用于PDCCH解调时参考。如图11-18所示。

PDCCH的时频资源可以配置。5G基站给多个终端同时在PDCCH信道上发出控制信号，那么终端如何找到传给自己的控制信息，又不给系统带来过多的信令开销？终端需要不断检测下行的PDCCH调度信息。但是在检测之前，终端并不清楚PDCCH在哪里，传递什么样的信息，使用什么样的格式，但终端知道自己需要什么。这种情况下，只能采用盲检测的方式。

（1）终端如何找到属于自己的PDCCH

5G终端依靠设置的CORESET（Control Resource Set、控制资源集）和搜索空间（Search Space）来找到属于自己的PDCCH信息。

图11-18 PDCCH资源指示

在LTE中，只有搜索空间这个概念，并没有CORESET这个概念。那么在5G NR中为什么要引入CORESET这个概念呢？在LTE系统中，PDCCH在频域上占据整个频段，时域上占据每个子帧的前1-3个OFDM符号（起始位置固定为#0号OFDM符号）。也就是说，系统只需要通知UE PDCCH占据的OFDM符号数，UE便能确定PDCCH的搜索空间。而在5G NR系统中，由于系统的带宽（最大可以为400MHz）较大，如果PDCCH依然占据整个带宽，不仅浪费资源，盲检复杂度也大。此外，为了增加系统灵活性，PDCCH在时域上的起始位置也可配置。

5G NR系统中，UE需要知道PDCCH在频域上的位置和时域上的位置才能成功解码PDCCH。NR系统将PDCCH频域上占据的频段和时域上占用的OFDM符号数等信息封装在CORESET中；将PDCCH起始OFDM符号编号以及PDCCH监测周期等信息封装在搜索空间（Search Space）中。CORESET规定了PDCCH信道所占用的物理资源空间，而搜索空间集合是PDCCH信道的逻辑集合，二者具有相关性。

PDCCH信道资源空间（CORESET）中的基本构成单元仍然是具备不同聚合等级的CCEs，gNodeB能够将1、2、4、8、16个CCE聚合起来组成一个PDCCH。聚合级别1表示PDCCH占用1个CCE，聚合级别为2表示PDCCH占用2个CCE，依次类推。UE侧在配置的CORESET内、对于不同聚集级别进行盲检。

CORESET可以分为两种类型，一类可被定义为小区级公共CORESET，以CORESET 0#进行标识，CORESET 0#主要用来承载解码系统消息块SIB1所需的搜索空间集合。另一大类可被定义为与UE相关CORESET，这些CORESET既可以以系统消息的方式进行配置，也可以通过UE专属信令实现配置，以CORESET 1～11#进行标识。

每个用户盲检PDCCH的搜索空间（Search Space）是通过CORESET进行指示的；搜索空间包括公共搜索空间和UE特定的专有搜索空间。公共搜索空间就像住宅楼宇的公告栏，每个UE都可以在此查找相应的信息；而UE特性的搜索空间就像私人邮箱，UE只能在属于自己的空间中搜索控制信息。

（2）终端如何识别PDCCH上的内容

终端通过CORESET（Control Resource Set、控制资源集）和搜索空间（Search Space）找到了属于自己的PDCCH信息，那么PDCCH信道上的有什么内容呢？这些内容采用什么格式传送过来呢？终端怎么识别呢？

PDCCH传输的信息为DCI（Downlink Control Information、下行控制信息），主要有3类：

a. 发送下行调度信息（DL assignments），分配下行数据业务承载的时频资源，即PDSCH的调度。

b. 发送上行调度信息（UL grants），上行数据业务承载的时频资源也是PDCCH说了算，不是终端说了算。

c. 发送SFI、功控命令等控制信息。

根据PDCCH发送内容的不同，将PDCCH分为如表11-9所示的3类：

a. 公共PDCCH：用于公共消息（如系统消息，寻呼等），以及UE RRC建立连接之前的数据调度。

b. 组公共PDCCH：用于SFI（Slot类型）和PI（Pre-emption Indication、资源占用）信息的调度，针对一组用户发送。

c. UE特定的PDCCH：用户级数据调度和功控信息调度。

表11-9 PDCCH的分类

注：

RMSI：Remaining Minimum System Information、剩余最小系统消息，指SIB1。

OSI：Other System Information、其他系统消息

不同内容的DCI基站采用不同的RNTI（Radio Network Temporary Identifier、无线网络临时标识）对CRC校验后的比特流进行加扰。终端是使用RNTI来查看DCI信息的。RNTI如同开启PDCCH信箱的钥匙。

不同DCI使用的RNTI不同，有很多种类型：

a. SI-RNTI（System Information RNTI）：基站发送系统消息的标识；

b. P-RNTI(Paging RNTI)：基站发送寻呼消息的标识；

c. RA-RNTI（Random Access RNTI）：基站发送随机接入响应的标识，用户用来发送随机接入的前导消息；

d. C-RNTI（Cell RNTI）：基站为终端分配的用于终端上下行数据传输的标识；

e. Temporary C-RNTI：随机接入过程中，用于传递Msg3/Msg4信息；

f. SFI-RNTI：用于传送时隙格式的信息；

g. TPC-PUCCH—RNTI（发送功率控制、PUCCH RNTI）：PUCCH上行功控信息标识；

h. TPC-PUSCH—RNTI（发送功率控制、PUSCH RNTI）：PUSCH上行功控信息标识；

i. TPC-SRS-RNTI：用于SRS功控命令。

PDCCH DCI在协议上定义了3大类8种格式，如表11-10所示。

表11-10 PDCCH DCI的格式

11.2.5 PDSCH

PDSCH的时频资源是动态调度的，具体的安排是由PDCCH信道指示的。与PDSCH信道伴随着的参考信号有2个：1个是DMRS，1个是PT-RS。

（1）PDSCH DMRS

DMRS用于对无线信道进行评估，是PDSCH解调时信道估计的参考信号。每个终端的DMRS信号不同的，即DMRS是用户终端特定的参考信号，可被波束赋型、可接受调度资源安排，并仅在需要时才发射。

早期，DMRS信号设计时考虑的解码需求是支持各种低时延应用。但逐渐人们注意到终端移动速度对解码需求的影响。面向低速移动的应用场景，DMRS在时域采取低密度的方式。在高速移动的应用场景，DMRS的时间密度要增大，以便跟踪无线信道的快速变化。所以，在低速和高速场景中，DMRS配置不同，如图11-19所示。

图11-19 前置DMRS和附加DMRS

a. FL DMRS（Front Loaded DMRS、前置DMRS），时域上占用1～2符号，默认需要配置；

b. Add DMRS（Additional DMRS、额外DMRS），时域上占用1～3符号，高速场景下需不需要配置，需要配置时，符号位置在什么地方由高层参数决定。

5G NR根据UE移动速度灵活可配（1 Front-loaded DMRS +additional DMRS），根据UE移动速度来增加DMRS，更好地跟踪上下行信道变化，提升SU/MU-MIMO性能。如图11-20所示。

为了支持多层MIMO传输，可调度多个正交的DMRS端口，其中每个DMRS端口与MIMO的每一层相对应。按照支持的最大天线逻辑端口数的不同，PDSCH的DMRS分为2类，可以由高层参数配置，如图11-21所示。

a. Type1：单符号最大支持4端口，双符号8端口；

b. Type2：单符号最大支持6端口，双符号12端口；

PDSCH DMRS从映射的时域位置上分2类，具体位置由高层参数指示。

a. 映射类型A：从时隙的第3或4个符号开始映射；

b. 映射类型B：从调度PDSCH的第1个符号开始映射。

图11-20 DMRS适配不同速度场景

图11-21 PDSCH的2类DMRS

（2）PDSCH PTRS

射频器件在各种噪声（随机性白噪声，闪烁噪声等）作用下可引起的系统输出信号相位的随机变化。在低频段（FR1），这种影响不大。在高频段（FR2）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原因，相位噪声响应大幅增加，恶化接收机的信噪比，造成大量误码，从而直接限制高阶调制的使用，严重影响系统容量，降低系统性能。

5G NR高频段，固然可以通过本振器件质量来降低相噪，但是相位噪声的影响不能彻底消除。为了应对高频段的相位噪声影响，5G NR的协议中采用2个办法：一、增大子载波间隔，减少相噪带来的ICI和ISI影响；二、引入相位噪声跟踪参考信号PT-RS以及相位估计补偿算法。

PT-RS的基础序列构成与DMRS是一致的。PT-RS是用户终端特定的参考信号，每个终端的PTRS信号不同，可被波束赋型、所占资源是可调度的。PT-RS信号是依据振荡器质量、载波频率、OFDM子载波间隔、信号传输的调度及编码格式来配置的。

在时域上，PT-RS从调度PDSCH的第1个符号开始映射，避开DMRS所在的位置；频域上，与PDSCH调度的频域及C-RNTI和PT-RS配置的天线逻辑端口有关，如图11-22所示，PTRS信号在频域具有低密度而在时域则有高密度。PT-RS的天线逻辑端口可由高层配置，配置的数目可以为1或者2。PT-RS端口的数量可以小于总的端口数，而且PT-RS端口之间的正交可通过频分复用（FDM）来实现。

图11-22 PT-RS时频位置配置

从时域角度上，每多少个符号配置一个PT-RS，叫作PT-RS的时域密度，由高层配置参数和DCI中的调制编码信息共同确定。高阶的调制方式，如256QAM，对相噪敏感，可以每个时域符号都配置1个PT-RS，时域密度为1；对于低阶的调制方式，如32QAM可以每4个时域符号配置1个PT-RS；对于再低阶的调制方式，可以不配PT-RS。时域密度的选择为每1,2,4个符号配置1个PT-RS。基于MCS（调制编码方案）调整时域粒度可灵活控制导频开销。

从频域角度上，每多少个RB配置一个PT-RS，叫作PT-RS的频域密度，由高层配置参数和DCI中的调度RB数共同确定。用户调度RB数过少，相噪导频带来较大的系统开销。所以在RB数少的时候，可以不配置PT-RS；在RB数多时，可以每2个RB，或每4个RB配置1个PT-RS。

PT-RS数目过多，相位跟踪能力增强，但系统开销也增大。所以PT-RS配置需要在系统开销和相位跟踪带来的增益之间进行权衡。

11.2.6 CSI-RS

CSI-RS的功能主要是信道质量测量和时频偏跟踪，如表11-11所示。UE上报的CQI、PMI（Precoding Matrix Indicator、预编码矩阵指示）、RI（Rank Indicator、秩指示）、LI（Layer Indicator、层指示）等信道状态信息，就是依据测量CSI-RS的结果。用于干扰情况测量的CSI-RS又可以叫作CSI-IM（CSI-RS Interference Measurement、CSI干扰测量）。用于信道状态测量、波束管理、无线链路检测（RLM）和无线资源管理（切换）的CSI-RS是一种功率非归零CSI-RS（Non-Zero Power CSI-RS、NZP CSI-RS）。用于时频偏的精细化跟踪的CSI-RS又叫TRS（Tracking RS、跟踪RS）。

表11-11 CSI-RS的功能

用于信道质量测量的CSI-RS为了控制开销，占用的时频资源的密度最好低一些，但是也要考虑信道质量测量的准确性。每个CSI-RS资源时域占用1～4个符号。CSI的序列生成和小区ID（Cell ID）解耦，资源配置灵活，支持以用户为中心配置时频资源。每个用户可以通过RRC信令配置多套CSI-RS资源（最多配置64套）。

TRS支持的符号位置为4,8、5,9、6,10，用于信道质量的CSI-RS的时域符号位置可以是0～13，具体位置由高层参数配置。频域位置也是由高层参数配置。

CSI-RS最大支持天线逻辑端口数是32个，逻辑端口编号为3000,3001,3002,…，3031。CSI-RS的天线逻辑端口数可选范围为1,2,4,8,12,16,24,32。

CSI-RS时频资源及天线端口的可选配置如图11-23所示。

图11-23 CSI-RS时频资源及天线端口的可选配置