5G无线技术基础自学系列 | 上行物理信道与信号

Posted 2022-12-02 COCOgsta

素材来源：《一本读懂5G技术》

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我们知道5G NR上行方向有3个物理信道、3个参考信号。不同的上行物理信道或信号经历不同物理层的处理过程，然后映射到时频资源和空间资源上。不同的上行物理信道和信号在处理过程和时频资源、空间资源映射方面有各自的特点。

5G NR的关键信号技术是为高速移动通信保驾护航，上行DMRS可根据UE移动速度灵活可配，上行快速SRS可更好地适应高速移动场景需求，上行的PTRS可用于高频时相位噪声的补偿。在终端给基站送信这件事情上，以上三位干将是上行数据PUSCH信道的得力帮手，它们的联合协作将充分保证高铁、高频场景下上行信号的可靠传送。

11.3.1 上行物理信道处理过程

5G NR上、下行物理信道采用的多址接入方式略有不同，基站和终端侧MIMO实现的规模和方式也不同，所以二者的处理过程有所区别。

LTE下行支持CP-OFDM（没有DFT预变换）波形，上行仅支持DFT-s-OFDM的波形。NR相对LTE来说，在上行也引入了CP-OFDM的波形；相对于5G NR PDSCH不同，5G NR的PUSCH可支持2种波形：

a. CP-OFDM：多载波波形，支持多流MIMO。

b. DFT-s-OFDM：单载波波形，仅支持单流，提升覆盖性能。

5G NR的PUSCH波形可以由高层信令配置，支持更加灵活的数据调度。图11-24为选择CP-OFDM波形时PUSCH信道处理过程，图11-25为选择DFT-s-OFDM波形时PUSCH信道处理过程。在CP-OFDM波形时，上行数据业务信道处理过程和PDSCH信道处理过程基本相似，但是在上行处理过程层映射以后是预编码过程，但是下行处理过程层映射之后是天线端口映射。在DFT-s-OFDM波形时，由于是单流单载波，取消了层映射的过程，调制映射之后是转换预编码过程。

图11-24 PUSCH信道处理过程（CP-OFDM）

图11-25 PUSCH信道处理过程（DFT-s-OFDM）

上下行的这点不同，主要由于NR标准在下行共享信道中彻底取消了LTE中基于小区级参考信号的预编码矩阵方案，取而代之使用的是类似3D-MIMO天线技术实现的波束赋型预编码方案进行SU/MU-MIMO（单用户/多用户MIMO），即下行方向，基站侧不再强调LTE时期的预编码过程，而是波束赋型过程。

但在5G NR上行共享信道上，有预编码过程，可以选择基于码本和非码本两种预编码传输方式，上行共享信道码本传输与非码本传输本质区别在于基站侧是否下发码本指示以辅助终端进行预编码矩阵选择。对于这两种传输模式，可选择的预编码矩阵集合是一样的。

5G NR的上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、RB资源分配方式、峰均比及应用场景，如表11-12所示。

表11-12 PUSCH信道处理过程配置

对于PUCCH信道来说，根据PUCCH占用的符号长度，以及UCI（Uplink Control Info，上行控制信息）内比特数，定义了5种PUCCH基本格式，如表11-13所示，不同的格式对应的物理层处理过程不同，如图11-26所示。F0格式的PUCCH靠基于序列来区分信息比特；F1～F4都有调制映射过程，F2～F4都有加扰过程，F3～F4都有转换预编码过程，F1和F4都有扩频过程。

表11-13 PUCCH的5种格式

图11-26 PUCCH不同格式的物理信道处理过程

PUCCH的信道编码和UCI的比特数有关系，如表11-14所示。这个比特数包括CRC校验新加入的比特。

表11-14 PUCCH的信道编码

同一小区的多个UE可以共享同一个RB对来发送各自的PUCCH信息，这是PUCCH中的码分复用多址（Code Division Multiplexing，CDM）。PUCCH实现码分复用的方法有循环移位（Cyclic Shift）和正交序列。PUCCH的格式0就是循环移位法实现码分复用，而PUCCH的格式1和格式4都有扩频处理过程，是通过正交序列实现码分复用的。码分复用可以有效地利用资源，节省开销。PUCCH的格式2和格式3不支持码分复用。

PUCCH的调制方式不同，格式也有所不同。PUCCH的格式0无须调制方式，PUCCH的格式1支持信息量少，符号数多，用BPSK方式调制便可；PUCCH的格式2、格式3、格式4都支持QPSK调制方式；PUCCH的格式3和格式4还支持π/2-BPSK的调制方式。

不同格式的PUCCH信道的处理过程、调制方式和码分复用方式如表11-15所示。

表11-15 PUCCH信道的处理过程、调制方式和码分复用方式

对于PRACH信道来说，物理层处理过程就是一个Preamble（前导码）序列产生发送的过程，无须类似PUSCH的处理过程。

11.3.2 上行物理信道和信号时频域分布

5G NR的上行物理信道和信号时频域分布的示意图，如图11-27所示。5G NR的PUCCH有两种格式：长格式PUCCH，时域占用4～14个符号；短格式PUCCH，时域占用1～2个符号；时频域位置和使用资源可配置。PUSCH的DMRS，时域位置可配置，频域密度和使用资源可配置；支持DMRS和PUSCH相同符号上频率资源共享（FDM）。PRACH时频域位置和使用资源可配置；SRS：时频域位置和带宽可配置。

图11-27 上行物理信道时频资源

总而言之，5G NR的上行物理信道和信号设计灵活，一切皆调度、可配置。

11.3.3 PRACH

UE开机后，小区搜索过程完成手机和基站的下行同步，然后UE通过随机接入过程与小区建立连接并取得上行同步。随机接入过程使用的就是PRACH信道。PRACH信道用来传输Preamble序列，基站接收到Preamble序列后，测量Preamble可以获得基站与UE之间的传输时延，生成一个TA（Time Advance，时间提前量）值，并用一个下行的控制命令将这个TA值告知UE，让UE提前一定的时间发送上行数据。

PRACH所占用的空口资源包括时域资源、频域资源、码域资源。时域资源的定义包括时域位置（帧、子帧、时隙、符号）、长度和周期，如图11-28所示；频域资源的定义由起始RB和所占的RB数来确定，如图11-29所示。

图11-28 PRACH的时域资源

图11-29 PRACH的频域资源

码域资源就是指Preamble序列，每个小区共有64个Preamble序列。Preamble序列可以由根序列u和循环移位参数v产生，即Preamble序列由u、v两参数确定。PRACH的可用时域、频域、码域资源由基站在系统消息RMSI中通知UE。

按照Preamble序列的长度，Preamble序列可分为两类：长序列和短序列。长序列沿用LTE设计方案，共4种格式，如表11-16所示；短序列为5G NR新增格式，3GPP R15定义了9种短格式，如表11-17所示，FR1的子载波间隔支持15,30kHz，FR2的子载波间隔支持60,120kHz。

Preamble时域上至少由两部分组成：循环前缀（CP）和Preamble序列，如图11-30所示。有的Preamble序列在时域上还需保护间隔（Guard Period，GP）。

表11-16 长序列格式时频配置、最大小区半径和典型场景

表11-17 短序列格式时频配置、最大小区半径和典型场景

图11-30 Preamble序列

不同Preamble的格式，时域上存在诸多差异：循环前缀CP长度不同、序列长度不同、保护间隔GP长度不同、序列重复次数不同。长格式PRACH的时域结构如图11-31所示，短格式PRACH的时域结构如图11-32所示。

图11-31 长格式PRACH时域结构

图11-32 短格式PRACH时域结构

11.3.4 PUCCH

PUCCH信道主要用于传输上行层1/层2控制信息UCI（Uplink Control Info）。上行控制信息UCI是在上行、下行数据传输中必须交互的协调信息，包括以下几种。

1）上行调度请求（Scheduling Request，SR）：终端向基站请求数据业务信道（UL-SCH）所需资源时，需要发送该信息。

2）HARQ ACK/NACK：终端收到PDSCH上发送的数据后，需要进行HARQ的确认或否定，然后给基站发送ACK或NACK。

3）信道状态指示（CSI）：包括CQI、PMI、RI、LI、CRI等。

与下行控制信息（DCI）相比，上行控制信息（UCI）内携带的信息内容较少，只需要告诉5G基站不知道的信息，主要是请求信息和反馈信息，其实不算控制信息。下行控制信息（DCI）只能在PDCCH中传输，上行控制信息（UCI）则可在PUCCH或PUSCH中传输。

和LTE相比，5G NR增加了短PUCCH格式（1～2符号），可用于短时延场景下的快速反馈，如自包含帧中上行快速反馈场景；同时，5G NR对长PUCCH符号数进行了增强（4～14符号），支持不同时隙格式下的PUCCH的传输。上行HARQ支持异步自适应，ACK/NACK传输时机可由调度器灵活确定。

PUCCH信道支持频域范围内跳频，即一个子帧前后两部分可以分别位于可用频谱资源的两端，如图11-33所示。跳频可以获得频域分集。PUCCH的格式0～4均支持频域跳频，对于短格式的格式0和格式2来说，跳频只能在两个符号时进行配置。

图11-33 上行频域跳频

PUCCH的时域和频域位置支持灵活配置，但不同格式的PUCCH资源映射略有不同，如表11-18所示。

1）PUCCH的格式0：时域1～2符号，频域上默认1个PRB。

2）PUCCH的格式1：时域4～14符号，频域上默认1个PRB。

3）PUCCH的格式2：时域1～2符号，频域支持1～16 PRB数。

4）PUCCH的格式3：时域4～14符号，频域支持1～6,8～10,12,15,16个PRB数。

5）PUCCH的格式4：时域4～14符号，频域上默认1个PRB。

表11-18 PUCCH的时频资源映射

PUCCH的解调参考信号DMRS，不同的格式时频位置也不同。

1）PUCCH的格式0（短格式）基于ZC序列的不同循环移位来识别信息，不存在DMRS。

2）PUCCH的格式1（长格式）的DMRS采用ZC序列，放置在PUCCH的偶数符号上，和UCI时分复用（TDM）。

3）PUCCH的格式2（短格式）的DMRS采用PN序列，且DMRS和UCI可以频分复用（FDM）。

4）PUCCH的格式3/4（长格式）的DMRS采用ZC序列，DMRS的符号位置根据PUCCH的符号数确定，如表11-19表示。从时域上看，长格式的符号数为4～14个，符号数为4的时候，又有跳频、无跳频两种情况。当符号数小于等于9的时候，DMRS配置2个符号，配置跳频时，每次跳频配有1个DMRS符号；当符号数大于9的时候，为了更好地解调PUCCH信道上的信息，可以增加DMRS的配置，DMRS可以配置在4个符号上，配置跳频时，每次跳频配有2个DMRS符号。PUCCH格式3/4的DMRS时域配置位置示意图如图11-34所示。

表11-19 PUCCH格式3/4的DMRS时域配置位置

图11-34 PUCCH的格式3/4（长格式）的DMRS时域配置

11.3.5 PUSCH

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

PUSCH的时频资源映射类型如图11-35所示（1个资源块由1个时隙1个RB的RE资源组成），有两种。

1）映射类型A（type A）：PUSCH在时域的一个时隙上起始符号为0，它的解调参考信号DMRS可以在符号2或符号3上，映射类型A的DMRS起始符号位置由高层信令配置；包括DMRS在内的长度为Y～14符号。

图11-35 PUSCH时域资源映射举例（1个资源块是1个时隙1个RB的RE资源）

2）映射类型B（type B）：PUSCH在时域的一个时隙上起始符号可以在0～12范围内设置，这种情况下，DMRS起始符号位置固定在PUSCH时域的第0个位置；包括DMRS在内长度为2～14个符号。

PUSCH的时域资源映射中，映射类型、起始符号位置、符号数由下行控制信息（DCI）指示。

（1）PUSCH DMRS

PUSCH的伴随解调参考信号DMRS可分两类：前置DMRS和额外DMRS，如图11-36所示。额外DMRS的位置可由高层信令进行配置。

图11-36 PUSCH DMRS的配置

一个PUSCH的DMRS可以占用一个符号，也可以占用2个符号。一个前置DMRS和一个额外的DMRS占用的符号数是相同的，要是1个符号，前置DMRS和额外的DMRS都是1个符号，如图11-37所示；要是2个符号，前置DMRS和额外的DMRS都是2个符号，如图11-38所示。1个DMRS占用的符号数由高层信令配置。

图11-37 PUSCH DMRS单符号映射（1个资源块是1个时隙1个RB的RE资源）

图11-38 PUSCH DMRS双符号映射（1个资源块是1个时隙1个RB的RE资源）

（2）PUSCH PT-RS

上行PUSCH的PT-RS与下行PDSCH PT-RS设计基本一致。但PUSCH的PT-RS针对CP-OFDM和DFT-s-OFDM两种波形下的配置有所不同。

波形为CP-OFDM时，可参考下行PDSCH PT-RS的资源配置。

波形为DFT-s-OFDM是，上行PUSCH的PT-RS时域上从调度PUSCH的第一个符号开始映射，避开DMRS所在的位置；时域密度是每1或2个符号配置1个PT-RS，频域上无密度概念，频域上PT-RS所占用资源数和频域上的位置由调度RB数确定。

11.3.6 SRS

每个UE发送自己的SRS，基站接收所有UE的SRS信号，并一起进行处理，测量出各UE以及在各自的PUSCH带宽范围内的各个子载波的RSRP、SINR、PMI等信息，从而实现波束管理、信道状态监测、上行提前量TA、上下行单用户/多用户MIMO、UCNC（面向用户无小区）技术所需的测量功能。如图11-39所示。

图11-39 SRS配置及作用

每一个用户的SRS独占一定的时频域资源，不能发送数据信息，属于资源开销，开销越少越好；另一方面，SRS的配置要满足基站测量性能和SRS用户数的要求。SRS的配置要在开销与测量性能、用户数两者之间进行权衡。

我们通过5G NR SRS和LTE SRS对比，来进一步认识5G NR SRS。

（1）SRS资源配置

NR中定义了SRS Resource（SRS资源）的概念，如图11-40所示，包括以下几种。

1）天线端口数：NR SRS可以配置1,2,4个天线逻辑端口，可配置的天线逻辑端口为1000,1001,1002,1003；LTE SRS一般只配置1个天线端口。

2）时域位置及OFDM符号数：NR SRS映射在PUSCH/DMRS符号的后面，可以位于一个时隙中的最后6个符号中的连续1,2,4个符号；LTE SRS一般位于一个时隙中的最后一个符号上。NR SRS可以配置1,2,4个OFDM符号；LTE SRS一般只配置1个OFDM符号。一个时隙内，SRS与PUSCH、上行的DMRS、上行的PTRS和PUCCH采用时分复用（TDM）的方式占用资源。

图11-40 SRS的资源配置

3）频域位置及带宽：NR SRS的频域位置与BWP有关，尽量覆盖UE的整个PUSCH带宽。UE级SRS带宽配置是指小区内用户能分配的SRS带宽类型的集合，可以是32个RB、16个RB、8个RB和4个RB。如图11-41所示。LTE SRS一般是系统的全频域覆盖。

图11-41 SRS带宽配置

（2）SRS资源集

5G NR SRS在引入SRS Resource概念的同时，还引入了SRS Resource Set（SRS资源集）的概念。5G NR中的SRS采用2级资源框架，一个资源集中可以包含多个时域类型相同的SRS Resource。NR定义了4种不同功能的SRS资源集：波束管理（BeamManagement）、码本（Codebook）、非码本（nonCodebook）、天线切换（antennaSwitching）。不同功能的SRS资源集在SRS Resource数、天线端口数等有不同配置限制。

（3）SRS的发送方式

LTE定义了的周期性SRS（Periodic SRS）、非周期性SRS（Aperiodic SRS）；5G NR SRS新增了半持续性SRS（Semi-Persistent SRS），其灵活性介于周期性和非周期性SRS之间，如图11-42所示。这三种时域类型的SRS的传输优先级规则为：非周期性SRS > 半周期性SRS > 周期性SRS。周期和半静态触发方式由高层信令配置，非周期触发方式由DCI配置。5G NR的SRS发送比LTE的灵活度更大。

图11-42 SRS发送方式

相比LTE的周期性SRS，5G NR提供更短周期的SRS测量，如图11-43所示，可以提高信道估计的精准性，可更好地适应高速移动场景需求。

图11-43 5G NR SRS发送周期更加灵活

（4）SRS天线轮发

SRS轮发指终端在哪根物理天线上发送SRS信息。在SRS模式下，能够参与发送参考信号的天线数越多，信道估计就越准，从而获得的速率就越高；如果只在固定天线发送，则会丢失其他天线信息，天线没有充分利用，难以获得最高的速率。

5G终端一般都配有多根收发天线，目前主流的5G UE、CPE等都采用2根发射天线、4根接收天线（即2T4R）。如果只能固定在一个天线上向基站反馈SRS信息，就是不支持SRS轮发。

5G UE应该支持SRS天线切换（Antenna Switching），进行发送天线轮询，获取全信道测量，如图11-44所示。非独立组网（NSA）模式下，5G终端可在4个天线上轮流发射SRS信号，一次选择1个天线发射。独立组网（SA）模式下，5G终端可在4个天线上轮流发射SRS信号，一次选择2个天线发射。如果充分利用5G终端的多根天线轮流上报信道信息，则能够让基站获取的信息更全面，进行更精准的数据传输。

图11-44 SRS天线轮发