5GNR协议栈及功能1-总体架构与物理层

1、备注：本文所有图片均来自 3GPP 标准，包括3GPPTS 38 .300 V15 .0.0 (2017 -12 )和3GPPTS 38.202 V15 .0.0 (2017 -12 )等。本文主要介绍截止目前(2018 年 1 月 25 日)，3GPP 5GNR 相关的协议内容，后期可能会有更新。1. 本系列共分为两部分：2. 1. 5G NR 协议栈及功能1 - 总体架构与物理层http: /3. 2. 5G NR 协议栈及功能2 - MAC RLC PDCPSDAP http: /一 NR 总体架构与功能划分1.1 总体架构NG-RAN 节点包含两种类型：1 gNB ：提供 NR 用户平

2、面和控制平面协议和功能l ng-eNB ：提供 E-UTRA 用户平面和控制平面协议和功能gNB 与 ng-eNB 之间通过 Xn 接口连接， gNB/ng-eNB 通过 NG-C 接口与 AMF ( Access and Mobility Management Function )连接，通过NG-U接口与 UPF( User Plane Function )连接。5G 总体架构如下图所示， NG-RAN 表示无线接入网， 5GC 表示核心网。ng-eNBrg-eN01.2 功能划分5G网络的功能划分如下图所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB节点，5G-C 一共包含三个功能模块： AMF

3、 , UPF 和 SMF (Session ManagementFunction )。1.2.1 gNB/ng-eNBl 小区间无限资源管理 Inter Cell Radio Resource Management (RRM )l 无线承载控制 Radio Bear (RB) Controll 连接移动性控制 Connection Mobility Controll 测量配置与规定 Measurement Configuration and Provisionl 动态资源分配 Dynamic Resource Allocation1.2.2 AMFl NAS 安全 Non-Access Str

4、atum (NAS ) Securityl空闲模式下移动性管理Idle State Mobility Handling1.2.3UPFl移动性锚点管理Mobility Anchoringl PDU 处理(与 Internet 连接)PDU Handling1.2.4SMFl 用户 IP 地址分配 UE IP Address Allocationl PDU Session 控制gNB or ng-eNBAMFSMFInter Cell RRMNAS Securi tyUE IP addressallocationRB ControlConneclion Mobility ContIdle Sta

5、te MobilityHandlingPDU SessionControlRadio Admission ControlUPFMeasure me ntConfigjration & ProvisionMobility AnchoringDynam c ResourceAllocatian (Scheduler)PDU HandlingNG-RAN5GC1.3网络接口1.3.1 NG 接口NG-U接口用于连接NG-RAN与UPF,其协议栈如下图所示。协议栈底层采用UDP、IP协议，提供非保证的数据交付。User Plane PD JsGTP4JUDPIPData Link LayerP

6、hysical LayerII 4NG-C接口用于连接NG-RAN与AMF ,其协议栈如下图所示。在传输中, IP协议为信令提供点对点传输服务。SCTP保证信令的可靠交付。NG-C接口 有以下功能：l NG接口管理l UE上下文管理l UE移动性管理l NAS信令传输l寻呼l PDU Session 管理l更换配置l警告信息传输NG-AP1.3.2Xn 接口Xn-U接口用于连接两个NG-RAN节点。Xn-U接口协议栈如下图所示。GTP-U基于UDP、IP网络之上，为数据提供非保证服务。Xn-U主要包含两个功能：l数据转发l流控制Xn-C接口用于连接两个NG-RAN节点。IP协议为信令提供点对点

7、传输,SCTP为信令提供可靠交付。Xn-C接口主要包含以下功能：l Xn接口管理lUE移动性管理，包括上下文传输和寻呼等l双链接Xn-AP£SCTPIPData Link LayerPhysical Layeru1.4无线协议栈NR无线协议栈分为两个平面：用户面和控制面。用户面 (User Plane, UP) 协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面 (Control Plane, CP)协议栈即系 统的控制信令传输采用的协议簇。NR用户面和控制面协议栈稍有不同，下面详细介绍。1.4.1 用片面NR用户平面相比LTE协议栈多了一层SDAP层，用户面协议从上到下依 次是：l SDAP

8、 层：Service Data Adaptation Protocoll PDCP 层：Packet Data Convergence Protocoll RLC 层：Radio Link Controll MAC 层：Medium Access Controll PHY 层：Physical1.4.2 控制面NR控制面协议几乎与LTE协议栈一模一样，从上到下依次为：l NAS 层：Non-Access Stratuml RRC 层：Radio Resource Controll PDCP 层：Packet Data Convergence Protocoll RLC 层：Radio Link

9、 Con troll MAC 层：Medium Access Controll PHY 层：PhysicalgNB 上,)实体UE所有的协议栈都位于UE内；而在网络侧，NAS层不位于基站而是在核心网的 AMF (Access and Mobility Management Function上。还有一点需要强调的是，控制面协议栈不包含SDAP层。二物理层2.1 波形、子载波&CP配置和帧结构NR系统下行传输采用带循环前缀的（CP）的OFDM波形；上行传输可以 采用基于DFT预编码的带CP的OFDM波形，也可以与下行传输一样，采用 带CP的OFDM 波形。NR与LTE系统都基于OFDM传输

10、。两者主要有两点不同：1. LTE只支持一种子载波间隔15KHz，而NR目前支持5种子载波问 隔配置；2. LTE上行采用基于DFT预编码的CP-Based OFDM ,而NR上行可 以采用基于DFT预编码的CP-Based OFDM ,也可以采用不带DFT的CP- Rased OFDM 。NR支持的载波间隔、CP类型、对数据信道的支持如下表所示。 NR一共 支持5种子载波间隔配置：15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz。 一共有两种CP类型，Normal和Extended （扩展型）。扩展型CP只能用在 子载波间隔为60KHz的配置下。其中，子载波间隔为15KHz、3

11、0KHz、60KHz和120KHz可用于数据传输信道；而 15KHz、30KHz、120KHz和 240KHz子载波间隔可以用于同步信道。NR中连续的12个子载波称为物理资源块（PRB）,在一个载波中最大支持275个PRB,即275*12=3300 个子载波匕y - 2<l5kHzJCy 61十 3+后Supp6rl6d ti)r d自忸Su户pa茂屯d fw ±yricR15悭?mNY«res360hormai. Extended .Y»SNO.*120isomai遍Yes4 台240-"6上下行中一个帧的时长固定为10ms ,每个帧包含10个子

12、帧，即每个子帧固定为1ms。同时，每个帧分为两个半帧（5ms）。每个子帧包含若干个时隙, 每个时隙固定包含14个OFDM符号（如果是扩展CP,则对应12个OFDM 符号）。因为每个子帧固定为1ms,所以对应不同子载波间隔配置，每个子帧 包含的时隙数是不同的。具体的个数关系如下表所示。下表相比之前表格多了一个u=5项，但在Rel-15中并不使用此选项* 3u14101114A2工14如4314毗144160164MVNR的传输单位（TTI）为1个时隙。如上所述，对于常规 CP, 1个时隙 对应14个OFDM 符号；对于扩展 CP, 1个时隙包含12个OFDM 符号。由于子载波间隔越大，对应时域

13、OFDM符号越短，则1个时隙的时长也 就越短。所以子载波间隔越大，TTI越短，空口传输时延越低，当然对系统的 要求也就越高。2.2 带宽频点在NR中，3GPP主要指定了两个频点范围。一个是我们通常称为SubSub 6GHz 称为6GHz ,另一个是我们通常称为毫米波(Millimeter Wave )FR1,毫米波称为FR2。FR1和FR2具体的频率范围如下表所示:Frequency range des iq rationCorres-ponding frequency rangeFR14&0 MHz - a000 MHZ卜也2425。M,hL -526。MHz对于不同的频点范围，系统

14、的带宽和子载波间隔都所有不同。在 Sub6GHz,系统最大的带宽为100MHz而在毫米波中最大的带宽为 400MHz 。子载波间隔15KHz和30KHz只能用在Sub 6GHz ,而120KHz子载波间隔只能用在毫米波中，60KHz子载波间隔可以同时在Sub 6GHz和毫米波中使用2.3 物理层下行链路2.3.1PDSCHPDSCH处理流程1. 传输块CRC添加(如果传输块长度大于 3824,则添加24bit CRC;否贝U添力口 16bit CRC )2. 传输块分段，各段添加CRC (24bit )3. 信道编码：LDPC编码4. 物理层HARQ处理，速率匹配5. 比特交织6. 调制：QP

15、SK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM7. 映射到分配的资源和天线端口PDSCH处理模型如下图所示：ChsnnsigNode BUEn TjWijigrf OhrtSAntenna mappirirg ,f ,£ChC*TMiftKAJtarcsn snfMim-5而邛 长jKAjgmir打啊EKTir心小嘴加1 口 fc iACK'W.HARQ IJ±npolpM 0<EPDSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的 Graph :Graph 1或Graph 2 。 Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。Graph的选择

16、规则如下（A为码块长度，R为码率）：1. 如果 A<=292 ;或者 A<=3824 并且 R<=0.67 ;或者 R<=0.25 ,选择Graph 22. 其他情况选择Graph PDCCH用户专用物理下行控制信道（Physical Downlink Control ChannelPDCCH）用于调度下行的 PDSCH传输和上行的PUSCH传输。PDCCH上传输的信息称为 DCI (Downlink Control Information),包含 Format 0_0 ,Format 0_1 , Format 1_0 , Format 1_1 ,Form

17、at 2_0 , Format 2_1 ,Format 2 2 和 Format 2 3 共 8 中 DCI 格式。1.Format0 0用于同一个小区内PUSCH调度2.Format0 1用于同一个小区内PUSCH调度3.Format10用于同一个小区内PDSCH调度4. Format1_1 用于同一个小区内PDSCH调度5. Format2_0 用于指示Slot格式6. Format2_1用于指示UE那些它认为没有数据的 PRB(s) andOFDM 符号(防止UE忽略)7. Format2_2 用于传输 TPC (Transmission Power Control )指令 给 PUCC

18、H 和 PUSCH8. Format2_3 用于传输给SRS信号的TPC,同时可以携带SRS请求各种DCI格式之间的差异及使用场景之后再详细讨论。PDCCH信道采用Polar码信道编码方式，调制方式为 QPSK。2.3.3PSS/SSS/PBCHNR包含两种同步信号：主同步信号(Primary Synchronization Signal , PSS)和辅同步信号(Secondary Synchronization Signal, SSS ) 。 PSS 和 SSS信号各自占用127个子载波。PBCH信号横跨3个OFDM符号和240个 子载波，其中有一个OFDM符号中间127个子载波被SSS信

19、号占用。NR系统中一共定义了 1008个小区ID:裙=3端+端，其中蟠丘(。工,33乱墟40人水。即336个小区组ID ,每个小区组由3个组内小区组成。PSS信号产生时需要利用小区组内ID,产生公式如下图所示：杰强= 1-2x(赠)次二|咒4 4动留|modl27 ,山 0<n<127其中卜 x(5)必41 X3)工 Hl) 4oj = 1 1 1 0 1 1 o|f 戏4 7" 2 + 41+ K：P pSSS信号产生时需要小区组ID和小区组内ID,产生公式如下图所示：（建）=1 -上%（制 + 啊 jmodl 27）1 - % （匿 + ）mod 12 7,叫&quo

20、t;人法modi 120<f?< 127其中岛修/9询沏0）4=。000001卜为xh（4）立国可勒（1）000001+?%:+7）=（工o（i+4i+工 0（。加。42 醺（i+7）二（工1（：十 1 工G）mod2 0PSS/SSS/PBCH在时频资源格上的位置关系如下图所示:PBCH信道编码方式为Polar编码，调制方式为QPSK。PBCH物理层处理模型如下图所示:gNode BUEError IndicsimnCR(Ceding + RNData modulatiofiRe source mappingAntenna rnappihgLT2.4物理层上行链路2.4.1 传输

21、方案NR上行包含两种传输方案：基于码本的传输和非码本传输。基于码本的传输：gNB在DCI携带一个预编码矩阵指示 PMI (PrecodingMatrix Indicator ) 。 UE使用PMI指示的矩阵对PUSCH进行预编码。对于非 码本传输，UE根据DCI中的SRI确定对应的预编码矩阵。2.4.2PUSCHPUSCH的处理流程如下图所示：传输块添力口 CRC (TBS大于3824时添加24bit CRC ;否则添加16bit CRC)1. 码块分段及各段CRC添加2. 信道编码：LDPC编码3.比特级交织4.调制方式：Pi/2 BPSK （仅当进行Transform Precoding

22、时可采 用），QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM5. 层映射，Transform Precoding（需上层配置确定是否进行），预编码6. 映射到相应的资源和天线端口PUSCH处理模型如下图所示:gNode B 正UE心Tmagyhrhg,CRCL trillM| yPUSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的 Graph : Graph1或Graph 2 。 Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样Graph的选择规则如下（A为码块长度，R为码率）：1. 如果 A<=292 ;或者 A<=3824 并且 R<=0.67 ;或者 R

23、<=0.25 ,选择Graph 22 .其他情况选择Graph PUCCHPUCCH携带上行控制信息（Uplink Control Link , UCI）从UE发送给 gNB 。根据PUCCH的持续时间和UCI的大小，一共有5种格式的PUCCH格式：1. 格式1 ： 1-2 个 OFDM ，携带最多2bit 信息，复用在同一个PRB上2. 格式 2： 1-2 个 OFDM ，携带超过3bit 信息，复用在同一个PRB上3. 格式 3： 4-14 个 OFDM ，携带最多 2bit 信息，复用在同一个PRB上4. 格式 4 ： 4-14 个 OFDM ，携带中等大小信息，可能复用在同一个PRB 上5. 格式 5： 4-14 个 OFDM ，携带大量信息，无法复用在同一个PRB上不同格式的 PUCCH 携带不同的信息，对应的底层处理也有所差异，此处不展开介绍。UCI 携带的信息如下：1. CSI ( Channel State Information )2. ACK/NACK3. 调度请求( Scheduling Request )PUCCH 大部分情况下都采用 QPSK 调制方式，当 PUCCH 占用 4-14 个OFDM且只包含1bit信息时，