3.2 5G NR物理信道和信号课件讲解

第五代移动通信技术讲师亢建华CONTENTS

5GNR空中接口

NR无线帧结构

NR物理信道和信号

NR信道编码5G移动通信技术第三章核桃AI【本章内容】5G空中接口和LTE相比，既有延续又有发展。本章主要介绍了5GNR的空中接口，包括无线帧结构、Numerology概念、NR的物理信道和信号、5GNR新的调制方式256QAM等，特别是Numerology概念最能体现5G空口的新特性，是5G实现新功能和强大性能的基础。本章最后介绍了5GNR的数据信道的编码LDPC码和信令信道的编码Polar码。5GNR空中接口3.2NR物理信道和信号3核桃AI3.2.1概述物理信道是一系列资源粒子RE的集合，用于承载源于高层的信息。同样的，物理信号也是一系列资源粒子RE的集合，但这些RE不承载任何源于高层的信息，它们一般有时域和频域资源固定、发送的内容固定、发送功率固定的特点。物理信道可分为上行物理信道和下行物理信道。NR的物理信道结构与LTE类似，上行链路物理信道分为PUSCH(PhysicalUplinkSharedChannel，物理上行共享信道)、PUCCH(PhysicalUplinkControlChannel，物理上行控制信道)、PRACH(PhysicalRandomAccessChannel，物理随机接入信道)；物理信号分为DM-RS(DemodulationReferenceSignal，解调参考信号)、PT-RS(Phase-TrackingReferenceSignal，相位跟踪参考信号)、SRS(SoundingReferenceSignal，探测参考信号)。下行链路物理信道分为PDSCH(PhysicalDownlinkSharedChannel，物理下行共享信道)、PBCH(PhysicalBroadcastChannel，物理广播信道)、PDCCH(PhysicalDownlinkControlChannel，物理下行控制信道)；物理信号分为解调参考信号(DM-RS)，相位跟踪参考信号(PT-RS)、CSI-RS(ChannelStateInformationReferenceSignal，信道状态信息参考信号)、PSS(PrimarySynchronizationSignal，主同步信号)、SSS(SecondarySynchronizationSignal，辅同步信号)。表3-6列出了上下行链路物理信道和物理信号。表3-6上下行链路物理信道和物理信号上行物理信道物理上行共享信道：PUSCH物理上行控制信道：PUCCH物理随机接入信道：PRACH下行物理信道物理下行共享信道：PDSCH物理广播信道：PBCH物理下行控制信道：PDCCH上行物理信号解调参考信号：DM-RS相位跟踪参考信号：PT-RS探测参考信号：SRS

下行物理信号解调参考信号：DM-RS相位跟踪参考信号：PT-RS信道状态信息参考信号：CSI-RS主同步信号：PSS辅同步信号：SSS物理信道/信号对应的天线端口范围如下：(1)上行信道天线端口及应用：[0，1000]：用于PUSCH和相关的解调参考信号；[10002000]：用于SRS；[2000，4000]：用于PUCCH；[4000，4000]：用于PRACH。(2)下行信道天线端口及应用：[1000，2000]：用于PSDCH；[2000，3000]：用于PDCCH；[3000，4000]：用于CSI-RS；[4000，+∞]：用于SS和PBCH。

天线端口是一个逻辑上的概念，它与物理天线并没有一一对应的关系。在下行链路中，下行链路和下行参考信号是意义对应的：如果通过多个物理天线来传输一个参考信号，那么这些物理天线就对应同一个天线端口，而如果有两个不同的天线是从同一个物理层天线中传输的，那么这个物理天线就对应两个独立的天线端口。非相干的物理天线(阵元)定义为不同的端口才有意义。多个天线端口的信号可以通过一个发送天线发送，例如C-RSPort0和UE-RSPort5。一个天线端口的信号可以分布到不同的发送天线上，例如UE-RSPort5。3.2.2物理信道和信号1．上行物理信道5G定义的上行物理信道主要包括三种：(1)PUSCH：数据信道，主要用来传送上行业务数据。PUSCH映射到子帧中的数据区域上。(2)PUCCH：控制信道，主要用来传送上行控制信息，如信道质量指示CQI，RI(RankIndicator，秩指示)，PMI(PrecodingMatrixIndicator，预编码矩阵指示)和HARQ的应答。(3)PRACH：随机接入信道，用于承载随机接入前导序列的发送，是用户进行初始连接、切换、连接重建立、重新恢复上行同步的唯一途径。UE通过上行PRACH来达到与系统之间的上行接入和同步。2．上行物理信号5G定义的上行物理信号只有一种类型，即参考信号，包括以下三种：(1)DM-RS：该信号用于接收端进行信道估计，用于PUSCH和PUCCH的解调，PUSCH和PUCCH的DM-RS有所不同。(2)PT-RS：该信号是5G为了应对高频段下的相位噪声引入的参考信号，用于解调PUSCH时的相位估计补偿算法。(3)SRS：该信号用于为上行信道质量做参考，周期性上报，用于基站对上行资源进行调度。3．下行物理信道5G定义的下行物理信道主要有以下三种：PDSCH：数据信道，用于承载下行用户数据和高层指令。(2)PDCCH：控制信道，用于承载下行控制消息，如传输格式、资源分配、上行调度许可、功率控制以及上行重传信息等。(3)PBCH：广播信道，用于以广播的形式传送系统信息块消息，包括主要无线指标，如帧号、子载波间隔、参考信号配置等。4．下行物理信号下行物理信号分为两种类型，即参考信号和同步信号。参考信号共三种：DM-RS、PT-RS和CSI-RS。其中前两个和上行物理信号的作用一致。同步信号包括主同步信号PSS和辅同步信号SSS。CSI-RS参考信号非常重要，在5G规划甚至在后续路测阶段中将该参考信号的SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，信号与干扰加噪声比)值作为衡量覆盖的重要指标之一。其作用主要有两个：一是为了辅助接收下行PDSCH共享信道，二是对下行信道质量进行测量并进行信道状态上报以供基站进行链路自适应调整。同步信号PSS/SSS用于UE搜索小区时使用，UE通过检测PSS序列及SSS序列可以快速与基站做到符号定时同步，并通过计算得到物理小区标识PCI。3.2.3调制方式在3GPP协议(TS38.201)中，定义了5G支持的调制方式，上下行有所不同。(1)下行：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控)，16QAM(16QuadratureAmplitudeModulation，十六进制正交振幅调制)，64QAM(64QuadratureAmplitudeModulation，64进制正交振幅调制)，256QAM(256QuadratureAmplitudeModulation，256进制正交振幅调制)。(2)上行：采用CP-OFDM(带循环前缀的正交频分复用)模式的调制方式与下行一致；采用CP-DFT-s-OFDM(基于循环前缀的离散傅里叶变换扩频的正交频分复用多址接入)模式的调制方式，增加了一种调制方式π/2-BPSK(π/2BinaryPhaseShiftKeying，π/2二进制相移键控)。按照基本的调制概念，上述调制方式可以分为两类，一是载波的相位变化，幅度不变，包括QPSK和π/2-BPSK。二是载波的相位和幅度都变化，包括16QAM、64QAM、256QAM。表3-7列出3G、4G和5G所使用的的调制方式的对照。表3-73G、4G和5G调制方式对照3G4GLTE5GNRQPSKQPSK16QAM64QAMπ/2-BPSKQPSK16QAM64QAM256QAM表3-7中的调制方式针对的是数据信道(PUSCH/PDSCH)，对于控制信道、广播信道等其调制方式会有差别。控制信道和广播信道一般采用QPSK调制方式。与4GLTE相比，5G增加了256QAM和π/2-BPSK两种调制方式。采用256QAM的目的在于提高数据传输速率，采用π/2-BPSK的目的是为了提高小区边缘的覆盖率，且该种方式仅在变换预编码启用时可以采用。对于5G中新增加的π/2-BPSK调制，它的星座图如图3-10所示。图3-10π/2-BPSK调制星座图假设BPSK以相位偏移π/4的调制信号表示0，以相位偏移5π/4的调制信号表示1，π/2-BPSK增加了3π/4和7π/4两个相位。当0位于偶数位时，用相位偏移π/4表示；当0位于奇数位时，用相位偏移3π/4表示。当1位于偶数位时，用相位偏移5π/4表示；当1位于奇数位时，用相位偏移7π/4表示。也就是说π/2-BPSK定义了4种相位来表示调制比特的0和1。对于5G中新增的256QAM调制，它的I路和Q路分别有16种幅度可以调制，每种幅度携带4bit信息，合成IQ信号后就有256种相位，每种相位携带8bit的信息。它的星座图如图3-11所示。图3-11256QAM调制星座图假设BPSK以相位偏移π/4的调制信号表示0，以相位偏移5π/4的调制信号表示1，π/2-BPSK增加了3π/4和7π/4两个相位。当0位于偶数位时，用相位偏移π/4表示；当0位于奇数位时，用相