5G NR总体架构与物理层

5GNR总体架构与物理层

1NR息体架构与功能划分

1.1总体架构

NG-RAN节点包含两种类型：

gNB:提供NR用户平面和控制平面协议和功能

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AMRAccessandMobiityManagement

Function)连接，通过NG-U接口与UPF(UserPaneFunction)连接。

5G总休架构如下图所示，NG-RAN表示无线接入网，5GC表示核心网.

AMF/UPFAMFAJPF

NG-RAN

1.2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,UPF

和SMF(SessionManagementFunction\

1.2.1gNB/ng-eNB

小区间无限资源管理InterCellRadioResouRLCeManagement(RRM)

无线承载控制RadioBear(RB)Contro

连接移动，性控制JConnectionMobiityContro

测量配置与规定MeasurementConfigurationandProvision

动态资源分配DynamicResouRLCeAocation

1.2.2AMF

NAS安全Non-AccessStratum(NAS)Security

空闲模式下移动性管理IdeStateMobiiryHanding

1.2.3UPF

移动性锚点管理MobiityAnchoring

PDU处理(与Internet连接)PDUHanding

1.2.4SMF

用户IP地址分配UEIPAddressAocation

PDUSession控制

gNBorng-eNB

InterCellRRM

RBControl

ConnectionMobiityCont

RadioAdmissionControl

Measurement

Configuration&Provision

DynamicResource

Allocation(Scheduler)

NG-RAN

13网络接口

1.3.1NG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。

UserPlanePDUs

♦,

GTP-U

UDP

IP

DataLinkLayer

PhysicalLayer

I.

NG-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：

NG接口管理

UE上下文管理

UE移动性管埋

NAS信令专输

寻呼

PDUSession管理

更换配置

警告信息传输

1.4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(UserPane,UP)协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控

制面(ControPane,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用户面

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：

SDAP层:ServiceDataAdaptationProtoco

PDCP层：PacketDataConvergenceProtoco

RLC层:RadioinkContro

MAC层：MediumAccessContro

PHY层:Physica

1.4.2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：

NAS层:Non-AccessStratum

RRC层:RadioResouceContro

PDCP层：PacketDataConvergenceProtoco

RLC层:RadioinkContro

MAC层:MediumAccessContro

PHY层:Physica

UE所有的协议栈都位于UE内；而在网络侧，NAS层不位于基站gNB上，而是在核心网的AMF(AccessandMobiity

ManagementFunction)实体上。还有一点需要强调的是，控制面协议栈不包含SDAP层。

2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；上行峙输可以采用基于DFT预编码的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。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种子载波间隔配置，LTE一个常规子帧固定为两个时隙,

一个时隙内固定7个符号；

2.LTE上行采用基于DFT预编码的CPBasedOFDM，而NR上行可以采用基于DFT预编码的CPBasedOFDM,

也可以采用不带DFT的CP-BasedOFDM。

了「：5GNR的基本时间单位。

Tc=IgfzNR

3

其中△/M=480-10/Ay=4096信道最大傅里叶变换的点数

丁上无线帧长度；值为10ms。

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,Norma和Extended（扩展型\扩展型CP只能用在子载波间隔为60KHz的配置下。相对应

的，LTE的符号长度为66.7us（不包括CP）,NR可以为66.67us,33.33us,16.67us,8.33us,4.17us0

其中，子载波间隔为15KHz、30KHz、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。

Cyclicprefix•SupportedfordataSupportedforsynch•

*15.Normal.Yes，Yes

*30•，Normal.Yes，Yes.：

p2，60.-Normal.Extended♦、Yes，N。a

120.Normal.YfYes

I_______

•4-240.______Normal'♦No，

上下行中一个帧的时长固定为10ms,每个帧包含10个子帧，即每个子帧固定为1ms。同时，每个帧分为两个半帧

（5msX第Y半帧长5ms、包含子帧#0~#4,第二个半帧长5ms、包含子帧#5~#9;这部分的结构是固定不变的。可

变的部分是每个子帧包含的符号数，由于子载波间隔是可变的，子载波间隔越大则每个符号的长度越短，而子帧长度是固

定为1ms的，所以子载波间隔越大则一个子帧所包含的符号越多,计算公式为：

Nsubframe串ys/of卡让frame#

1>symb=*'gym

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Re15中并不使用此选项］

4itoc

01410~~r~

1142。2

214404

314808

41416016

51432032

NR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。

NR的一个subframe(1ms)内可以包含多个slot,其配置如下表(这里列出normalCP的情况)：

1ms/slot

0.5ms(500us)/slot

0.25ms(250us)/slot

0.125ms(125us)/slot

<38.211-V2.0.0Table4.3.2-1>

\n*o<xrfamt.M

"tymb

014W1

114202

214404

314808

41415016

51432032

0.0625ms(62.5us)/slot

彳=(^^/100).7；=101115

注：NR中RE(Resourceelement)依然为频域上一个子载波与时域上一个符号的面积。这里我们假设RE是个长方形，随着u增大，

长方形的宽加倍，长减半，面积不变。也就是说不同u值下，一个RE所占用的时频域资源面积是不变的。

NR的一个subframe(1ms)内可以包含多个slot,其配置如下表(这里列出extendedCP的情况):

表4.3.2-2：扩展循环前缀的每时隙OFDM符号数，每帧时隙数和每子帧时隙数。

端frame//Nsubframc/z

212404

由于子载波间隔越大，对应时域OFDM符号越短，则1个时隙的时长也就越短。所以子载波间膈越大，TTI越短,

空口传输时延越低，当然对系统的要求也就越高。

------------------------------------------------贞10ms-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

#0I#1I-2]|-4]-5]-6]#71-8|-9

子帧lmS

子载波间隔时窿（14符号）1ms

15KHz

时隙（14符号）0.5ms

30KHZ

子载波的间隔最后协议定位15KHz~240KHz,为什么不能小于15KHz或大于240KHz呢？相位噪声和多普勒效应

决定了子载波间隔的最小值，而循环前缀CP决定了子载波间隔的最大值。我们当然希望子载波间隔越小越好，这样在

带宽相同的情况下，能够传输更多的数据。但如果子载波间隔太小，相位噪声会产生过高的信号误差，而消除这种相位

噪声会对本地晶振提出过高要求。如果子载波间隔太小，物理层性能也容易受多普勒频偏的干扰；如果子载波间隔的设

置过大,OFDM符号中的CP的持续时间就越短。设计CP的目的是尽可能消除时延扩展（delayspread）,从而克服多

径干扰的消极影响。CP的持续时间必须大于信道的时延扩展，否则就起不到克服多径干扰的作用。因此选择

15KHz~240KHz都是技术和实现成本等一系列综合考虑的折中结果。

2.2带宽频点

在NR中3GPP主要指定了两个频点范围。T是我们通常称为Sub6GHz另一是我们通常称为毫米波Miimeter

Wave\Sub6GHz称为FR1,毫米波称为FR2。FR1和FR2具体的频率范围如下表所示：

FrequencyrangeCorrespondingfrequencyrange

designation

FR1450MHZ-6000MHz

FR224250MHZ-52600MHz

对于不同的频点范围，系统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Sub6GHz,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Sub6GHz和毫米波中使用

23物理层下行链路

2.3.1PDSCH

PhysicaDowninkSharedChanne/下行共享物理信道

PDSCH处理流程

L传输块CRLC添加（如果传输块长度大于3824,则添加24bitCRLC;否则添加16bitCRLC）

2.传输块分段，各段添加CRLC（24bit）

3.信道编码：LDPC编码（低密度奇偶校验码）

4.物理层HARQ处理，速率匹配

5.比特交织

6.调制：QPSK,16QAM,64QAM和256QAM

7.映射到分配的资源和天线端口

PDSCH处理模型如下图所示：

gNodeB

incHcafiont

Channe/state

fnftyznatw7.etc.

HARQ

H

o

u

』U

®O

n-

pRedundancyS

ovwicnS

l-

pE

S

sU

0

<scheme

s

Resourc^powef

Arkema

mapping

采用编码,编码时需要选择相应的或的不同,简单理解就

PDSCHLDPCLDPCGraph:Graph1Graph20Graph

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<=0.25,选择Graph2

2.其他情况选择Graph1.

2.3.2PDCCH

PhysicaDowninkControChanne/下行控制物理信道

物理下行控制信道(PhysicaDowninkControChanne,PDCCH)用于调度下行的PDSCH彳的和上行的PUSCH

传输。采用Polar码(极化码)信道编码方式，调制方式固定为QPSK.

PDCCH上传输的信息称为DCI(DowninkControInformation),包含Format0_0,Format0_1,Format1_0,

Format1_1,Format2_0,Format2_1,Format2_2和Format2_3共8中DCI格式。

l.Fonndl0_0用于同一个小区内PUSCH调度

2.FormatO_l用于同T小区内PUSCH调度

3.Formatl_0用于同f小区内PDSCH调度

4.Formatl_l用于同一个小区内PDSCH调度

5.Format2_0用于指示Solt格式

6.Format2_l用于指示UE那些它认为没有数据的PRB⑸andOFDM符号(防止UE忽略)

7.Format2_2用于传输TPC(TransmissionPowerContro)指令给PUCCH和PUSCH

8.Format2_3用于传输给SRS信号的TPC,同时可以携带SRS请求

一个PDCCH只能有一种格式的DCI,1个下行子帧上可以发送多个PDCCH,上下行DCI都是通过下行PDCCH发

送给UE。

注：Polar码的理论基础就是信道极化。信道极化包括信道组合和信道分解部分。当组合信道的数目趋于无穷大时，

则会出现极化现象：一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分则趋于全噪信道，这种现象就是信道极化现象。无噪信道

的传输速率将会达到信道容量I(W),而全噪信道的传输速率趋于零。Polar码的编码策略正是应用了这种现象的特性，

利用无噪信道传输用户有用的信息，全噪信道传输约定的信息或者不传信息。

CCE与聚合度

PDCCH的逻辑资源组成单元是CCE,1个CCE对应PRB上的6个REG。

一个PDCCH由n个连续CCE组成，n称为聚合度（AggregationLevel）,nC｛1,2,4,8,16｝。

的起始:满足

PDCCHCCEIndeximodn=0o

Table6.8.1-1:SupportedPDCCHformats.

PDCCHNumberofNumberofresource­Numberof

formatCCEselementgroupsPDCCHbits

01972

1218144

2436288

3872576

5GNRCORESET和SearchSpace

指示哪些下行资源块可能承载通过盲检搜索空间尝试解码中的

PDCCHSearchSpacePDCCH,UEPDCCHDCI0

在LTE中，只有搜索空间这个概念,并没有CORESET这个概念。下面简单分析下为什么要在NR中引入CORESET

这个概念。

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UEPDCCH占据的OFDM符号数，UE便能确定PDCCH的搜索空间。

而在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。止匕外，为了增加系统灵活性，PDCCH在时域上的起始位置也可配置。

也就是说在NR系统中，UE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,为了方便，NR

系统将PDCCH频域上占据的频段&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SearchSpace中。

ITGORESET「、

CORESET在频域上有NR#个RB,在时域上有N"*”1,2,3｝个symbol组成。RRC层

Contro/ResourceSetlE中给出了具体配置。

TheRRCparametersdefiningtheCORESETareasfollows(basedon38.331V15.1.0):

controlResourceset::=SEQUENCE{

controlResourcesetidcontrolResourcesetid,

frequencyDomainResourcesBITSTRING(SIZE(45)),

durationINTEGER(1..maxcoReSetDuration),

//maxcoReSetDuration«3

cce-REG-wappingTypeCHOICE{

interleavedSEQUENCE{

reg-BundlesizeENUMERATED{n2,n3,n6},

interleaversizeENUMERATED(n2,n3,n6},

shiftindexINTEGER(O..maxNrofPhysicalResourceBlocks-1)

},

noninterleavedNULL

)..

preLoderGrdnulariLyENUMERATED(bameAbREG-buridle,dllCuriLiyuuubRBb},

tci-statesPDCCHSEQUE\CE(SIZE(1..naxKrofTCi-statesPDCCH))OFTCi-stateid

tci-PresentinDClENUMERATED{enabled}OPTIONAL

pdcch-DMRS-scramblingiDBITSTRING(SIZE(16))OPTIONAL

)

•ControlResourceSetld:CoreSetID

•frequencyDomainResources:CORESET频域资源，BITSTRING(SIZE(45))

-duration:CORESET连续符号数,取值范围在{123}

•cce-REG-MappingType:可以配置为交织映射或非交织映射方式

-precoderGranularity:指示DMRS的预编码粒度是宽带预编码还是窄带预编码

下图举例i并解CCE-REG-Mapping方法(Non-interleaved)

HereisanexampleshowingtoproceduretomapfromREtoCCE.Forsimplicity,Iassumethatintereavingisnot

applied.

REGNumbering

(oneREG=6Res)

L6==>reg-BundleSize=n6

AggregationLevel1

REG01234567891011

iLiL+2iL+3/LH-1iLiL+2iL+3iL-L-l

0-60*6*10*6+20*6+30*6+40+6+(&l)1*61*6*11*6*21-6+31*6*4

REGBundleQ(i=O)

f(j)=j—>f(0)=0,wherej=0f(j)=j->f(l)=1,wherej=1

CCE01

Fornon-interleavedCCE-to-REGmapping,Z-6and/Q)-J

REGbundleiisdefinedasREGs］辽,辽一1,…，江一Z

2.3.3PSS/SSS/PBCH

PhysicaBroadcastChanne/广播物理信道

SSBlock(SSB)指的是SynchronizationSignalBlock,实际上指Synchronization/PBCHblock因为同步信号和

PBCH信道一直是打包在一起的.SSB包百两个部分：

SynchronizationSignal:PSS(PrimarySynchronizationSignal),SSS(SecondarySynchronizationSignal)

PBCH:PBCHDMRSandPBCH(Data)

NR包含两种同步信号：主同步信号(PrimarySynchronizationSigna,PSS)和辅同步信号(Secondary

SynchronizationSigna,SSSX

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信号占用。

1、SS/PBCH占4个OFDMsymbol,包括240个连续子载波（编号0-239），即20个RB。

2、UE可以设置RE为0。

3、有两类SS/PBCH:TypeA和TypeB

时频位置如下图

ChannelOFDMsymbolnumberZSubcarriernumberk

orsignalrelativetothestartofanSS/PBCHblockrelativetothestartofanSS/PBCHblock

PSS056,57,....182

SSS256,57,....182

Settoo00,1,...»55,183,184,....236

248,49......55,183,184,....191

1,30,1,...,239

PBCH0,1，…，47,

2

192,193,...,239

1.30+v.4+v.8+v,...s236+v

DM-RSfor0+v,4+v,8+44+v

PBCH2

192+J196+v,...s236+v

v=A^nmod4

一口、N胖=3础其中NS）£{01…,33省，”自£{0.1.2}。

NR系统中一共定义了1008个小区ID:卬R月,

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:

“PSS伍)=1-2MM

m=(〃+43N£))modl27,〃

0<M<127

其中[x(6)x(5)x(4)x(3)x(2)x(l)x(0^=[l110110],

x(z+7)=(x(z+4)+x(z))mod2。♦

SSS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:

dsSs(〃)=[1-2%((〃+%)mod127)[1-2xj((L+㈣)mod127)]

Wj=2V^modll2

0<w<127

卜⑹飞⑸与⑷飞(3)%⑵与。)々(01=[。000001]

'7(6).(5)艰4)一(3)再⑵娟1)^(0]=[0000001]

x+7

o0)=(x0(z+4)+x0(zj)mod2

Xi(z+7)=N(2+1)+X](z)lmod20

为了形象表示表格中时频资源，见下图。PBCHDMRS是随着小区ID变化的：

239

P

B

zero

C

192H

zerj

182

PP

PBSB

20RBSCSC

SHSH

56

zero

47

P

zero

B

C

0H

sym0sym1sym2sym3

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:

gNodeBUEError

indication

rJ.......br廿.....LY

2.4物理层上行链路

2.4.1传输方案

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（PrecodingMatrixIndicator工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。

2.4.2PUSCH

PhysicaUpinkSharedChanne/上行共享物理信道

PUSCH的处理流程如下图所示:

传输块添加CRLC（TBS大于3824时添加24bitCRLC;否则添加16bitCRLC）

1.码块分段及各段CRLC添加

2.信道编码：LDPC编码

3.比特级交织

4.调制方式：Pi/2BPSK（仅当进行TransformPrecoding时可采用）,QPSK,16QAM,64QAM和256QAM

5.层映射,TransformPrecoding（需上层配置确定是否进行），预编码

6.映射到相应的斐源和天线端口

PUSCH处理模型如下图所示:

UE

o

,

l

e

O

J

u

o

s

s

-

E

S

U

B

±M;

._E

d

n

采用编码，编码时需要选择相应的或的不同，简单理解就是编

PUSCHLDPCLDPCGraph:Graph1Graph2eGraph

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<=0.25,选择Graph2

2.其他情况选择Graph1.

2.4.3PUCCH

PhysicaUpinkControChanne/上行控制物理信道

PUCCH携带上行控制信息（UpinkControInformation,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5:414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(ChanneStateInformation)

2.ACK/NACK

3.调度请求(ScheduingRequest)

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lbit信息时，采用BPSK

调制方式。PUCCH的编码方式也比较丰富，当只携带lbit信息时，采用Repetitioncode(重复码)；当携带2bit信息

时，采用Simpexcode;当携带信息为3-llbit时,采用ReedMuercode;当携带信息大于libit时，米用的便是著

名的Polar编码方式。

2.4.4PRACH

PhysicaRandomAccessChanne/随机接入信道

NR支持两种长度的随机接入(RandomAccess)前缀。长前缀长度为839,可以运用在1.25KHZ和5KHz子载波

间隔上；短前缀长度为139,可以运用在15KHz,30KHz,60KHz和120KHz子载波间隔上。长前缀支持基于竞争的随

机接入和非竞争的随机接入；而短前缀只能在非竞争随机接入中使用。