【4】从局部到整体-5G系统观

4.1-4.2：物理层传输资源结构

NR的物理层的帧结构就不赘述了。

因为不同于LTE子载波间隔的固定设置，NR的子载波间隔设置非常灵活，于是，确定时频资源块的位置就变得更加困难，需要“绝对坐标系”和“相对坐标系”。

绝对坐标就是依据Point A从公共资源快(CRB)中找到可用资源(BWP)，再通过相对坐标从某个BWP中找到相应的物理资源块(PRB)。（Point A似乎有两者定义方式，一个是从CRB0开始，一个是从CRB0的中间频率开始，略微区别）

 可以认为有一套基础标尺，是由12个15kHz的子载波构成的CRB的基础单元，目的是找到BWP，在BWP中，依据带宽和使用的载波间隔，就能确定PRB的个数了。

参考：https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_CarrrierBandwidthPart.html

 

Point A位置的获取：在完成同步后，UE通过系统信息来获取PointA的位置。方法一：通过SSB间接指示，因为SSB的时频域资源位置固定，但是该方法只能使用主小区PCell；方法二：通过RRC直接指示，用绝对无线电频道编号ARFCN表示Point A位置。

 

上下行资源配置：(UE确定时隙格式的方法参阅书的4.2.3 p102)

第一，将FDD和TDD统一，不设置独立的工作模式，而是采用在TDD中将所有OFDM符号配置为上行或者下行来实现FDD的效果

第二，增加了标准化的上行/下行资源比例配置的数量，从LTE的7种增加到254种(R16标准化55种，剩余的预留后期扩展)。这样的设计极大地提高了NR系统对多样化业务的支持

第三，在一个时隙中除了定义下行和上行OFDM符号，还定义了F(Flexible)符号，用作更动态的下行行配置

第四，这里值得注意的是：虽然协议规定了非常复杂的灵活配置机制，但在实际的商用网络中，运营商很可能会根据当地业务类型的统计数据而静态或半静态地使用某几种UL-DL配置，而不会真的如协议的设计，在全部可选配置中动态选择

 

BWP：无论是上行还是下行，最多配置4个BWP，但同一时刻最多只有一个BWP被激活。对于每一个服务小区，网络至少会配置一个初始的BWP，其中至少包括一个下行BWP和一个或两个上行BWP，如果配置两个上行初始BWP是补充上行链路SUL的情况。。所配置的BWP都与一个BWP ID关联。NR中存在BWP自适应技术(不同终端/业务的BWP需求不同；不同时刻/场景同一终端的BWP需求不同)：方法有4种：

 

补充上行链路技术：就是将传统的上行和下行解耦，在中高频部署时，采用一个下行捆绑两个上行频段的组合方案，在上行方向，两个上行频段包括一个高频(常规UL)和一个相对低的频段(SUL)，用该低频相对更好的覆盖特性来弥补上行覆盖的不足，如图所示：

 

4.3：从开机到初始接入

NR初始接入的流程：UE会依次完成系统信息块(SSB)接收(同步与PBCH接收)、额外系统信息接收(OSI)，和随机接入3个过程。(同步与PBCH接收可以参考sidelink代码流程)

一、同步和SSB接收

• 什么频段？对于一个没有先验信息的UE来说，找到可用网络这个过程是没有什么方法可以取巧的，UE将根据其所支持的工作频段以及协议规定的同步信号块编号(GSCN)进行全网频段的盲搜。因为移动通信系统所使用的频谱资源是授权频谱资源，所以理论上来说在这些频谱上工作的只有移动通信系统。因此，这个全网盲搜的过程就可以比较简单地用“搜索到的信号能量强度来判断这个频点周围是否可能存在小区”当然，如果本次开机并非UE的第一次开机(之前成功注册进网络)时终端会保存一些“搜网”的先验信息，利用这些先验信息可以加速“搜网’过程。
• 什么时序？UE在盲搜过程中发现一个信号能量较强的频段后，因为还不知道基站的帧、子帧、时隙和符号定时(不知道什么时候是帧、子帧、时隙和符号的边界)，因此，还无法接受任何信息。这个捕获下行定时的过程就是下行同步。
• 什么配置？完成了下行同步的UE，也并不意味着已经完成了从网络侧接收数据的所有准备。UE还需要从网络侧获得一些必要的配置信息，比如系统帧号、子载波间隔等。这些网络半静态配置的参数信息就是系统信息。系统信息的信息量比较大，为了尽可能地缩减初始接入过程的时延，UE将分阶段地接收所需的系统信息。在SSB中包含最重要的系统信息PBCH，在完成PBCH的接收后，UE将继续接收剩余系统信息SIBx。
• 网络问题？(非物理层问题) 对于某一个UE来说，并不是所有搜索到的网络都是可用的。比如我们用一个插了移动SIM卡的手机搜索网络，当搜索到中国联通的网络时，此时终端是无法在该网络注册的，这个过程受NR的高层协议控制(PLMN选择，由NAS控制)。此外，当UE找到一个可用网络的小区，但发现这个小区的信号质量并不符合驻留条件或者该小区被禁止接入，也无法接入该小区，这个过程也由NR的高层协议控制(小区由RRC层控制)。

初始接入的第一阶段就是负责解决这4个问题。

• 同步和SSB的资源结构。在5GNR中，同步信息和主信息块(MIB，通过PBCH发送的系统信息)以“打包”的形式发送(类似sidelink中的broadcast模式，同步信息SSS和PSS与PBCH结合在同一个时频资源块中)，而不是像LTE那样在固定的位置周期性地接收同步信息和系统信息。这样的设计主要是为了匹配波束扫描(BeamSweeping)机制，使同步信息和系统信息可以被所有的UE收到。同步信息和系统信息的“打包”在5G中被称为同步和系统信息块(SSB，SS/PBCH Block)。SSB的结构被定义为一个静态的格式。

需要注意的是：DMRS是插在PBCH中传输的， 其中在符号#1和#3中占据60个子载波，在符号#2中占据(240-127-8-9)*1/4 = 24个子载波。

 

参考：https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_PBCH_DMRS.html

• 同步和SSB的发送机制。高频段的传播损耗比低频要大，为了解决这个问题并达到与LTE相当的覆盖水平，5G通过多天线波束成形(Beam Forming)方式来实现对信号的加强，进而实现覆盖的增强，而SSB的发送也是采用波束的方式。由于波束较窄，所以在NR中按照TDD的方式将相同的SSB通过波束的形式发送到不同的方向，以使各个方向的UE可以收到SSB。

 在5ms范围内，基站会在不同方向发送多个相同的SSB(对应不同的SSB Index)，用户会收到多个信号强度不同的SSB，并选择一个信号最强的作为自己的SSB波束。这一系列的SSB就是同步广播块集合(SS BURST SET)。而SS Burst Set重复出现的时间间隔，在5G中默认为20ms。频率越高，损耗越大，发送SSB的波束就需要越窄，覆盖相同范围就需要更多的SSB。

补充说明：1、在 SS Burst Set 内并不是所有的 SSB 都必须发送，通过Bitmap指示对应的 SSB Index是否发送；2、SSBIndex在5ms(半帧，即一个SSBurstSet，参考上图 4-24) 内为0~(L-1)，L为最大支持的SSB数量，载频小于等于3GHz时，L=4；载频小于等于6GHz时，L=8；载频大于6GHz时，L=64。

 可以知道，Case A.1 在 2ms 内，Case A.2 在 4ms内，Case B.1 在1ms内，Case B.2在 2ms内，Case C.1在 1ms内，Case D在 4ms内分别完成了SSB的发送。

参考：https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_SS_Block.html

• 同步和SSB所包含的内容。UE在特定的同步频点搜到同步信号后，就可以尝试对SSB进行解码。其中所包含的主信息块MIB(可以参考sidelink的broadcast的代码，进行类比)：

具体内容不展开了，见4.3.1 p119内容。大概流程如下(同样可以参考sidelink的broadcast的代码)：

 

二、额外系统信息接收

 当UE成功解码SSB后，接下来的首要任务就是接收RMSI(剩余最小系统信息)。与LTE一样，除了MIB外，其他SIB承载在PDSCH中传输，且由PDCCH进行调度。因此，要想获得SIB 1和其他系统信息，需要首先找到PDCCH并对其进行解码，然后再找到PDCCH指示的PDSCH获得RMSI。

在LTE系统中，系统信息都以广播的形式发送，但随着LTE的功能增强定义了越来越多的系统信息。考虑到UE并不是在任何时候都需要获得所有的系统信息，所以NR对系统信息的发送进行了一个很大的改进，On Demand机制。在这种机制下，除了MIB和SIB 1，其他系统信息都不假设默认以广播形式发送，而是根据UE的需求向网络提出系统信息请求，网络侧再决定是采用广播的形式还是UE专用信令的形式进行发送。

对于UE来说，想要解码PDCCH(DCI)，它必须要获得有关PDCCH的准确位置(CCE索引)、结构[聚合等级(AggregationLevel)]，交叉编码(Interleaving)等和扰码(RNTI)。但在实际情况中，这些信息对于UE来说是未知的，UE只能通过预设的规则在有可能出现PDCCH的位置进行解码尝试(尝试不同的CCE索引、聚合等级、RNTI的组合)。这个过程即为盲检，而这个按预设规则确定的 PDCCH 有可能出现的位置范围则是搜索空间。

• RMSI获取：唯一先验信息MIB ——> pdcch-ConfigSIB1 IE中给出了获取SIB1的方式 ——> UE可以找到Type 0-PDCCH公共搜索空间——> 盲检——>SIB1的内容非常重要的，包含小区选择的参数门限、统一的接入控制参数、服务小区的公共配置参数和其他 SIBx 的调度；更详细的过程请参阅p122-p127。
• OSI获取：其它系统信息OSI包括除MIB、SIB 1之外其它的系统信息。SIB总是通过系统广播的信息发送，可以通过在MIB中获取的PDCCH-ConfigSIB1 IE推导出起始搜索空间配置，进而实现SIB1的接收，但SIBx在NR中并非默认周期性广播发送，如果没有周期性广播发送，则UE可以利用On Demand机制请求系统信息，网络侧再将其配置为广播方式或者UE Dedicated信令发送。除SIB1以外的SIBx调度信息在SIB1中的si-SchedulingInfo IE中配置。

总的来说：（1）UE开机后，根据NAS层先验信息(比如上次驻留的小区等)进行小区搜索；（2）搜索到PSS，SSS后，UE可以通过PBCH获取频率、帧、子帧、时隙和符号的下行同步，并得到PCI(物理层Cell ID)和SSB的子载波间隔；（3）从MIB中获得一些关键参数指导后续行为；（4）解调Type 0-PDCCH并读取 PDSCH 中的SIB1；（5）完成SIB1接收后，若UE需要，根据基站的配置，利用Msg1或者Msg3来请求系统信息SIBx。

三、随机接入RACH

 即NAS层的注册，要发起注册过程就意味着UE需要和网络侧建立信令连接，这个过程由物理层和接入网高层负责，这就是随机接入过程。RACH建立了用户与网络(基站和核心网)控制面之间的桥梁，除此之外还提供包括系统信息的请求、波束恢复、一些波束管理过程等功能。

• 用户还没有建立上行同步，不知道什么时候给gNB发送数据。——>上行同步
• 网络侧不知道UE的存在，也就没有预留上下行资源。——>可用资源获取
• gNB无法确定该采用什么发送/接收波束。——>波束配对
• UE发送上行该采用什么功率——>功率设定

NR随机接入和LTE一样，分为基于竞争的和非竞争的随机接入，两者的区别在于，基于竞争的随机接入过程有一定概率发生随机接入冲突而随机接入失败。因此，从步骤上来看，相比非竞争的随机接入多一步竞争解决步骤。但是在大部分的应用场景中，都能够容忍基于竞争的随机接入过程带来的轻微时延。

与LTE一样，NR的随机接人前导序列(Preamble)同样是基于Zadof-Chu序列产生的。

 初始接入过程中的高层过程：

 

4.4：数据到达时的寻呼，以及后续的数据调度、数据传输和上行反馈过程

完成初始接入后，意味着UE已经完成了下行同步(通过接收PSS和SSS)，接收了所有所需的系统信息(通过接收MIB和SIBx)并保存了系统信息，在本地完成了配置、上行同步和初始的功率控制，并获得了第一次上行资源申请(通过RACH)，最终建立了与网络侧的信令连接。UE开机后的随机接入的目的是和网络完成注册过程。注册过程完成后，如果UE没有业务需要发送，网络侧也没有发给UE的数据到达，则UE会返回空闲态，即处于节能的状态，并等待业务的到来。

无论是空闲态还是非激活态，都会“缩减”UE此时的功能，此时核心网是无法知道UE的精确位置的，因此，如果当核心网有UE的数据到达时，需要通过某种机制——寻呼找到UE。

寻呼需要解决的问题：

1、你在哪里

2、你什么时候有空闲时间

3、你叫什么名字

寻呼机制的基本原理并不复杂，即网络侧利用PDCCH指示的PDSCH承载上层传递过来的寻呼消息(来自NG-RAN或者核心网)。UE在特定的时频资源上(paging occasion，PO、paging frame，PF以及考虑非连续接收 discontinuous reception，DRX)对PDCCH进行监控，接收发送给自己的寻呼消息并触发RACH进入连接态。（如何获得PO、PF；如何查找寻呼的PDCCH）

对于物理层来说，寻呼消息和普通的用户数据是一样的，其流程和处理方法也是类似的，即通过PDCCH通知UE在对应的PDSCH获得用户数据。对于寻呼来说，PDSCH承载的是上层信令，对于数据接收来说，PDSCH承载的是用户数据。

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寻呼使网络可以找到UE，并通过随机接入过程使UE和网络侧建立信令连接，进而为后续的数据接收搭建好“桥梁”。“桥梁”一旦搭起，网络侧就可以进一步地对 UE 的行为进行控制，这主要是通过物理层下行控制信道PDCCH。对UE来说，物理层下行控制信令的信息量并不大，而且并不是时时刻刻都有。因此，基于频谱利用效率的考虑，我们并不希望为每一个UE都分配一个特定的资源来传递这些控制信息，而是利用一块共享的资源来实现对所有UE的控制，基于这个思路，很容易想到的一个方案就是在时频资源上划分出一块相对较大的时频资源，将基站对不同UE的控制信令都映射到这块资源上进行传输这样，UE通过某种方式确认在这块固定资源的某个具体位置上传输的控制信息是自己的之后，就可以根据约定好的控制信息发送格式，获得基站发给自己的信令。以上就是LTE的PDCCH的设计思路与基本原理。“一块相对较大的时频资源”——>控制资源集CORESET和搜索空间，LTE的时频资源是固定的，NR的时频资源是可配置的；“通过某种方式确认在这块固定资源的某个具体位置上传输的控制信息是自己的”——>PDCCH盲检和RNTI。

控制资源集CORESET和搜索空间完全不同。控制资源集解决的是PDCCH的存在范围问题，例如时域长度和频域范围，目的是减小盲检的复杂度；搜索空间解决的是UE如何搜索的问题，与LTE不同，同一控制资源集下，NR可以为不同的UE配置不同的搜索空间。

PDCCH的逻辑资源单位——控制信道单元CCE，一个CCE由6个REG组成，一个REG由12个子载波，一个ofdm符号组成。在实际的PDCCH资源映射时，首先是将完成编码的PDCCH负载映射到CCE上，然后再根据配置不同的CORESET结构来映射到实际的物理资源上。由于CORESET的时域长度非常小，因此，每个PDCCH应占满整个时隙内CORESET的所有符号以获得尽可能长的时域长度，即一个CORESET内的各个PDCCH之间是FDM复用的。

当UE知道了CORESET和搜索空间配置，如何快速准确找到发送给自己的PDCCH呢？也就是通过盲检。盲检其实就是UE基于对DCI的某种假设，尝试对控制信道的资源的不同组合进行解码如果解码成功并通过校验，则认为成功接收到DCI。

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关于PDSCH和PUSCH的时域与频域分配机制，参阅p178-p188，其中也涉及到时隙与微时隙，CP-OFDM波形与DFT-s-OFDM波形。接下来阐述有关调度的问题：动态调度是移动通信系统惯用的调度方式，但在实际的应用中，动态调度也并不一定是最高效的。比如当用户有大量数据需要接收或者发送时，或者用户接收和发送的数据量比较稳定时(如VoIP)，其实网络完全可以预测出未来一段时间内用户持续的资源需求。在这种情况下，动态调度机制也会带来一些无谓的时延和信令开销。为了解决这个问题，在LTE中引入了半静态调度(SPS)技术，SPS技术就是网络一次性为用户分配多次资源，UE可以多次利用这些资源发送数据。在NR中，对LTE的SPS进行了进一步的增强，我们将这个可以由网络配置的资源分配方式叫作可配置调度。接下来阐述有关中断传输指示的问题：在实际的应用场景中，可能会存在如下情况：有uRLLC需求的业务和没有uRLLC需求的业务共享频谱资源。根据正常的数据调度流程，基站会根据用户数据的优先级来安排数据调度，如果网络侧已经完成了一轮调度(调度信令通过PDCCH已经告知了UE)，而此时突然发生了uRLLC事件(比如自动驾驶中需要发送一个紧急的碰撞避免消息)，那么很有可能因为网络已经完成了下一个时刻的资源调度而没有资源可以分配给刚刚触发的uRLLC传输需求。这种情况该怎么处理呢?在R15中入了下行优先抢占的概念，也就是说，当上述情况发生时，uRLLC业务可以抢占其他非uRLLC业务已经分配的资源。当然，为了降低对被抢占UE的影响，网络会向被抢占UE发送一个中断传输指示(Interrupted Transmission Indication)，告知其资源已经被抢占(也就是告知其收到的资源中存在并非发送给自己的资源)。

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基站要想更好地控制UE行为，基站就必须“体恤下情”，充分地了解UE的状态以及需求。换句话说，UE需要有某种途径对基站的行为进行“建议”和反馈——上行控制信道(PUCCH)。

gNB对于UE来说处于绝对的支配地位，在物理层几乎所有的UE行为都通过PDCCH由gNB进行控制，而UE对gNB并不具备控制能力，因此，PUCCH的功能和结构将比PDCCH简单很多。PUCCH的主要功能是“反馈”：携带下行信道质量状态反馈信息CSI；反馈基站PDSCH等传输是否正确ACK/NACK；请求上行传输资源。

4.5：参考信号

LTE中最重要的参考信号是小区参考信号CRS，但是已无法满足NR的需求了；

• 信道状态信息参考信号(CSI-RS)
• 解调参考信号(DMRS)：PBCH中的DMRS；PDSCH中的DMRS，为了应对超低时延场景，选择将DMRS位置提前，为了应对快速移动场景，提出了附加DMRS，为了应对多天线场景，定义了两种类型与单双符号
• 相位跟踪信号(PTRS)：要求高时域密度，而低频域密度，且总是和DNRS联合出现
• 上行探测参考信号(SRS)：就是上行CSI-RS

 4.6：高频载波之波束管理

略去