3GPP關于5G若干技術規范輯錄（三）：物理層

鐘 旻

1 物理層總體概述

本講座包括物理層與其他層的關聯（含總體協議架構和向高層提供的服務），物理層概述（含多址接入、物理信道和調制、信道編碼）等，已在第一講座中節錄，這里需補充節錄的是物理層的處理和測量。

（1）物理層的若干處理規程（流程）。包括：①小區搜索；②上行鏈路（UL）同步定時控制；③隨機接入有關規程；④HARQ的有關規程；⑤波束管理和信道狀態信息（CSI）有關規程；⑥旁鏈路（Sidelink)有關規程；⑦信道接入規程；⑧通過物理資源的頻域、時域和功率域的控制，在NR中提供干擾協調的支持。

（2）物理層測量。將通過用戶設備（UE）和網絡測量獲得的無線特性，包括頻率內、外切換的測量，無線接入技術內切換的測量，定時測量和用于無線資源管理的測量等，報告到較高層。

2 物理層規范的文件構成

2.1 綜述

物理層規范由總體文件（TS 38.201）和7個文件（TS 38.202、TS 38.211～TS 38.215和TS 37.213）組成。在較高層的上下文中物理層規范之間的關系如圖1所示。

圖1 物理層規范之間的關系

2.2 TS 38.201：總體描述

其中所描述包括①1層文件（TS 38.200系列）；②查找信息出處。

2.3 TS 38.202：由物理層提供的物理層服務

其中規定：①物理層的服務（業務）和功能；②用戶物理層的模型；③同時并行傳輸的物理信道和探測參考信號；④由物理層提供的測量。

2.4 TS 38.211：物理信道和調制

其范圍是建立1層物理信道的特性，物理層信號的產生和調制，規定：①上、下行物理信道的定義；②幀結構和物理資源；③調制映射（BPSK、QPSK等）；④OFDM信號的產生；⑤擾碼、調制和上變頻；⑥層映射和處理；⑦上、下行鏈路中的物理共享信道；⑧上、下行鏈路的參考信號；⑨物理隨機接入信道；⑩主、從同步信號。

2.5 TS 38.212：復用和信道編碼

其范圍是描述傳輸信道和控制信道數據處理，包括復用、信道編碼和交織，進而規定：①信道編碼方式；②速率匹配；③上行鏈路傳輸信道和控制信息；④下行鏈路傳輸信道和控制信息。

2.6 TS 38.213 物理層的控制處理

其范圍是建立用于控制的物理層處理，進而規定：①同步處理；②上行鏈路功率控制；③隨機接入處理；④用于報告控制信息的用戶設備處理；⑤用于接收控制信息的用戶設備處理。

2.7 TS 38.214 用于數據的物理層處理

其范圍是建立用于數據的物理層處理的特性，進而規定：①功率控制；②有關物理下行鏈路共享信道的處理；③有關物理上行鏈路共享信道的處理。

2.8 TS 38.215 物理層測量

其范圍是建立物理層測量的特性，進而規定：①用戶/5G無線接入網（UE/NG-RAN）測量的控制；②用于新無線（NR）的測量能力。

2.9 TS 37.213：用于共享頻譜信道接入的物理層處理

其范圍是建立用于共享頻譜信道接入的物理層處理的特性，進而規定：下行鏈路信道接入處理。

3 TS 38.202：由物理層提供的物理層服務的進一步介紹

3.1 物理層的服務與功能

物理層為較高層提供數據傳輸服務，接入這些服務是利用傳輸信道通過介質訪問控制（MAC）子層進行的，傳輸塊定義為由MAC子層傳送到物理層的數據或反之。按TS 38.201文件所述，物理層執行以下功能來提供數據傳輸服務：①對傳輸信道進行差錯檢測，并提供給較高層；②傳輸信道的前向糾錯（FEC）編/解碼；③混合的自動重發請求（ARQ）軟組合；④對物理信道編碼傳輸信道的速率匹配*；⑤編碼的傳輸信道映射到物理信道；⑤物理信道的功率加權（Power Weighting）；⑥物理信道的調制解調；⑦頻率和時間同步；⑧無線（射頻）特性測量并提供給較高層；⑨多入多出（MIMO）天線處理；⑩射頻（RF）處理。

（注：對于給定的調制方式，選擇的碼速率取決于無線鏈路，較低的編碼率能在壞的信道條件下使用；較高的編碼率能在好的信道條件（高的信-干擾噪聲比）下使用。據此，可對數據編碼的輸出進行技術處理，確定合適的碼速率，也即碼速率的匹配，在信道上傳輸。）

3.2 用戶設備（UE）的物理模型

5G-NR物理層模型捕捉的5G-NR物理層特性，從較高層的觀點看是緊密相關的，更進一步說模型捕捉的是：①通過從物理層向上或向下的較高層的數據結構；②較高層用此模型可以構成物理層的方法；③由物理層提供給較高層不同的指示（差錯指示，信道質量指示等）。

3.2.1 上行鏈路模型

上行鏈路是指用于從一UE到一基站，從一移動站到一移動基站，或從一移動基站到一基站，傳送信號的無方向無線鏈路。

3.2.1.1 上行鏈路共享信道（UL-SCH）

用于上行鏈路共享信道的物理模型，是基于相應的物理上行鏈路共享信道（PUSCH）物理層處理鏈進行描述的（注：PUSCH是用來承載上行業務數據的），如圖2所示。與物理層模型相關的處理步驟，例如，在較高層可重構的意義上包括編碼+RM、數據解調、資源映射、天線映射、數據調制等。

圖2 用于上行鏈路-共享信道傳輸的物理層模型

①到/來自物理層的較高層數據；②循環冗余檢錯（CRC）和傳輸塊差錯指示（注：循環冗余檢錯（CRC）的原理參見附錄）；③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源；⑥多天線處理；⑦支持層1控制和混合ARQ有關信令。

3.2.1.2 隨機接入信道（RACH）

用于RACH傳輸的物理層模型，用一物理隨機接入信道（PRACH）前導幀表征，由一循環前綴，前導（報頭）和一保護時間（不發送信號）組成。（注：PRACH用于承載隨機接入前導序列的發送，基站通過對序列的檢測以及后續信令交流，建立起上行同步。）

3.2.2 下行鏈路模型

下行鏈路是指用于從一通用無線接入網（UTRAN）點到一UE，也即一般是從網絡到UE的方向上，傳送信號的無方向無線鏈路。

3.2.2.1 下行鏈路共享信道（DL-SCH）

用于下行鏈路共享信道傳輸的物理層模型，是基于相應的物理下行鏈路共享信道（PDSCH）物理層處理鏈來描述的（注：主要用于單播數據的傳輸，尋呼信息和部分系統信息的傳輸）。如圖3所示。

圖3 用于下行鏈路-共享信道傳輸的物理層模型

與物理層模型相關的處理步驟，例如在較高層可重構的意義上，包括編碼+RM、數據調制、資源映射、天線映射、解碼+RM、數據解調等。

①到/來自物理層的較高層數據；②循環冗余校驗（CRC）和傳輸塊差錯指示③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源；⑥多天線處理；⑦支持層1控制和混合ARQ有關信令。

3.2.2.2 廣播信道

用于廣播信道（BCH）傳輸的物理層模型，用一固定的預定義傳輸格式表征。BCH每80ms為一傳輸塊。BCH物理層模型是基于相應的物理廣播信道（PBCH）物理層處理鏈進行描述的（注：其用途是承接UE接入網絡所必須的部分關鍵系統消息）。如圖4所示。

圖4 用于廣播傳輸的物理層模型

①到/來自物理層的較高層數據；②循環冗余校驗（CRC）和傳輸塊差錯指示；③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源；⑥多天線處理。

3.2.2.3 尋呼信道

用于尋呼信道（PCH）傳輸的物理層模型是基于相應的物理層處理鏈進行描述的。如圖5所示。

圖5 用于尋呼信道傳輸的物理層模型

PCH在物理下行鏈路共享信道（PDSCH）上實施，處理步驟與物理層模型相關，例如它們在由較高層可重構的意義上，包括數據調制、資源映射、天線映射、數據解調等。

①較高層數據到達/來自物理層；②循環冗余校驗（CRC）和傳輸塊差錯指示；③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源；⑥多天線處理。

3.3 旁鏈路模型

（注：關于旁鏈路的概念參見3.4.3節的說明。）

3.3.1 旁鏈路共享信道

用于旁鏈路共享信道傳輸的物理層模型，是基于相應的旁鏈路-共享信道（SL-SCH）物理層處理鏈來描述的（見圖6）。與物理層模型相關的處理步驟，例如，在它們由較高層可重構的意義上，包括編碼+RM、數據調制、資源映射、天線映射、解碼+RM、數據解調、資源解映射、天線解映射等。

圖6 用于旁鏈路-共享信道的物理層模型

①較高層數據到達/來自物理層；②循環冗余校驗（CRC）和傳輸塊差錯指示；③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源；⑥多天線處理；⑦支持層1控制和混合ARQ有關的信令。

3.3.2 廣播信道

用于旁鏈路廣播傳輸的物理層模型，是用一固定的預定義的傳輸格式來表征的。每一時隙有一傳輸塊，其中當用戶（UE）被配置在旁鏈路廣播信道（SLBCH）發送時，便用其實施之。SL-BCH物理層模型是基于相應的SL-BCH物理層處理鏈來描述的（見圖7）。

圖7 用于SL-BCH傳輸的物理層模型

①較高層數據到達/來自物理層；②循環冗余校驗（CRC）和傳輸塊差錯指示；③FEC和速率匹配；④數據調制；⑤映射到物理源⑥多天線處理。

3.4 物理信道和物理信號的同時發送和接收

本節描述用戶設備（UE）對同時發送和接收幾條物理信道和物理信號的要求，取決于能力和服務要求。首先給出用于上、下行鏈路二者之間的標注。

p是用戶設備（UE）在物理信道上能構成發射的上行鏈路載波數；p’是UE在其探測參考信號上能構成發射的上行鏈路載波數；q是構成用于UE下行鏈路的載波數；j是構成用于UE的小區群數；k是構成用于UE的物理上行控制鏈路信道數。

3.4.1 上行鏈路

表1和表2描述了一個UE在上行鏈路中將物理信道和探測參考信號用于同時發送的可能組合。表1介紹了用于“傳輸種類”的注釋，它表示一條物理信道或探測參考信號和任何有關的傳輸信道；表2描述了這些傳輸種類的組合，它們由UE所支持，取決于能力和每一種能同時發射多少。

表1 上行鏈路“傳輸類型”

表2 上行鏈路傳輸類型組合

3.4.2 下行鏈路

表3、表4描述了一個UE在下行鏈路中能同時接收的物理信道的可能組合。表3介紹了“接收類型”的注釋，它表示一條物理信道和相關的傳輸信道；表4描述了第一種能同時接收的數目，UE按照物理下行鏈路控制信道（PDCCH）的指示能接收所用的傳輸塊，并支持表3 中所規定的任何組合子集。

表3 下行鏈路接收類型

表4 下行鏈路“接收類型”組合

3.4.3 旁鏈路（Sidelink)

Sidelink技術是一種UE通過彼此之間的PC5接口進行信息直連的近場通信技術。5G(NR)網絡中Sidelink通信包括單播，組播和廣播。PC5接口是車與物（V2X）之間的直連方案。PC5接口的用戶面和控制面協議棧如圖8所示，SDAP為業務數據適配協議，PDCP為分組數據聚合協議。

圖8 PC5接口的用戶面與控制面協議棧

表5和表6描述了由一UE在旁鏈路中同時可以發送的物理信道的可能組合。表5介紹了對于一旁鏈路“傳送類型”的注釋，傳送類型是指一物理信道及其關聯的傳輸信道；表6描述了這些“傳送類型”的組合、UE所能提供的支持（取決于能力），以及列舉了每一種有多少路能同時傳送。

表5 旁鏈路“傳送類型”

表6 旁鏈路“傳送類型”的組合

表7和表8描述了由一UE在旁鏈路內能同時接收的物理信道的可能組合。表7介紹了用于旁鏈路接收類型的注釋，接收類型表示一物理信道與相關聯的傳輸信道；表8描述了這些接收類型所支持的組合（取決于UE的能力），以及每一種能同時接收多少子信道數。

表7 旁鏈路的“接收類型”

表8 旁鏈路的“接收類型” 組合

附錄：循環冗余校驗（CRC）碼的基本概念和原理

根據差錯控制編碼理論，按功能可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。其中，檢錯碼的功能是檢測誤碼。

為了提高信息傳輸的可靠性，在信息符號中按照一定的數學規則加入多余碼元，稱為校驗碼元，或監督碼元。解碼時利用校驗碼元與信息碼元之間所存在的規則來發現或糾正傳輸錯誤。前者是為檢錯，后者為糾錯。

由于校驗碼元的加入，碼組的長度增加了，該長度的碼組總數比符合規定的數學規律的碼組數多，人們將符合規定的數學規律的碼組稱為許用碼組即可用的碼組，而不符合規定規律的碼組稱為禁用碼組，即不能使用的碼組。

循環冗余校驗（CRC）碼是利用循環碼來進行檢錯的碼，而循環碼是一種線性分組碼。為了編碼處理的方便，事先把信息碼進行分組，若在編碼時，每一組的校驗碼元都只有由本組的信息碼元按照一定的數學規則產生，這樣編碼、解碼就可按組處理，這類碼就叫分組碼。如果產生校驗碼元的數學規則是用組中某些信息碼元相加得到的（即與信息碼元在數學上成線性關系），則稱這種碼為線性分組碼，簡稱線性碼。通常用碼長n、信息位數k來表示，r為監督碼元數，碼長n=2r-1。循環碼通常前k位為信息碼元，后r位為監督碼元。

循環碼因其編碼方法和編碼的碼組具有循環性而得名。所謂循環性，是當該碼組循環右移一位，所得到的新碼組也仍然是該線性碼中的一個碼組。例如，一個[7,3]循環碼，若有一碼組為1001110（其前三位為信息位），將第7位“0”移到第一位。則變為0100111，仍是該碼中的一個碼組。

在循環碼中，共有2k個碼組，除全0碼組外，其余碼組都正好是循環移位的結果。仍以[7，3]循環碼為例，其全部碼組如附表1所示。

附表1 [7，3]循環碼的碼組

對于線性碼來說，信息碼元與校驗（監督）碼元可用一組線性方程來表示。據編碼理論，循環碼完全由其碼組長度n及生成多項式g(D)所決定。g(D)是一個能除盡Dn+1的n-k階多項式。階數低于n并能被g(D)除盡在一組多項式構成一個(n,k)循環碼。也就是說，階數小于等于n-1能被g(D)除盡的每個多項式，都是循環碼的許用碼組。

研究表明，循環冗余校驗（CRC）可用以檢測出如下錯誤：

（1）突發長度≤n-k的突發錯誤；

（2）大部分突發長度＝n-k+1的錯誤，其中不可檢測的這類錯誤只占2-(n-k-1)；

（3）大部分突發長度＞n-k+1的錯誤，事檢測的這類錯誤只占2-(n-k)；

（4）所有與許用碼組壓碼距≤dmin-1的錯誤；

（5）所有奇數個隨機錯誤。

附表2是國際標準的4種CRC碼，其中CRC-12用于碼元長度為6比特情形；CRC-CCITT和CRC-32則用于8比特場合。

附表2 常用的CRC碼