3GPP关于5G若干技术规范辑录（三）：物理层

钟 旻

1 物理层总体概述

本讲座包括物理层与其他层的关联（含总体协议架构和向高层提供的服务），物理层概述（含多址接入、物理信道和调制、信道编码）等，已在第一讲座中节录，这里需补充节录的是物理层的处理和测量。

（1）物理层的若干处理规程（流程）。包括：①小区搜索；②上行链路（UL）同步定时控制；③随机接入有关规程；④HARQ的有关规程；⑤波束管理和信道状态信息（CSI）有关规程；⑥旁链路（Sidelink)有关规程；⑦信道接入规程；⑧通过物理资源的频域、时域和功率域的控制，在NR中提供干扰协调的支持。

（2）物理层测量。将通过用户设备（UE）和网络测量获得的无线特性，包括频率内、外切换的测量，无线接入技术内切换的测量，定时测量和用于无线资源管理的测量等，报告到较高层。

2 物理层规范的文件构成

2.1 综述

物理层规范由总体文件（TS 38.201）和7个文件（TS 38.202、TS 38.211～TS 38.215和TS 37.213）组成。在较高层的上下文中物理层规范之间的关系如图1所示。

图1 物理层规范之间的关系

2.2 TS 38.201：总体描述

其中所描述包括①1层文件（TS 38.200系列）；②查找信息出处。

2.3 TS 38.202：由物理层提供的物理层服务

其中规定：①物理层的服务（业务）和功能；②用户物理层的模型；③同时并行传输的物理信道和探测参考信号；④由物理层提供的测量。

2.4 TS 38.211：物理信道和调制

其范围是建立1层物理信道的特性，物理层信号的产生和调制，规定：①上、下行物理信道的定义；②帧结构和物理资源；③调制映射（BPSK、QPSK等）；④OFDM信号的产生；⑤扰码、调制和上变频；⑥层映射和处理；⑦上、下行链路中的物理共享信道；⑧上、下行链路的参考信号；⑨物理随机接入信道；⑩主、从同步信号。

2.5 TS 38.212：复用和信道编码

其范围是描述传输信道和控制信道数据处理，包括复用、信道编码和交织，进而规定：①信道编码方式；②速率匹配；③上行链路传输信道和控制信息；④下行链路传输信道和控制信息。

2.6 TS 38.213 物理层的控制处理

其范围是建立用于控制的物理层处理，进而规定：①同步处理；②上行链路功率控制；③随机接入处理；④用于报告控制信息的用户设备处理；⑤用于接收控制信息的用户设备处理。

2.7 TS 38.214 用于数据的物理层处理

其范围是建立用于数据的物理层处理的特性，进而规定：①功率控制；②有关物理下行链路共享信道的处理；③有关物理上行链路共享信道的处理。

2.8 TS 38.215 物理层测量

其范围是建立物理层测量的特性，进而规定：①用户/5G无线接入网（UE/NG-RAN）测量的控制；②用于新无线（NR）的测量能力。

2.9 TS 37.213：用于共享频谱信道接入的物理层处理

其范围是建立用于共享频谱信道接入的物理层处理的特性，进而规定：下行链路信道接入处理。

3 TS 38.202：由物理层提供的物理层服务的进一步介绍

3.1 物理层的服务与功能

物理层为较高层提供数据传输服务，接入这些服务是利用传输信道通过介质访问控制（MAC）子层进行的，传输块定义为由MAC子层传送到物理层的数据或反之。按TS 38.201文件所述，物理层执行以下功能来提供数据传输服务：①对传输信道进行差错检测，并提供给较高层；②传输信道的前向纠错（FEC）编/解码；③混合的自动重发请求（ARQ）软组合；④对物理信道编码传输信道的速率匹配*；⑤编码的传输信道映射到物理信道；⑤物理信道的功率加权（Power Weighting）；⑥物理信道的调制解调；⑦频率和时间同步；⑧无线（射频）特性测量并提供给较高层；⑨多入多出（MIMO）天线处理；⑩射频（RF）处理。

（注：对于给定的调制方式，选择的码速率取决于无线链路，较低的编码率能在坏的信道条件下使用；较高的编码率能在好的信道条件（高的信-干扰噪声比）下使用。据此，可对数据编码的输出进行技术处理，确定合适的码速率，也即码速率的匹配，在信道上传输。）

3.2 用户设备（UE）的物理模型

5G-NR物理层模型捕捉的5G-NR物理层特性，从较高层的观点看是紧密相关的，更进一步说模型捕捉的是：①通过从物理层向上或向下的较高层的数据结构；②较高层用此模型可以构成物理层的方法；③由物理层提供给较高层不同的指示（差错指示，信道质量指示等）。

3.2.1 上行链路模型

上行链路是指用于从一UE到一基站，从一移动站到一移动基站，或从一移动基站到一基站，传送信号的无方向无线链路。

3.2.1.1 上行链路共享信道（UL-SCH）

用于上行链路共享信道的物理模型，是基于相应的物理上行链路共享信道（PUSCH）物理层处理链进行描述的（注：PUSCH是用来承载上行业务数据的），如图2所示。与物理层模型相关的处理步骤，例如，在较高层可重构的意义上包括编码+RM、数据解调、资源映射、天线映射、数据调制等。

图2 用于上行链路-共享信道传输的物理层模型

①到/来自物理层的较高层数据；②循环冗余检错（CRC）和传输块差错指示（注：循环冗余检错（CRC）的原理参见附录）；③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源；⑥多天线处理；⑦支持层1控制和混合ARQ有关信令。

3.2.1.2 随机接入信道（RACH）

用于RACH传输的物理层模型，用一物理随机接入信道（PRACH）前导帧表征，由一循环前缀，前导（报头）和一保护时间（不发送信号）组成。（注：PRACH用于承载随机接入前导序列的发送，基站通过对序列的检测以及后续信令交流，建立起上行同步。）

3.2.2 下行链路模型

下行链路是指用于从一通用无线接入网（UTRAN）点到一UE，也即一般是从网络到UE的方向上，传送信号的无方向无线链路。

3.2.2.1 下行链路共享信道（DL-SCH）

用于下行链路共享信道传输的物理层模型，是基于相应的物理下行链路共享信道（PDSCH）物理层处理链来描述的（注：主要用于单播数据的传输，寻呼信息和部分系统信息的传输）。如图3所示。

图3 用于下行链路-共享信道传输的物理层模型

与物理层模型相关的处理步骤，例如在较高层可重构的意义上，包括编码+RM、数据调制、资源映射、天线映射、解码+RM、数据解调等。

①到/来自物理层的较高层数据；②循环冗余校验（CRC）和传输块差错指示③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源；⑥多天线处理；⑦支持层1控制和混合ARQ有关信令。

3.2.2.2 广播信道

用于广播信道（BCH）传输的物理层模型，用一固定的预定义传输格式表征。BCH每80ms为一传输块。BCH物理层模型是基于相应的物理广播信道（PBCH）物理层处理链进行描述的（注：其用途是承接UE接入网络所必须的部分关键系统消息）。如图4所示。

图4 用于广播传输的物理层模型

①到/来自物理层的较高层数据；②循环冗余校验（CRC）和传输块差错指示；③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源；⑥多天线处理。

3.2.2.3 寻呼信道

用于寻呼信道（PCH）传输的物理层模型是基于相应的物理层处理链进行描述的。如图5所示。

图5 用于寻呼信道传输的物理层模型

PCH在物理下行链路共享信道（PDSCH）上实施，处理步骤与物理层模型相关，例如它们在由较高层可重构的意义上，包括数据调制、资源映射、天线映射、数据解调等。

①较高层数据到达/来自物理层；②循环冗余校验（CRC）和传输块差错指示；③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源；⑥多天线处理。

3.3 旁链路模型

（注：关于旁链路的概念参见3.4.3节的说明。）

3.3.1 旁链路共享信道

用于旁链路共享信道传输的物理层模型，是基于相应的旁链路-共享信道（SL-SCH）物理层处理链来描述的（见图6）。与物理层模型相关的处理步骤，例如，在它们由较高层可重构的意义上，包括编码+RM、数据调制、资源映射、天线映射、解码+RM、数据解调、资源解映射、天线解映射等。

图6 用于旁链路-共享信道的物理层模型

①较高层数据到达/来自物理层；②循环冗余校验（CRC）和传输块差错指示；③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源；⑥多天线处理；⑦支持层1控制和混合ARQ有关的信令。

3.3.2 广播信道

用于旁链路广播传输的物理层模型，是用一固定的预定义的传输格式来表征的。每一时隙有一传输块，其中当用户（UE）被配置在旁链路广播信道（SLBCH）发送时，便用其实施之。SL-BCH物理层模型是基于相应的SL-BCH物理层处理链来描述的（见图7）。

图7 用于SL-BCH传输的物理层模型

①较高层数据到达/来自物理层；②循环冗余校验（CRC）和传输块差错指示；③FEC和速率匹配；④数据调制；⑤映射到物理源⑥多天线处理。

3.4 物理信道和物理信号的同时发送和接收

本节描述用户设备（UE）对同时发送和接收几条物理信道和物理信号的要求，取决于能力和服务要求。首先给出用于上、下行链路二者之间的标注。

p是用户设备（UE）在物理信道上能构成发射的上行链路载波数；p’是UE在其探测参考信号上能构成发射的上行链路载波数；q是构成用于UE下行链路的载波数；j是构成用于UE的小区群数；k是构成用于UE的物理上行控制链路信道数。

3.4.1 上行链路

表1和表2描述了一个UE在上行链路中将物理信道和探测参考信号用于同时发送的可能组合。表1介绍了用于“传输种类”的注释，它表示一条物理信道或探测参考信号和任何有关的传输信道；表2描述了这些传输种类的组合，它们由UE所支持，取决于能力和每一种能同时发射多少。

表1 上行链路“传输类型”

表2 上行链路传输类型组合

3.4.2 下行链路

表3、表4描述了一个UE在下行链路中能同时接收的物理信道的可能组合。表3介绍了“接收类型”的注释，它表示一条物理信道和相关的传输信道；表4描述了第一种能同时接收的数目，UE按照物理下行链路控制信道（PDCCH）的指示能接收所用的传输块，并支持表3 中所规定的任何组合子集。

表3 下行链路接收类型

表4 下行链路“接收类型”组合

3.4.3 旁链路（Sidelink)

Sidelink技术是一种UE通过彼此之间的PC5接口进行信息直连的近场通信技术。5G(NR)网络中Sidelink通信包括单播，组播和广播。PC5接口是车与物（V2X）之间的直连方案。PC5接口的用户面和控制面协议栈如图8所示，SDAP为业务数据适配协议，PDCP为分组数据聚合协议。

图8 PC5接口的用户面与控制面协议栈

表5和表6描述了由一UE在旁链路中同时可以发送的物理信道的可能组合。表5介绍了对于一旁链路“传送类型”的注释，传送类型是指一物理信道及其关联的传输信道；表6描述了这些“传送类型”的组合、UE所能提供的支持（取决于能力），以及列举了每一种有多少路能同时传送。

表5 旁链路“传送类型”

表6 旁链路“传送类型”的组合

表7和表8描述了由一UE在旁链路内能同时接收的物理信道的可能组合。表7介绍了用于旁链路接收类型的注释，接收类型表示一物理信道与相关联的传输信道；表8描述了这些接收类型所支持的组合（取决于UE的能力），以及每一种能同时接收多少子信道数。

表7 旁链路的“接收类型”

表8 旁链路的“接收类型” 组合

附录：循环冗余校验（CRC）码的基本概念和原理

根据差错控制编码理论，按功能可分为检错码、纠错码和纠删码。其中，检错码的功能是检测误码。

为了提高信息传输的可靠性，在信息符号中按照一定的数学规则加入多余码元，称为校验码元，或监督码元。解码时利用校验码元与信息码元之间所存在的规则来发现或纠正传输错误。前者是为检错，后者为纠错。

由于校验码元的加入，码组的长度增加了，该长度的码组总数比符合规定的数学规律的码组数多，人们将符合规定的数学规律的码组称为许用码组即可用的码组，而不符合规定规律的码组称为禁用码组，即不能使用的码组。

循环冗余校验（CRC）码是利用循环码来进行检错的码，而循环码是一种线性分组码。为了编码处理的方便，事先把信息码进行分组，若在编码时，每一组的校验码元都只有由本组的信息码元按照一定的数学规则产生，这样编码、解码就可按组处理，这类码就叫分组码。如果产生校验码元的数学规则是用组中某些信息码元相加得到的（即与信息码元在数学上成线性关系），则称这种码为线性分组码，简称线性码。通常用码长n、信息位数k来表示，r为监督码元数，码长n=2r-1。循环码通常前k位为信息码元，后r位为监督码元。

循环码因其编码方法和编码的码组具有循环性而得名。所谓循环性，是当该码组循环右移一位，所得到的新码组也仍然是该线性码中的一个码组。例如，一个[7,3]循环码，若有一码组为1001110（其前三位为信息位），将第7位“0”移到第一位。则变为0100111，仍是该码中的一个码组。

在循环码中，共有2k个码组，除全0码组外，其余码组都正好是循环移位的结果。仍以[7，3]循环码为例，其全部码组如附表1所示。

附表1 [7，3]循环码的码组

对于线性码来说，信息码元与校验（监督）码元可用一组线性方程来表示。据编码理论，循环码完全由其码组长度n及生成多项式g(D)所决定。g(D)是一个能除尽Dn+1的n-k阶多项式。阶数低于n并能被g(D)除尽在一组多项式构成一个(n,k)循环码。也就是说，阶数小于等于n-1能被g(D)除尽的每个多项式，都是循环码的许用码组。

研究表明，循环冗余校验（CRC）可用以检测出如下错误：

（1）突发长度≤n-k的突发错误；

（2）大部分突发长度＝n-k+1的错误，其中不可检测的这类错误只占2-(n-k-1)；

（3）大部分突发长度＞n-k+1的错误，事检测的这类错误只占2-(n-k)；

（4）所有与许用码组压码距≤dmin-1的错误；

（5）所有奇数个随机错误。

附表2是国际标准的4种CRC码，其中CRC-12用于码元长度为6比特情形；CRC-CCITT和CRC-32则用于8比特场合。

附表2 常用的CRC码