5G NR協議棧及功能1 – 總體架構與物理層

5G NR協議棧及功能1 – 總體架構與物理層

  備註:本文所有圖片均來自3GPP標準,包括3GPP TS 38.300 V15.0.0 (2017-12)和3GPP TS 38.202 V15.0.0 (2017-12)等。本文主要介紹截止目前(2018年1月25日),3GPP 5G NR相關的協議內容,後期可能會有更新。
  本系列共分為兩部分:
  1. 5G NR協議棧及功能1 - 總體架構與物理層 http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160245
  2. 5G NR協議棧及功能2 - MAC RLC PDCP SDAP  http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160449

 

一 NR總體架構與功能劃分

1.1 總體架構

  

  NG-RAN節點包含兩種型別:

  l  gNB:提供NR使用者平面和控制平面協議和功能

  l  ng-eNB:提供E-UTRA使用者平面和控制平面協議和功能

  gNB與ng-eNB之間通過Xn介面連線,gNB/ng-eNB通過NG-C介面與AMF(Access and Mobility Management Function)連線,通過NG-U介面與UPF(User Plane Function)連線。

  5G總體架構如下圖所示,NG-RAN表示無線接入網,5GC表示核心網。

 

1.2 功能劃分

  5G網路的功能劃分如下圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節點,5G-C一共包含三個功能模組:AMF,UPF和SMF(Session Management Function)。

1.2.1gNB/ng-eNB

  l  小區間無限資源管理Inter Cell Radio Resource Management(RRM)

  l  無線承載控制Radio Bear(RB)Control

  l  連線移動性控制 Connection Mobility Control

  l  測量配置與規定Measurement Configuration and Provision

  l  動態資源分配Dynamic Resource Allocation

1.2.2AMF

  l  NAS安全Non-Access Stratum(NAS) Security

  l  空閒模式下移動性管理Idle State Mobility Handling

1.2.3UPF

  l  移動性錨點管理 Mobility Anchoring

  l  PDU處理(與Internet連線)PDU Handling

1.2.4SMF

  l  使用者IP地址分配 UE IP Address Allocation

  l  PDU Session控制

 

1.3 網路介面

1.3.1NG介面

  NG-U介面用於連線NG-RAN與UPF,其協議棧如下圖所示。協議棧底層採用UDP、IP協議,提供非保證的資料交付。

 

  NG-C介面用於連線NG-RAN與AMF,其協議棧如下圖所示。在傳輸中,IP協議為信令提供點對點傳輸服務。SCTP保證信令的可靠交付。NG-C介面有以下功能:

  l  NG介面管理

  l  UE上下文管理

  l  UE移動性管理

  l  NAS信令傳輸

  l  尋呼

  l  PDU Session管理

  l  更換配置

  l  警告資訊傳輸

 

1.3.2Xn介面

  Xn-U介面用於連線兩個NG-RAN節點。Xn-U介面協議棧如下圖所示。GTP-U基於UDP、IP網路之上,為資料提供非保證服務。Xn-U主要包含兩個功能:

  l  資料轉發

  l  流控制

  Xn-C介面用於連線兩個NG-RAN節點。IP協議為信令提供點對點傳輸,SCTP為信令提供可靠交付。Xn-C介面主要包含以下功能:

  l  Xn介面管理

  l  UE移動性管理,包括上下文傳輸和尋呼等

  l  雙連結

1.4 無線協議棧

  NR無線協議棧分為兩個平面:使用者面和控制面。使用者面(User Plane, UP)協議棧即使用者資料傳輸採用的協議簇,控制面(Control Plane, CP)協議棧即系統的控制信令傳輸採用的協議簇。

  NR使用者面和控制面協議棧稍有不同,下面詳細介紹。

1.4.1使用者面

  NR使用者平面相比LTE協議棧多了一層SDAP層,使用者面協議從上到下依次是:

  l  SDAP層:Service Data Adaptation Protocol

  l  PDCP層:Packet Data Convergence Protocol

  l  RLC層:Radio Link Control

  l  MAC層:Medium Access Control

  l  PHY層:Physical

1.4.2控制面

  NR控制面協議幾乎與LTE協議棧一模一樣,從上到下依次為:

  l  NAS層:Non-Access Stratum

  l  RRC層:Radio Resource Control

  l  PDCP層:Packet Data Convergence Protocol

  l  RLC層:Radio Link Con trol

  l  MAC層:Medium Access Control

  l  PHY層:Physical

 

  UE所有的協議棧都位於UE內;而在網路側,NAS層不位於基站gNB上,而是在核心網的AMF (Access and Mobility Management Function)實體上。還有一點需要強調的是,控制面協議棧不包含SDAP層。

 

二 物理層

2.1 波形、子載波&CP配置和幀結構

  NR系統下行傳輸採用帶迴圈字首的(CP)的OFDM波形;上行傳輸可以採用基於DFT預編碼的帶CP的OFDM波形,也可以與下行傳輸一樣,採用帶CP的OFDM波形。

  NR與LTE系統都基於OFDM傳輸。兩者主要有兩點不同:

  1.      LTE只支援一種子載波間隔15KHz,而NR目前支援5種子載波間隔配置;

  2.      LTE上行採用基於DFT預編碼的CP-Based OFDM,而NR上行可以採用基於DFT預編碼的CP-Based OFDM,也可以採用不帶DFT的CP-Based OFDM。

 

  NR支援的載波間隔、CP型別、對資料通道的支援如下表所示。NR一共支援5種子載波間隔配置:15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz。一共有兩種CP型別,Normal和Extended(擴充套件型)。擴充套件型CP只能用在子載波間隔為60KHz的配置下。其中,子載波間隔為15KHz、30KHz、60KHz和120KHz可用於資料傳輸通道;而15KHz、30KHz、120KHz和240KHz子載波間隔可以用於同步通道。

  NR中連續的12個子載波稱為物理資源塊(PRB),在一個載波中最大支援275個PRB,即275*12=3300個子載波。

 

  上下行中一個幀的時長固定為10ms,每個幀包含10個子幀,即每個子幀固定為1ms。同時,每個幀分為兩個半幀(5ms)。每個子幀包含若干個時隙,每個時隙固定包含14個OFDM符號(如果是擴充套件CP,則對應12個OFDM符號)。因為每個子幀固定為1ms,所以對應不同子載波間隔配置,每個子幀包含的時隙數是不同的。具體的個數關係如下表所示。[下表相比之前表格多了一個u=5項,但在Rel-15中並不使用此選項]

 

  NR的傳輸單位(TTI)為1個時隙。如上所述,對於常規CP,1個時隙對應14個OFDM符號;對於擴充套件CP,1個時隙包含12個OFDM符號。

  由於子載波間隔越大,對應時域OFDM符號越短,則1個時隙的時長也就越短。所以子載波間隔越大,TTI越短,空口傳輸時延越低,當然對系統的要求也就越高。

2.2 頻寬頻點

  在NR中,3GPP主要指定了兩個頻點範圍。一個是我們通常稱為Sub 6GHz,另一個是我們通常稱為毫米波(Millimeter Wave)。Sub 6GHz稱為FR1,毫米波稱為FR2。FR1和FR2具體的頻率範圍如下表所示:

 

  對於不同的頻點範圍,系統的頻寬和子載波間隔都所有不同。在Sub 6GHz,系統最大的頻寬為100MHz而在毫米波中最大的頻寬為400MHz。子載波間隔15KHz和30KHz只能用在Sub 6GHz,而120KHz子載波間隔只能用在毫米波中,60KHz子載波間隔可以同時在Sub 6GHz和毫米波中使用

2.3 物理層下行鏈路

2.3.1PDSCH

  PDSCH處理流程

  1.      傳輸塊CRC新增(如果傳輸塊長度大於3824,則新增24bit CRC;否則新增16bit CRC)

  2.      傳輸塊分段,各段新增CRC(24bit)

  3.      通道編碼:LDPC編碼

  4.      物理層HARQ處理,速率匹配

  5.      位元交織

  6.      調製:QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM

  7.      對映到分配的資源和天線埠

  PDSCH處理模型如下圖所示:

  PDSCH採用LDPC編碼,LDPC編碼時需要選擇相應的Graph:Graph 1或Graph 2。Graph的不同,簡單理解就是編碼時採用的矩陣不一樣。Graph的選擇規則如下(A為碼塊長度,R為位元速率):

  1.      如果 A<=292;或者 A<=3824  並且 R<=0.67 ;或者 R<=0.25,選擇Graph 2

  2.      其他情況選擇Graph 1.

2.3.2PDCCH

  使用者專用物理下行控制通道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)用於排程下行的PDSCH傳輸和上行的PUSCH傳輸。PDCCH上傳輸的資訊稱為DCI(Downlink Control Information),包含Format 0_0,Format 0_1,Format 1_0,Format 1_1,Format 2_0,Format 2_1,Format 2_2和Format 2_3共8中DCI格式。

  1.       Format0_0用於同一個小區內PUSCH排程

  2.       Format0_1用於同一個小區內PUSCH排程

  3.       Format1_0用於同一個小區內PDSCH排程

  4.       Format1_1用於同一個小區內PDSCH排程

  5.       Format2_0用於指示Slot格式

  6.       Format2_1用於指示UE那些它認為沒有資料的PRB(s) and OFDM符號(防止UE忽略)

  7.       Format2_2用於傳輸TPC(Transmission Power Control)指令給PUCCH和PUSCH

  8.       Format2_3用於傳輸給SRS訊號的TPC,同時可以攜帶SRS請求

  各種DCI格式之間的差異及使用場景之後再詳細討論。

  PDCCH通道採用Polar碼通道編碼方式,調製方式為QPSK。

2.3.3PSS/SSS/PBCH

  NR包含兩種同步訊號:主同步訊號(Primary Synchronization Signal,PSS)和輔同步訊號(Secondary Synchronization Signal, SSS)。PSS和SSS訊號各自佔用127個子載波。PBCH訊號橫跨3個OFDM符號和240個子載波,其中有一個OFDM符號中間127個子載波被SSS訊號佔用。

  NR系統中一共定義了1008個小區ID: 。即336個小區組ID,每個小區組由3個組內小區組成。

  PSS訊號產生時需要利用小區組內ID,產生公式如下圖所示:

  SSS訊號產生時需要小區組ID和小區組內ID,產生公式如下圖所示:

 

  PSS/SSS/PBCH在時頻資源格上的位置關係如下圖所示:

  PBCH通道編碼方式為Polar編碼,調製方式為QPSK。PBCH物理層處理模型如下圖所示:

2.4 物理層上行鏈路

2.4.1傳輸方案

  NR 上行包含兩種傳輸方案:基於碼本的傳輸和非碼本傳輸。

  基於碼本的傳輸:gNB在DCI攜帶一個預編碼矩陣指示PMI(Precoding Matrix Indicator)。UE使用PMI指示的矩陣對PUSCH進行預編碼。對於非碼本傳輸,UE根據DCI中的SRI確定對應的預編碼矩陣。

2.4.2PUSCH

  PUSCH的處理流程如下圖所示:

  傳輸塊新增CRC(TBS大於3824時新增24bit CRC;否則新增16bit CRC)

  1.       碼塊分段及各段CRC新增

  2.       通道編碼:LDPC編碼

  3.       位元級交織

  4.       調製方式:Pi/2 BPSK(僅當進行Transform Precoding時可採用), QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM

  5.       層對映,Transform Precoding(需上層配置確定是否進行),預編碼

  6.       對映到相應的資源和天線埠

 

  PUSCH處理模型如下圖所示:

    PUSCH採用LDPC編碼,LDPC編碼時需要選擇相應的Graph:Graph 1或Graph 2。Graph的不同,簡單理解就是編碼時採用的矩陣不一樣。Graph的選擇規則如下(A為碼塊長度,R為位元速率):

  1.      如果 A<=292;或者 A<=3824  並且 R<=0.67 ;或者 R<=0.25,選擇Graph 2

  2.    其他情況選擇Graph 1.

 

2.4.3PUCCH

  PUCCH攜帶上行控制資訊(Uplink Control Link,UCI)從UE傳送給gNB。根據PUCCH的持續時間和UCI的大小,一共有5種格式的PUCCH格式:

  1.       格式1:1-2個OFDM,攜帶最多2bit資訊,複用在同一個PRB上

  2.       格式2:1-2個OFDM,攜帶超過3bit資訊,複用在同一個PRB上

  3.       格式3:4-14個OFDM,攜帶最多2bit資訊,複用在同一個PRB上

  4.       格式4:4-14個OFDM,攜帶中等大小資訊,可能複用在同一個PRB上

  5.       格式5:4-14個OFDM,攜帶大量資訊,無法複用在同一個PRB上

  不同格式的PUCCH攜帶不同的資訊,對應的底層處理也有所差異,此處不展開介紹。

 

  UCI攜帶的資訊如下:

  1.      CSI(Channel State Information)

  2.      ACK/NACK

  3.      排程請求(Scheduling Request)

 

  PUCCH大部分情況下都採用QPSK調製方式,當PUCCH佔用4-14個OFDM且只包含1bit資訊時,採用BPSK調製方式。PUCCH的編碼方式也比較豐富,當只攜帶1bit資訊時,採用Repetition code(重複碼);當攜帶2bit資訊時,採用Simplex code;當攜帶資訊為3-11bit時,採用Reed Muller code;當攜帶資訊大於11bit時,採用的便是著名的Polar編碼方式。

 

2.4.4隨機接入

  NR支援兩種長度的隨機接入(Random Access )字首。長字首長度為839,可以運用在1.25KHz和5KHz子載波間隔上;短字首長度為139,可以運用在15KHz,30KHz,60KHz和120KHz子載波間隔上。長字首支援基於競爭的隨機接入和非競爭的隨機接入;而短字首只能在非競爭隨機接入中使用。

 

2.5 傳輸通道

  傳輸通道描述“資訊該怎麼傳輸”這個特性,下面我們會提到邏輯通道描述的則是“傳輸的是什麼資訊”。每個傳輸通道規定了資訊的傳輸特性。

 

下行傳輸通道包括:

  1. 廣播通道(Broadcast Channel, BCH)

   固定的,預先定義好的傳輸格式

   在整個小區中廣播

  2.  下行共享通道(Downlink Shared Channel,DL-SCH)

   支援HARQ

   支援鏈路動態自適應,包括調整編碼、調製方式和功率等

   支援在整個小區中廣播

   可以使用波束賦形

   UE支援非連續性接收(為了節能)

  3. 尋呼通道(Paging Channel)

   UE支援非連續性接收(為了節能)

   需要在整個小區中廣播

   對映到物理資源上(可能會動態地被其他業務和控制通道佔用)

 

上行傳輸通道包括:

  1.  上行共享通道(Uplink Shared Channel,UL-SCH)

   可以使用波束賦形

   支援鏈路動態自適應,包括調整編碼、調製方式和功率等

   支援HARQ

   支援動態和半動態資源分配

  2.  隨機接入通道(Random Access Channel,RACH)

   僅限傳輸控制資訊

   有碰撞的風險