5GNR协议栈与物理层技术解析

### 5G NR协议栈与物理层技术解析 #### 1. NR协议栈概述 NR协议栈中有几个关键的信息块，它们在系统运行中起着重要作用： - **主信息块（MIB）**：也称为最小系统信息（MSI），提供关于小区的信息以及如何获取SIB1的方法。 - **SIB1**：也叫剩余最小系统信息（RMSI），包含UE决定是否可以驻留并发起接入小区所需的信息，同时还包含如何获取其余SIB的信息。 - **其他SIB（SIB2 - SIB9）**：包含特定功能的信息，如小区重选功能、公共预警等。 系统信息更新过程与LTE类似，会向UE提供系统信息变更的指示，从而触发系统信息获取过程。与LTE的主要区别在于，系统信息变更指示和公共预警系统消息直接在PDCCH中提供，称为短消息（在3GPP TS 38.331中规定），而不是通过RRC寻呼消息。 在NR中，网络可能决定不连续广播其他SIB（即SIB2 - SIB9），这就是按需系统信息的概念。当处于IDLE状态的UE需要那些未广播的SIB时，它可以使用RRC系统信息请求消息向网络请求其感兴趣的SIB，这可以触发该SIB在小区中的广播。 网络广播的另一类信息是UE寻呼，用于通知处于IDLE或INACTIVE状态的UE有下行数据待接收，并请求UE发起RRC连接。寻呼消息在UE监控的特定寻呼时机发送，包含UE标识。寻呼可以由核心网络针对处于IDLE状态的UE触发，也可以由RAN针对处于INACTIVE状态的UE触发。 切片是5GS支持的新功能，允许在不同切片之间划分RAN和核心网络资源。一个切片可用于提供特定服务或属于一个管理域。在连接建立期间，UE指示其想要连接的切片，网络据此选择支持该请求切片的合适核心网络节点。此外，大部分切片功能是gNB实现内部的，gNB调度器应确保切片的数据仅使用其分配的分区，且切片不超过其分配的资源。 NR在协议方面借鉴了LTE的大部分内容，并进行了一些增强以支持新的5G服务和功能。例如，引入了新的协议层SDAP以支持5G QoS概念；PDCP、RLC和MAC协议层得到了增强（与LTE相比），以更有效地支持更低的延迟和更高的吞吐量；NR MAC还支持波束失败恢复过程；NR RRC支持新的INACTIVE状态，以便快速高效地过渡到CONNECTED状态。 #### 2. NR物理层介绍 NR物理层在很大程度上是为了满足IMT - 2020对5G系统的要求而设计的。与LTE蜂窝系统相比，NR在物理层提供了全新的技术组件，具体的关键物理层增强如下： - **新服务**：除了LTE系统所针对的传统增强移动宽带（eMBB）用例外，NR无线接入技术支持新的服务，包括工业物联网（IIoT）、超可靠低延迟通信（URLLC）和蜂窝车联网（V2X）。 - **可扩展参数集**：与LTE不同，NR无线接入技术支持多种部署场景（从宏小区到室内热点）、不同的带宽大小（从几MHz到几GHz）和载波频率（从亚GHz到毫米波频段）。为了使NR系统在如此多样的场景中高效运行，支持具有可变子载波间隔和循环前缀持续时间的可扩展参数集。NR系统的参数集可以根据实际部署场景（如小区半径、移动性等）进行选择，以优化系统性能，同时解决一些实际的损伤，例如毫米波频段更有害的射频损伤（如相位噪声）。 - **低延迟和高可靠性**：与LTE不同，NR在物理层支持低延迟（亚毫秒级延迟）和高可靠性（错误率低于10 - 5）的传输。为了便于接收器进行低延迟处理，NR系统的物理信道进行了相应设计。除了LTE - A支持的传统子帧级调度（类型A映射）外，NR系统还允许基于特殊“迷你时隙”的传输（类型B映射），在时间上具有更灵活的调度。为了便于接收器“早期”解码，基于迷你时隙的传输还支持控制信道和解调参考信号（DM - RS）的特殊前置位置。 - **波形**：与仅在上行链路支持离散傅里叶变换扩展正交频分复用（DFT - s - OFDM）波形的LTE - A不同，NR系统同时采用DFT - s - OFDM和OFDM波形。NR上行链路使用OFDM波形可提供更好的频谱效率，而DFT - s - OFDM波形则解决了覆盖受限场景中上行链路的功率效率问题。 - **更宽的带宽**：NR系统的最大带宽超过了LTE - A支持的最大带宽。具体来说，Release - 15中的NR系统支持最大400 MHz的带宽，以便在毫米波频段高效运行。预计在未来版本中，NR的最大带宽将进一步增加，例如以适应载波频率高于52.6 GHz的NR操作。 - **大规模多输入多输出（MIMO）**：NR支持的毫米波频率提供了比LTE - A在6 GHz以下频段使用的现有频谱更多的频谱。然而，在毫米波频率下，传输信号会受到严重衰减。为了补偿遇到的传播损耗，NR系统支持在gNB和UE端进行波束赋形的多天线传输技术。为了支持gNB和UE端的高效波束赋形，引入了波束管理程序。波束管理方案的目的是通过在链路两端使用高维天线阵列建立高度定向的通信链路。 - **动态时分双工（TDD）**：在TDD系统中，时间资源可以根据业务条件进行优化分配用于下行和上行。在LTE - A系统中，时间资源适配在包含14个OFDM符号的子帧级别进行。在NR中，下行和上行适配可以以一个OFDM符号的更精细粒度进行，这进一步提高了TDD系统性能。 - **前向兼容性支持**：与LTE类似，NR系统的未来版本将支持向后兼容性。然而，与LTE不同的是，NR系统也为未来的技术演进做好了准备。具体来说，通过使用称为特殊“空白资源”（速率匹配资源）的功能，可以实现NR系统向不同版本UE的传输共存。空白资源可以在时间和频率上为不支持最新NR版本新功能的前一5G NR版本的UE灵活配置，从而避免向不同版本UE的传输之间的重叠。 - **功率效率**：为了降低功耗，NR系统避免“始终开启”的传输，例如LTE中使用的小区特定参考信号（CRS）。相反，NR中物理信道的解调主要依赖于用户特定的DM - RS。此外，为了提高UE的功耗效率，可以通过配置称为带宽部分（BWP）的新NR功能来调整UE使用的物理信道的带宽。BWP允许为UE分配较小的带宽以降低其功耗，或分配较宽的带宽以支持非常高的数据速率。 - **新的信道编码**：NR支持基于低密度奇偶校验（LDPC）和极化编码的新型信道编码，分别用于数据和控制信道。LDPC（与LTE - A中使用的卷积Turbo编码相比）的主要优点是在极低错误底限下