5G空口上行和下行信道

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今天，我将为大家讲解5G空口下行信道。5G空口下行物理信道主要包括三种：物理广播信道（PBCH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理下行共享信道（PDSCH）。接下来，我们逐一介绍这三种物理信道的特点和功能。

首先，我们来看物理广播信道（PBCH）。在5G系统中，PBCH与主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）一起发送，这些信号合在一起被称为同步信号块（SSB）。整个SSB在时域上占用4个符号，在频域上占用240个子载波，即20个RB。PBCH的具体位置包括符号1、符号3和符号2中的部分资源元素（RE）。PBCH主要携带系统消息，包括系统帧号和初始带宽部分（BWP）的位置信息。当用户终端接收到PBCH后，可以获得当前使用的帧号以及BWP的位置信息。每个SSB块都是独立的，可以单独解码。解析出一个SSB后，用户终端可以得知当前小区的PCI（通过PSS和SSS获取）、系统根号、波束ID以及初始BWP的位置。
不同频段支持的SSB块数量不同。对于Sub-3 GHz（0到3 GHz），最多可以配置4个SSB块。对于2.4 GHz到6 GHz的频段，可以配置最多8个SSB块；而在Sub-6 GHz（C波段），最多可以配置8个SSB块。毫米波（6 GHz以上）则可以配置最多64个SSB块。SSB以周期性方式发送，周期为80毫秒，但在每个80毫秒周期内，SSB会重复发送4次，每次发送持续5毫秒。发送过程中，SSB会以不同的方向（根据波束数）进行扫描，比如在8个波束的情况下，会朝8个不同的方向进行窄波束扫描。
接下来，我们介绍物理下行控制信道（PDCCH）。PDCCH主要用于发送控制消息，这些消息包括上下行调度信息、时隙格式指示和功率控制相关消息。PDCCH在时域上可以占用1、2或3个符号，每个下行时隙最多占用3个符号。PDCCH中的解调参考信号（DMRS）在频域上固定占用1号、5号和9号子载波。PDCCH的资源是以CCE（控制信道元素）为单位进行划分的。根据PDCCH承载的消息类型不同，CCE的聚合等级也有所不同，可以是1、2、4、8或最多16个CCE。PDCCH携带的控制信息称为下行控制信息（DCI），它有8种不同的格式。格式0用于PUSCH的调度信息，格式1用于PDSCH的调度信息。格式2用于指示SFI、符号和用户的映射等。
最后，我们介绍物理下行共享信道（PDSCH）。PDSCH的调度信息通过PDCCH的DCI传送给用户。接收到PDCCH后，用户通过DCI的值可以获取PDSCH的位置信息，并接收PDSCH携带的内容，包括控制消息、用户数据、除MIB外的其他系统消息和寻呼消息等。在使用PDSCH时，最多可以支持8层（在双码字情况下），单码字时最大支持4层。PDSCH的时频位置取决于不同的映射类型。对于Type A映射，PDSCH的起始符号数可以是0、1、2或3，长度从3到14个符号不等。Type B映射的起始符号数可以是0到12，长度为2、4或7个符号，主要用于超低时延或自包含时隙类型。
PDSCH的数据传输过程包括加扰、调制、层映射、资源映射和OFDM信号生成。加扰是对不同用户的数据进行扰码处理；调制涉及选择调制方式，如16QAM、64QAM或256QAM；层映射将码字分配到多个传输层；资源映射指定数据的时频位置；最后，通过OFDM信号生成将数据发送出去。
总结一下，我们学习PBCH、PDCCH和PDSCH时，主要关注它们的时频位置和所携带的消息类型。PBCH用于携带MIB消息；PDCCH用于传递上下行控制消息；PDSCH则承载用户数据，并支持高阶调制（最大256QAM）。而PBCH和PDCCH的调制方式固定为QPSK。

下面我们继续讲解5G空口上行信道。5G空口上行信道主要包括三种物理信道：物理随机接入信道（PRACH）、物理上行控制信道（PUCCH）以及物理上行共享信道（PUSCH）。要有效掌握这些信道，我们需要了解它们的时频位置和所携带的消息类型，这与下行信道的处理方法类似。

首先，让我们来看第一个物理信道——PRACH信道。在介绍物理下行信道时，我们了解到用户终端通过接收SSB、PSS和SSS实现下行同步。然而，用户终端还需要实现上行同步，这个过程就是通过PRACH信道完成的。PRACH信道的工作过程如下：用户终端通过PRACH信道发送一个前导码给基站。基站根据PRACH信道的时频位置和接收到的前导序列的时间点，计算出一个时间提前量（TA），从而实现上行同步。PRACH信道由两个部分组成：循环前缀（CP）和前导序列。根据前导序列的长度，PRACH信道可以分为长序列和短序列。长序列有四种格式，其中格式0的序列长度为839，保持与LTE一致。格式0的时域总长为1毫秒，支持的最大小区半径为14.5公里。随着时域总长的增加，最大小区半径也会增大。因此，根据覆盖场景，我们可以选择不同格式的PRACH信道，格式0是最常用的。
短格式序列是5G中新增加的，它与长格式序列不同，子载波间隔是灵活的，可以设置为15×2^μ kHz，其中μ的取值范围为0、1、2、3。短格式序列的选择同样需要考虑时域总长、序列长度以及CP长度，以支持不同的最大小区半径。
接下来，我们讨论物理上行控制信道PUCCH。PUCCH的主要作用是传递上行控制消息，以支持下行数据的传送。具体来说，用户终端需要通过PUCCH申请上行资源调度，以便发送下行数据。PUCCH承载的消息被称为上行控制信息（UCI），与下行的DCI信息不同。UCI的信息量较少，且UCI可以在PUCCH和PUSCH中传送。由于PUCCH和PUSCH在同一时间内不能共存，因此在没有PUCCH的情况下，UCI只能通过PUSCH传送。PUCCH的另一个特点是引入了短格式PUCCH，用于超低时延场景。短格式PUCCH占用1到2个符号，而长格式PUCCH占用4到14个符号。PUCCH有5种格式，其中格式0和格式1用于传输少于两个比特的数据，主要用于上行探测信号和HARQ反馈，而格式2和格式4用于CSI上报，包括信道质量指示、预编码指示、秩指示等。
PUCCH的具体时频位置由RRC层配置，用户终端通过RRC消息获得PUCCH的频域位置、起始符号数以及符号数量。PUCCH还有跳频和码分复用的特性。跳频指的是PUCCH的频域位置通常位于频谱资源的两端，以获得频率分集效果。PUCCH复用允许同一个小区的多个用户共享一个PUCCH，这主要通过循环移位实现，从而提高资源利用率并节省开销。然而，格式2和格式3不支持复用。
最后，我们介绍物理上行共享信道（PUSCH）。在介绍PUSCH之前，我们需要了解上行波束自适应的概念。5G上行信道结合了正交频分多址（OFDMA）和单载波正交频分多址（SC-FDMA）。当用户处于小区中心时，使用OFDMA技术；而当用户远离基站，信号质量较差时，使用SC-FDMA技术。PUSCH承载上行数据或信令，支持低阶调制和高阶调制，与下行信道处理过程类似，包括加扰、层映射、预编码和资源映射。
总结一下，本节课介绍了5G上行物理信道的三种主要类型：PRACH、PUCCH和PUSCH。我们需要了解它们的时频位置和承载的消息类型，以便于有效地应用这些信道。