5G基本框架

gNB：向UE提供NR用户面和控制面协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC

ng-eNB： 向UE提供E-UTRA用户面和控制面协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC

红色虚线中为核心网，UPF是用户面，除此之外都是控制面。
5G将控制面和用户面进行分离。


5G RAN架构考虑采用中央单元(CU)和分布单元(DU)独立部署的方式，以更好地满足各场景和应用的需求。
CU和DU的切分是根据不同协议层实时性的要求来进行的。在这样的原则下，把原先BBU中的物理底层下沉到AAU中处理，对实时性要求高的物理高层，MAC，RLC层放在DU中处理，而把对实时性要求不高的PDCP和RRC层放到CU中处理。

5G物理层规范

无线帧结构

请移步这里详细学习

slot概念在5G上的强化

在4G LTE中也有slot的概念，一个subframe (1ms)中 2个slot,每个slot 0.5ms,但是slot这个概念在LTE中体现的不强。这个slot的除非支持Slot base的跳频，基本上没啥用，整个LTE系统是工作在sub frame的时序上的。调度器和L1都是以subframe为周期运行。4G在这方面很是死板，5G则大大不同，5G要面对的不是简单的一个高速接入网，而是不同的应用场景。那么体现不同应用场景具体就落实在slot这个概念上了。不同的slot格式带来不同使用场景的变化。调度器和L1都是工作在以slot为周期的节奏上了。

基本物理资源

关于5G的物理资源，也是分为两个维度来考究的，即在时域上传输数据，同时在频域上传输数据，时频就像一个二维网格一般，填充着各种数据，如下图所示。

子载波：LTE采用的是OFDM技术，不同于WCDMA采用的扩频技术，每个symbol占用的带宽都是3.84M，通过扩频增益来对抗干扰。OFDM则是每个Symbol都对应一个正交的子载波，通过载波间的正交性来对抗干扰。协议规定，通常情况下子载波间隔15khz，Normal CP(Cyclic Prefix)情况下，每个子载波一个slot有7个symbol；Extend CP情况下，每个子载波一个slot有6个symbol。下图给出的是常规CP情况下的时频结构，从竖的的来看，每一个方格对应就是频率上一个子载波。（太复杂看不懂，没关系）

**RB(Resource Block)**：频率上连续12个子载波，时域上一个slot，称为1个RB。如下图左侧橙色框内就是一个RB。根据一个子载波带宽是15k可以得出1个RB的带宽为180kHz。

**RE(Resource Element)**：频率上一个子载波及时域上一个symbol，称为一个RE，如下图右下角橙色小方框所示，这也是物理资源上最小最基本的单位。

**REG(Resource Element Group)**：频率上12个子载波及时域上一个symbol，称为一个REG，控制信道基本组成单位。

PRB（Physical RB）：指BWP内的物理资源块。频域上12个子载波。

RBG（Resource Block Group）：物理资源块的集合。频域上其大小和BWP内RB数有关。

CCE（Control Channel Element）：频域上1个CCE = 6REG = 6PRB，控制信道资源分配基本调度单位。
支持CCE聚合等级：1,2,4,8,16。也就是说用于PDCCH的资源数是可选的，对于远点的用户来说，CCE个数多对应资源就多，数据传输的速率就低，解调性能会更好。

时隙结构

思考（频域）

• NR指定了两大频段范围FR1和FR2，FR1（450MHz-6GHz），FR2（24.25GHz-52.6GHz），也就是说5G的FR1的信道/单载波带宽高达100MHz，FR2的单载波带宽高达400MHz。那么以FR1为例，一共是273个PRB，每个PRB有12个子载波，而我们在5G中傅里叶变化的取样点为4096（在4G LTE中20Mhz为2048），但是273*12为3276，为什么会这样呢？
• 的确，我们发射出去的信号在频域上，分布在3276(273*12)个子载波上，而（4096-3276）也就是820个子载波上是没有信号的，其在能量频率上的分布是中间有信号，两边为空，各410个子载波。
• 这是因为数字接收发射机，需要经过带通滤波器的，两侧有残留带宽，两侧的410个采样点恰恰就是残留带宽中的内容，3276/4096为80%，就是5G中对带通有10%的残留带宽要求。

思考（时域）

• 在时域上，5G的码片速率是122.88M/sec，也就是说一秒钟发射出去122.88M个脉冲，也就是1毫秒内有
  122880个脉冲被发射出去(注意这个脉冲是一个模拟信号)。

• 一个slot内，则有61440个脉冲发射出去。（slot=0.5ms）

• 在一个symbol内，FFT是4096，所以产生4096个脉冲信号。

• 一个slot中，一共有14个symbol，就是4096*14是57344，而这并不等于一个slot的61440。

• 这是因为，61440-57344=4096，这4096个脉冲其实就是这个slot里14symbol的CP（循环前缀）的脉冲数量，每个symbol都配有CP，4096/14=292.5，也就是说，每个symbol中最后的292.5脉冲放到前面去了。*CP后面我也会讲到。*在5G中，每个symbol的CP长度是不一致的。

信道映射关系

参考信号

5G NR定义了几种reference signal（参考信号）。

上行链路reference signal有4种，分别为：

1，Demodulation reference signal for PUSCH

2，Phase-tracking reference signals for PUSCH

3，Demodulation reference signal for PUCCH

4，Sounding reference signal

下行链路reference signal有5种，分别为：

1，Demodulation reference signals for PDSCH

2，Phase-tracking reference signals for PDSCH

3，Demodulation reference signals for PDCCH

4，Demodulation reference signals for PBCH

5，CSI reference signals

探测参考信号（SRS）

SRS是给UE分配一个周期性的时域资源，一般是全频带的，周期从5ms到160ms不等。UE上报一个基站已知的序列，基站对这个序列的分析可以知道：

• UE在各个UL PRB上的SINR，或者相应的频率有效性。提供给上行调度器（类似于下行的CQI）
• 测量UE的TA（时间提前量）
• 获得UE的WB SINR
• 测量UE的速度

SRS的pattern配置

1）天线端口数：NR SRS可以配置【1,2,4】个天线端口；LTE SRS一般配置1个天线端口；
2）OFDM符号数：NR SRS可以配置【1,2,4】个OFDM符号；LTE SRS一般配置1个OFDM符号；
3）时域位置：NR SRS可以位于一个slot中的最后6个符号中的连续【1,2,4】个连续符号；LTE SRS一般位于一个slot中的最后一个符号上；
4）频域位置：NR SRS的频域位置与BWP有关；LTE SRS一般是全频域覆盖；

CSI-RS（Channel State Information - Reference Signal）

CSI-RS是5G NR系统中非常重要的一种参考信号，名字非常直白，就是用作信道状态信息参考的。

• 在LTE中，下行信道情况是完全通过手机对小区参考信号(Cell Reference Signal，CRS)的测量得到的。
  CRS均匀地洒在LTE整个载波带宽中，不管有没有业务都要占用资源持续发射信号，就像是高速路中间没有井盖的井一样，所有车辆必须要绕着走，造成了严重的资源浪费和拥堵，还对邻区产生了持续的干扰。
  
  这些重要的资源被用来传输价值较低的CRS，随着端口数增加，影响也越大，在LTE的R10版本中，就定义了CSI-RS信号。
  CSI-RS可以测量哪些数据?一般包括三项：信道质量指示(CQI：Channel Quality Indicator)，秩指示(RI：Rank Indicator)和预编码指示(PMI：Precoder Matrix Indicator)。这三项合起来称为信道状态信息(CSI：Channel State Information)，也就是CSI-RS存在的意义。
  
  和CRS不同，CSI-RS只在给手机分配的带宽上有效，而不必在整个带宽上持续发送，因此即使支持8端口传输，也不会引起系统开销的大幅增加。网络会通过信令通知手机CSI-RS相关信息，如果没有通知，则手机就认为CSI-RS不存在。
  请移步这里详细查阅

DMRS(解调参考信号)

对每一个Symbol，每一个子载波上，接收到的信号为 R=H*S+n;
其中R为收到的信号；S为发射的信号；H为信道相应的函数；n为噪声。

那么DMRS的作用就是，为了估计出H是什么，其原理为：n暂时忽略，已知信号是R，未知信号是S，为了得到H，我们可以下发一组已知信号，也就是DMRS，根据所对应的R，解出H来，然后把H当作其他位置上的H，从而用户就可以把PUSCH 数据解出。

在上面信道映射的图中，可以看到，DMRS在除了PRACH中不需要此参考信号，其他都有配置。

PT-RS（相位参考信号）

PT-RS并不是必须的，一般用于子载波间隔比较大的5G，子载波间隔比较小的可用可不用，其作用在于纠正信号的相位差，并且弥补时间上的差距。（由于在5G子载波间隔比较大时，TTI的长度比较小，时间上的偏差更容易造成信号的损失，所以PT-RS的信号是沿着Smybol在时间上展开的）

从5G来看，原理上来说，每一个symbol的时间差是固定的，利用时域上每一个信号的相位差也能算出时间偏差。（PT-RS信号是要避开DMRS的位置）

物理层信道与信号

物理层过程

RACH代表随机接入信道(Random Access Channel)。这是当你的手机开机后，eNodeB从UE收到的第一条消息。从eNodeB的角度看，它从UE接收到的初始接入信号是随机的（在随机的时间和随机的频率上，UE使用随机的识别码）。因为eNodeB不知道当用户什么时间打开手机。（当然实际上并不是完全随机的，协议规定了UE可以发送RACH的时间和频率）。

随机接入过程简述

在小区搜索过程之后，UE已经与小区取得了下行同步，因此UE能够接收下行数据。但UE只有与小区取得上行同步，才能进行上行传输。UE通过随机接入过程（Random Access Procedure）与小区建立连接并取得上行同步。
可以知道，RAR的目的是：（1）实现UE和基站之间的上行链路同步；（2）为UE分配一个唯一的标识C-RNTI；（3）获得发送msg3的上行资源。

几个术语介绍以下：

• preamble，即随机接入前导码，用于随机接入时识别UE身份。
• RA-RNTI，用于随机接入响应（RAR）
• RAR，UE发送了preamble之后，将在RAR时间窗(RA Response window)内监听PDCCH，以接收对应RA-RNTI的RAR(此时不考虑可能出现的测量gap)。如果在RAR时间窗内没有接收到gNB回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

其实RACH随机接入的作用是完成接入网络时的上行同步当且仅当上行定时完成，UE取得上行同步之后，UE才会被eNB调度上行时频资源并进行上行数据的传输的。所以，当UE未取得或已丢失与基站的上行同步时，就一定会牵扯到随机接入过程了。因为RACH的重要作用便是用于取得上行时间同步。而反过来说，一旦UE获得上行同步，UE就可以占用PUCCH等信道申请资源（SR/BSR），进而eNB也就可以调度上行的正交的SC-FDMA传输资源给UE，UE才可能传输数据。
流程步骤如下：
Msg1 : Random Access Preamble (RA)—发送随机接入码，UE在合适的PRACH上向gNB发送Preamble
Msg2 : Random Access Response (RAR)—接收发送随机接入响应，包含TC-RNTI、UL timing和对Msg3的调度等信息
Msg3 : RRC Connection Request—发送RRC连接请求整理，Msg3/4是用于竞争冲突解决（多个UE恰巧在同一PRACH时频资源上采用了同一个preamble做RACH）
Msg4 : Contention Resolution—接收竞争结果整理

关于RAR，我还会在后续博客中详解。

下行共享信道传输

PDSCH主要用于传输来自DL-SCH和PCH的数据，更确切的说，RAR/Paging/SIB/RRC消息（不包括MIB）和用户数据等最终会在PDSCH上传输。PDSCH是在下行子帧的数据区域上传输的。为了发送PDSCH，UE会先解码PDCCH，其携带的DCI指定了在空口上如何传输PDSCH，包括PDSCH所占的资源，MCS，初传或重传相关信息，层以及预编码等信息。

上行共享信道传输

PUSCH主要用于传输来自UL-SCH的数据，更确切的说，RRC消息和用户数据等最终会在PUSCH上传输。与PDSCH一样，UE也会先解码PDCCH，其携带的DCI指定了在空口上如何传输PUSCH，包括PUSCH所占的资源，MCS，初传或重传相关信息，层以及预编码等信息。

PDSCH和PUSCH的资源分配

参考这篇文章

时域

在LTE协议中，DCI的位置和对应的PDSCH/PUSCH是相对固定的。比如，对下行来说，DCI和PDSCH肯定是在同一个subframe上；而对大部分上行来说，PUSCH出现在对应的DCI后第4个subframe上。

在5G体统中为了体现更加灵活的资源分配，在时域上PUSCH/PDSCH与DCI的位置不在固定，他们的相对位置与K0域指示，K0=0表示PDSCH与PDCCH在同一个slot上，K0=1表示PDSCH在PDCCH后面一个slot上，依次类推。

细心的你可以注意到，在NR中，不仅与DCI的相对位置不再固定，PDSCH/PUSCH的起始符号（S）和长度(L)也不再固定，这些都是由DCI中的域动态指示，由SLIV（符号长度联合编码）所指挥，下表可以看到：

这个表为两种模式：type A和Type B的区别就是两种方式对应的S和L候选值不一样

• Type A主要面向slot-based业务，S比较靠前，L比较长。
• Type B主要面向URLLC业务，对时延要求较高，所以S的位置比较随意以便传输随时到达的URLLC业务，L较短，可降低传输时延。

频域

type0资源分配方式

具体多少个RB合起来叫做一个RBG跟RRC配置（Configuration 1和Configuration 2）和BWP大小（Bandwidth Part Size）有关。

把每个RBG用1bit表示，1代表已分配，0则代表没有分配，若BWP带宽为14RB，RRC配置RBG(configuration 1)可知是2，即一个RBG中有两个RB，则频域资源分配可用0101010表示，如下图所示。

type1资源分配方式

Type1频域资源方式通过将资源的起始位置（S）和长度（L）联合编码，组成一个RIV值。一组（S，L）和一个RIV值一一对应，如下图所示，假设根据RIV值得到S=2，L=7，则对应的起始RB为2号RB（第三个RB），之后连续占用7个RB。

总结