第2章

NR物理层概述

与任何无线技术一样，物理层是5G NR的核心基础。NR物理层必须支持很宽的频率范围（从低于1 GHz到高达100 GHz）及各种部署（微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝）场景。以人为中心和以机器为中心的用例并存，有些用例的需求很极端，甚至不同用例的需求之间相互矛盾。将来的新应用还可能出现新的需求。为了能够顺利地应对这些挑战，3GPP为NR设计了一个灵活的物理层。根据对无线电波传播以及网络和终端硬件非理想性的准确理解，对这些灵活组件可以进行适当的优化。而这正是挑战所在，因为目前对这些特性还了解得很少。NR是第一个在毫米波频率范围应用的移动无线接入技术（支持频率高达100 GHz），信道带宽期望达到GHz范围，并且使用大规模多天线技术。

2018年6月完成的3GPP NR Release 15是发布的第1个NR规范版本。未来所有的NR版本将与第1个版本向后兼容。这就是通常所说的NR向后兼容性，就是说将来开发的所有NR版本中的任何新功能会向后兼容NR的最初版本。为了让读者更容易理解NR的物理层，本章提供了NR物理层的概述（基于第1个NR版本），并且讨论了无线电波传播和硬件的损伤对实现NR物理层带来的相关挑战。下面几章主要介绍NR物理层的基本原理、模型和技术组件。如果读者对NR的详细规范感兴趣，我们强烈推荐阅读参考文献[6]。

本章的组织方式如下。2.1节简要描述NR空中接口（简称空口）的协议栈和物理层在其中的作用。由于本节比较简洁，如果读者对基于3GPP的蜂窝技术（比如，4G LTE[5]）不熟悉，恐怕理解起来相对有难度。本章其余几节只关注物理层部分。2.2节简要描述NR物理层关键技术—调制、波形、多天线和信道编码方案。这些技术组件在第5～8章会逐一详述。2.3节介绍NR物理时频资源结构。2.4～2.5节描述时频资源如何分配给不同类型的信号。2.6～2.7节解释NR灵活的双工机制方案以及灵活的传输结构（帧结构）。最后，2.9节简要总结无线电波传播和硬件损伤所带来的挑战。这些挑战引出了第3章和第4章的内容—针对无线电波传播和硬件损伤分别进行深入探讨。

2.1　无线协议架构

在3GPP术语中，基站是逻辑的无线接入网络节点的实现。例如，在3G UMTS和4G LTE中，网络节点分别是指Node B（NB）和演进的Node B（eNB）。5G NR无线接入网络节点被3GPP命名为下一代Node B（gNB）。有必要强调，gNB是指一个逻辑实体而非基站的物理实现。一个基于标准gNB协议的基站可以通过多种方式实现。这个概念同样适用于在3GPP规范中被称为UE的终端。

NR的无线协议架构可以分为控制平面架构和用户平面架构。用户平面递交用户数据，而控制平面主要负责连接建立、移动性和安全。图2-1表明了NR的用户平面协议栈。协议分为物理（PHYsical，PHY）层、媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层、无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层、分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层和服务数据调整协议（Service Data Adaptation Protocol，SDAP）层。现在我们来简要介绍一下这些层的主要功能。

图2-1　NR用户平面协议栈

SDAP层处理服务质量（QoS）流和无线承载之间的映射。根据无线承载的QoS要求将IP数据包映射到无线承载。

PDCP层主要负责IP头压缩/解压缩、重排序和重复检测、加密/解密和完整性保护。头压缩机制可以减少空口传输的比特数。加密功能主要是保护用户不被窃听以及确保消息的完整性。重排序和重复检测机制允许数据单元按序递交并删除重复的数据单元。

RLC层主要通过自动重传请求（Automatic Repeat Request，ARQ）机制进行纠错、（压缩了报头的）IP数据包的分段/重新分段，以及将数据单元按序递交到高层。

MAC层主要负责通过混合ARQ（Hybrid ARQ，HARQ）机制进行纠错以及上行和下行的调度。调度器控制用于传输的上行和下行物理时频资源的分配。当采用载波聚合时，MAC层也需要处理跨多个分量载波的数据复用。

PHY层处理编码/解码、调制/解调、多天线处理以及将信号映射到物理时频资源上。

控制平面主要负责针对连接建立、移动性和安全的控制信令。控制信令来自核心网或gNB的无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层。RRC层提供的主要服务包括系统信息广播、寻呼消息发送、安全管理（包括密钥管理）、切换、小区选择/重选、QoS管理以及无线链路失败的检测和恢复。与用户平面相同，RRC消息都是通过PDCP、RLC、MAC和PHY层进行发送。因此，从物理层的角度来看，控制平面和用户平面协议栈向高层提供的服务没有本质的技术差异。