[4G&5G专题-29]：物理层-内部架构、功能协议与主要接口概述

绝代码农

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第1章  LTE&NR物理层概述
1.1 5G NR物理层概述
1.2 LTE&NR物理层在空口协议栈中的位置
1.3  LTE&NR物理层4大类技术概览
第2章 物理层的两大子层和三大接口
2.1 两大子层
2.2 三大接口
第3章 物理层内部功能协议栈
第4章 不同信道的功能协议分层
4.1 4G LTE下行选项A
4.2 4G LTE下行选项B
4.3 5G NR下行选项A
4.4 5G NR下行选项B
4.5 4G LTE & 5G NR上行
第5章 物理层处理过程

第1章  LTE&NR物理层概述
1.1 5G 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。
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。
1.2 LTE&NR物理层在空口协议栈中的位置

5G和4G的空闲协议栈，从协议分层来看，除了数据面的SDAP协议，其他层协议与4G LTE是一致的，如上图所示：
（1）RF（Radio Frequency射频单元）：中频处理、混频。
（2）L1 PHY（Physical物理层）：物理层编解码、OFDM基带调制解调、傅里叶变换与反变换等。
（3）L2 MAC（介质访问控制层）：物理层帧调度、信道映射。
MAC涉及的信道结构包括3方面内容，逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。
（3）L2 RLC（Radio Link Control 无线链路层控制协议）：定义三种无线链路传输模式，透明模式（TM）、非确认模式（UM）、确认模式（AM）。
（4）L2 PDCP（Packet Data Convergence Protocol分组数据汇聚协议）：负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。
（5）L3 RRC（Radio Resource Control无线资源控制）：通过一定的策略和手段进行无线资源管理、控制和调度，在满足服务质量的要求下，尽可能地充分利用有限的无线网络资源，确保到达规划的覆盖区域，尽可能地提高业务容量和资源利用率。
（6）SDAP：Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议。
1.3  LTE&NR物理层4大类技术概览
物理层主要解决的是：如何通过一定带宽的“基带”无线电磁波信号，为多个不同的用户，发送一连串的经过调制、编码后的二进制比特数据。
这句话指出了物理层采用到的4类技术：

（1）无线资源：
一定带宽的“基带”无线电磁波信号，是指物理层可用的资源，通过这些资源，为用户传送数据。

在4G和5G中，无线资源在进一步细化为：

• 小区频率带宽资源：比如 4G LTE支持5M/10M/15M/20M，5G LTE可以支持更大的带宽，如50M/100M/200M/400M.
  
• 不对称、可变带宽BWP资源：这是5G新引入的技术，该技术可是使得终端信号带宽与基站的载波带宽不相同。
  
• 频率子载波资源：4G LTE是15K的子载波，5G的子载波可以是15K, 30K, 60K, 120K子载波。
  
• 时间资源：不同的用户，不同时分复用的方式，共享相同的子载波
  
• 时频资源：频率和时间资源合称为时频资源
  
• 功率资源：任何信号的发送和接收，都需要消耗能量，能量也是一个非常重要的资源，每个基站有最大的功率，每个UE会分得一部分功率。
  
• 空间资源：空间资源是MIMO的“层”，在LTE中，同一个RE的MIMO的所有“层”只能归属同一个用户，用于增加用户的带宽，在5G中，结合波束赋形，MIMO的层，可以分配给不同的用户，称为多用户MIMO
  
• 无线信道：把各种无线资源按照功能的方式组织起来，向MAC层提供服务。
  

这些无线资源按照一定的方式有机的结构化的组织起来的，称为物理层的帧结构。

需要注意：
这里的一个修饰词“基带”，是指物理层的无线电磁波信号，是零频附近的基带信号，而不是高频射频信号！
（2）多址技术
“为多个不同的用户”，意味着，无线资源是为不同用户共享的。
因此需要一定的技术，在发送时，把不同用户的数据复用到无线资源进行发送，接收是，再从无线资源上，把不同用户的数据解复用、分离开来，区分开来，这些技术，称为多址技术，多址技术包括：

• 频分双工FDD：通过同一时间的不同载波频率承载上行数据和下行数据，实现同时双向数据的传输。
  
• 时分双工TDD：通过不同时间的相同载波频率承载上行数据和下行数据，实现同时双向数据的传输。
  
• 频分多址FDMA：通通过同一时间的不同载波频率承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。
  
• 时分多址TDMA：通通过不同时间的相同载波频率承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。
  
• 正交频分多址OFDM：通通过同一时间的不同的、正交的、子载波承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。并通过快速傅里叶变换完成了OFDM频域到时域的转换。
  
• 码分多址CDMA：通通过同一时间的不同的码字承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源。在4G和5G中，主要体现在小区的加扰和解扰。
  
• 空分多址SDMA ：通通过同一时间的不同的空间波束承载不同用户的数据，实现多用户共享一个波段的无线资源，包括MIMO和波束赋形。
  

在5G的物理层，应用到上述所有的多址技术！！！
（3）调制技术：
“发送一连串的经过调制、编码后的二进制比特数据”，这句话的含义是，如何把二进制数，承载在基带的无线信号上。
常见的数字调制技术有：

• 频移键控FSK：通过基带信号的不同频率区分0和1
  
• 相移键控PSK, 如8PSK, 16PSK，通过基带信号的不同相位区分0和1
  
• 幅移键控ASK， 通过基带信号的不同幅度区分0和1
  
• 正交幅度调制QAM， 通过基带信号的幅度+相位区分0和1
  
• IQ调制，通过复指数信号的幅度+相位区分0和1
  

在4G和5G中，除了没有使用FSK调制技术，启动调试技术都得到了应用。
（4）编码技术
为了确保通过无线信道进行可靠的通信，需要一些额外的辅助编码技术。

• 降错技术：交织
  
• 检错技术：CRC，奇偶检验
  
• 纠错技术：
  
• 重传技术：物理层不支持重传，重传是MAC层完成的。
  

第2章 物理层的两大子层和三大接口

2.1 两大子层
在5G系统中，为了支持大规模天线阵列，把物理层进行了进一步的切分，分为了PHY_High和PHY_LOW。
（1）PHY_High：物理层非实时部分，PHY_High的功能驻留在DU网元中。
（2）PHY_Low：物理层实时部分, PHY_Low的功能下沉到RRU网元中，RRU的网元实体变成了AAU网元实体。 PHY_LOW的主要功能主要涉及到大规模天线矩阵相关的功能，包括xMIMO的映射、
2.2 三大接口
（1）nFAPI： 物理层PHY_High与MAC的接口, 并以物理信道的形式向MAC层提供服务。
（2）eCPRI接口：PHY_High与PHY_Low的前向接口。
（3）CPRI接口：物理层PHY_Low与RF的前向接口。

第3章 物理层内部功能协议栈

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nFAP接口：基于物理信道的服务
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PHY_HIGH

• （1）物理层编码与解码coding and decoding：负责防错，检错，纠错。
  
• （2）速率匹配Rate Matching：在5G NR中，3GPP采用的信道编码方案主要有两种，Polar和LDPC，其中控制信道和广播信道采用Polar编码，数据信道采用LDPC。速率匹配是根据信道编码后的不同码流长度做不同的处理，从而使得码流长度与实际传输能力相匹配，速率匹配的方案是与编码的方式强相关的。
  
• （3）加扰与解扰Scrambling and DeScrambling：在发送端用小区专用扰码序列进行加扰，接收端再进行解扰，只有本小区内的UE才能根据本小区的ID形成的小区专用扰码序列对接收到得本小区内的信息进行解扰。
  
• （4）MAC层数据调制解调Modulation and DeModulation：包括QAM调制，PSK调制等调制技术就发生在此处。
  
• （5）物理层信号产生与检测：物理层帧的定义、物理信道的定义、多址技术等多址技术，就发生在此出。
  
• （6）MIMO”层“映射Layer mapping：在MIMO的情形下，把调制后的用户数据分配到特定的MIMO层上，以支持更大的带宽。
  

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eCPRI接口：7-2选项
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PHY_LOW：

• （7）预编码矩阵，MIMO”层“到逻辑天线端口映射：对映射到MIMO各层的数据进行预编码，并完成对逻辑天线端口的映射，逻辑天线端口的数目可以大于等于MIMO的“层数”。
  
• （8）信道估计与信道均衡：MIMO技术采用多天线收发。由于天线之间的物理位置差异，收发双方通过多根天线之间的位置关系产生了多种不同的收发路径效果，如果这多种路径效果最终能很有效的结合起来互相弥补不足，则可以达到更好的传输质量。
  
• （9）RE时频资源映射RE mapping：把数据映射到一定带宽的载波的各个子载波的时频资源上。
  
• （10）数字波束赋形Digital Beamforming：通过控制各自子载波的相位权重，自控各个子载波的波束赋型。
  
• （11）快速傅里叶变换FFT与逆变换IFFT以及循环前缀处理：OFDM多址复用。
  
• （12）CPRI物理端口映射：把IQ AxC格式的时域OFDM符号，映射到不同的CPRI物理端口上。当BBU与RRU之间有多条CPRI连接的时候，这个映射就很重要。
  

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CPRI接口：AxC天线载波数据
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第4章 不同信道的功能协议分层
4.1 4G LTE下行选项A

4.2 4G LTE下行选项B

4.3 5G NR下行选项A

4.4 5G NR下行选项B

4.5 4G LTE & 5G NR上行

第5章 物理层处理过程

（1）信道编码与交织：计算机通信领域。
（2）调制解调： 二进制序列到复指数子载波序列的映射过程，这是从计算机领域到数字信号处理DSP领域的跨越! 从计算机通信领域向数字无线通信领域的跨越！
（3）多天线技术的层映射
（4）扩频预编码（仅仅用于上行，可选）：这是数字无线通信领域，在相同的频率资源，由单一空间向"码分"空间的跨越。
（5）多天线MIMO技术的预编码：这是数字无线通信领域中，在相同的频率资源，由单一空间向"分层"空间的跨越。
（6）无线资源映射RE mapping： 这是数字无线通信领域，这是由串行的时间域向并行的频率域的跨越。
（7）数字波束赋形：这是数字无线通信领域中，相同的频率资源，由全向空间向“波束局部”空间的跨越。
（8）OFDM变换（时域到频域的转换）：这是各个独立的频域子载波信号到时域信号的转换，这是无线通信领域中，从频域信号到时域信号的跨越！
（9）后续RF射频调制：这是在无线通信领域中，由数据无线通信向模拟无线通信的跨越！！！
参考：
https://developer.aliyun.com/article/727294