鐘 旻

（續(xù)，接上期）

5.1.1 物理層

由圖8可知，物理 層與第2層的媒質(zhì)接入控制（MAC）子層和3層無線資源控制（RRC）接口，不同層/子層之間的橢圓環(huán)表示業(yè)（服）務(wù)接入點（SAP）。物理層為MAC層提供傳輸信道，而MAC層向上面的各子層提供邏輯信道。傳輸信道是信道怎樣通過無線接口傳送來表征的，即明確信息如何傳送這一特性。MAC層則提供不同的邏輯信道給2層的無線鏈路控制（RLC）子層。邏輯信道是用信道傳送的信息類型來表征的，分為用于傳送用戶信息數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)信道和用于傳輸控制和配置信息的控制信道。

圖8 物理層周圍的無線接口協(xié)議架構(gòu)

在3GPP制訂的協(xié)議中，出現(xiàn)了邏輯信道、傳輸信道和物理信道。簡言之，邏輯信道描述了信息的類型，即定義了傳輸?shù)氖鞘裁葱畔ⅲ粋鬏斝诺烂枋龅氖切畔⒌膫鬏敺绞?，即定義了信息是如何傳輸?shù)?；物理信道則由物理層用于具體信號的傳輸。按照ITU的定義，邏輯信道是指：用于一種由無線承載連接所支持的信息傳輸?shù)男畔⒘鳌＿壿嬓诺栏鶕?jù)它所攜帶信息類型定義，一般被分為控制信道（用于傳輸控制和配置信息）和傳輸信道（用于用戶數(shù)據(jù)的傳輸）。傳輸信道是通過無線接口傳輸信息的方式和特點。從邏輯信道到傳輸信道的映射，可以是一對一，或多對一。物理信道是指：由時、頻、碼定義并在指定期間建立的通信空間的通道，對于5G，在FDD模式中，物理信道是由編碼、頻率以及在上行鏈路中相關(guān)的相位（I/Q）定義的；在TDD模式中，物理鏈路是由編碼、頻率和時隙定義的。多個邏輯信道可以映射到一個物理信道上。一個邏輯信道也可以被映射或復制到多個物理信道上。

如上所述，物理層為較高層提供傳輸服務(wù)，接入這些服務(wù)是通過MAC子層，利用傳輸信道進行。物理層具有的功能：對傳輸信道進行差錯檢測，并指示給較高層；對傳輸信道進行前向糾錯（FEC）編/解碼；混合的ARQ軟組合（HARQ）；對物理信道的已編碼傳輸信道的速率匹配；將已編碼的傳輸信道映射到物理信道；物理信道的功率加權(quán)；物理信道的調(diào)制解調(diào)；頻率和時間同步；無線（射頻）特性測量并指示給較高層；多入多出（MIMO）天線處理；射頻（RF）處理。為達上述功能，物理層需解決：

（1）提供基于利用循環(huán)前綴（CP）的正交頻分多路（OFDM）的多址接入方式。對于上行鏈路，也支持具有CP的離散傅立葉變換-擴展-OFDM。這里采用帶寬不固定的資源塊，來適應(yīng)各種頻譜配置，即引入所謂的“參數(shù)集”（numerology）。一個資源塊具有12個子載波間隔的長度，在NR中，OFDM所支持的參數(shù)集如表2所示。

表2 OFDM的支持的參數(shù)集（*）

3GPP規(guī)定，5G NR無線幀周期為10 ms，由10個子幀組成，一個子幀由一個或多個相鄰的時隙構(gòu)成，每個時隙有14個相鄰的符號。

（2）物理信道和調(diào)制。下行鏈路的物理信道包括共享信道（PDSCH）、控制信道（PDCCH）和廣播信道（PBCH）。其調(diào)制方式有QPSK， 16QAM和256QAM。

上行鏈路的物理信道有隨機接入信道（PRACH）、共享信道（PUSCH）和控制信道（PUCCH）。其調(diào)制方式有：QPSK， 16QAM， 64QAM， 256QAM用于具有CP的OFDM；以及π/2-BPSK， QPSK， 16QAM，256QAM用于具有CP的離散傅立葉變換-時間擴展-正交頻分復用（DFT-s-OFDM）。

（3）信道編碼。用于傳輸碼組（字塊）的信道編碼方式，是有兩個基圖的準循環(huán)LDPC碼，每一基圖有8組奇偶校驗矩陣。一個基圖用于碼組大于一定尺寸，或初始傳輸碼速率高于門限時，此外則用另一基圖。在LDPC編碼前，對于大的傳輸塊，將其分成大小相同的多個碼組。對于物理廣播信道（PBCH）和控制信息的信道編碼方式，則是基于嵌入序列的極化碼、穿孔、截短和重復用于速率匹配。

5.1.2 第二層（L2）

如上所述，NR的第二層分為以下的子層：媒質(zhì)（媒介）接入控制（MAC）、無線鏈路控制（RLC）、分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議（PDCP）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（SDAP）。對于上、下行鏈路，第二層可用圖9來描述。

圖9 （a） 下行鏈路第二層（L2）的結(jié)構(gòu)

圖9 （b） 上行鏈路第二層（L2）的結(jié)構(gòu)

由圖9可見：物理 層為MAC子層提供傳輸信道；MAC子層為RLC子層提供邏輯信道；RLC子層為PDCP子層提供RLC信道；PDCP子層為SDAP子層提供無線承載；SDAP子層為5GC提供QoS流。

5.1.2.1 MAC子層

（1）業(yè)務(wù)與功能包括：

⊙ 邏輯信道與傳輸信道之間的映射；

⊙ MAC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元的復用與分用可屬于一條或是不同的邏輯信道，

⊙ 編排（調(diào)度）信息報告；

⊙ 通過混合自動請求重發(fā)（HARQ）進行差錯校正（在小區(qū)配置中，每一小區(qū)有一HARQ實體）；

⊙ 通過動態(tài)調(diào)度方法對用戶設(shè)備間的優(yōu)先處理；

⊙ 通過邏輯信道優(yōu)化方法，對某一用戶設(shè)備（UE）的邏輯信道之間的優(yōu)先處理；

⊙ 跟蹤。

自動請求重發(fā)（ARQ）又稱檢錯重發(fā)，或自動反饋重發(fā)，是一種差錯控制方式。在此方式中，發(fā)送端發(fā)送的是能發(fā)現(xiàn)錯誤的碼（符號），接收端按檢驗規(guī)則判斷收到的碼（符號）有無錯誤。若發(fā)現(xiàn)有錯，立即通過反饋信道通知發(fā)送端，重發(fā)有錯誤的部分符號，直至正確無誤為止?；旌献詣诱埱笾匕l(fā)（HARQ），是將前向糾錯與重發(fā)檢錯方式相結(jié)合，即接收端不但有糾錯能力，而且對超出糾錯能力的錯誤有檢測能力，即經(jīng)糾錯處理后仍檢出有錯時，便通過反饋信道要求發(fā)端重發(fā)一遍。所謂前向糾錯（FEC），是一種無反饋差錯控制方式，只需單向信道，編碼過程選用糾錯碼，因此的接收端譯碼器不僅能檢出有無錯誤，且能糾錯。

（2）邏輯信道。不同種類的數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)，可由MAC提供。每種邏輯信道的類型，是按所傳送什么類型的信息來定義。邏輯信道可分為兩類：控制信道和業(yè)務(wù)信道?？刂菩诺纼H用于傳送控制面的信息：

⊙ 廣播控制信道（BCCH）：用于廣播系統(tǒng)控制信息的一種下行鏈路信道；

⊙ 尋呼控制信道（PCCH）：載送尋呼消息的一種下行鏈路信道；

⊙ 公共控制信道（CCCH）：用于發(fā)送用戶設(shè)備（U E）與網(wǎng)絡(luò)之間的控制信息。該信道

用于U E沒有與網(wǎng)絡(luò)連接的無線資源控制（RRC）時。

業(yè)務(wù)信道僅用于傳送用戶面的信息：

⊙ 專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）：點對點信道，指定給一個UE，用于傳送用戶信息；

⊙ DTCH可有上、下行鏈路二者。

（3）對傳輸信道的映射。在下行鏈路中，邏輯信道和傳輸信道之間可存在以下的連接：

通常，邏輯信道所提供的功能，需要映射到傳輸信道。映射的關(guān)系取決于幾個方面，如幀設(shè)計、調(diào)制和編碼方式等。）

⊙ 廣播控制信道（BCCH）可映射到廣播信道（BCH）；

⊙ 廣播控制信道（BCCH）可映射到下行鏈路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 分組公共控制信道（PCCH）可映射到尋呼信道（PCH）；

⊙ 公共控制信道（CCCH）可映射到下行鏈路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 專用控制信道（DCCH）可映射到下行鏈路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）可映射到下行鏈路共享信道（DL-SCH）。

在上行鏈路中，邏輯信道和傳輸信道之間可存在以下的連接：

⊙ 公共控制信道（CCCH）可映射到上行鏈路共享信道（UL-SCH）；

⊙ 專用控制信道（DCCH）可映射到上行鏈路共享信道（UL-SCH）；

⊙ 專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）可映射到上行鏈路共享信道（UL-SCH）。

上述映射可用圖10表示。

5.1.2.2 無線鏈路控制（RLC）子層

（1）傳輸模式。RLC支持三種傳輸模式：透明模式（TM）；未確認模式（UM）；確認模式（AM）。

（2）業(yè)務(wù)與功能。RLC的主要業(yè)務(wù)與功能依賴于傳輸模式，包括：傳送上層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）；在分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議（PDCP）（UM和AM）中序列編號是獨立的；通過ARQ糾錯（僅AM）； RLC的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元分段（AM和UM）和再分段（僅AM）；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元重組（AM和UM）；復本檢測（僅AM）；RLC業(yè)務(wù)單元刪除（AM和UM）；RLC重建；協(xié)議差錯檢測（僅AM）。

5.1.2.3 分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議（PDCP）子層

該子層的業(yè)務(wù)和功能包括：用戶面或控制面數(shù)據(jù)傳送；PDCP SN的維護；利用魯棒報頭壓縮協(xié)議進行報頭壓縮和解壓；加密和解密；完整性保護和完整性檢驗；基于時間控制器的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元刪除；承載分割，路由選擇；復制（復本）；重排序和按序傳送；無序傳送；復本刪除。

5.2 控制面

用于控制面的協(xié)議棧如圖11所示。

圖11 用于控制面的協(xié)議棧

圖11中，分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議（PDCP），無線鏈路控制（RLC）協(xié)議，和媒質(zhì)（介）接入 控制（MAC）協(xié)議子層，所完成的功能見5.1.2有關(guān)部分的介紹；無線資源控制（RRC）協(xié)議（在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的gNB終接）將在下面介紹；非接入控制層（NAS）協(xié)議（在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的AMF終接），完成的功能如驗證、移動性管理、安全性控制等，有興趣的讀者可參閱3GPP TS23.501。

6 L3：無線資源控制（RRC）子層[1]

6.1 RRC主要的業(yè)務(wù)和功能

⊙ 有關(guān)接入層和非接入層的系統(tǒng)信息廣播；

⊙ 由5GC或NG-RAN發(fā)出的尋呼；

⊙ UE與NG-RAN之間RRC連接的建立，保持和釋放，包括：載波聚合的添加，修改和釋放；在NR或E-UTRA與NR之間雙連接的添加，修改和釋放；

⊙ 包括密鑰管理的安全性功能；

⊙ 信令無線承載（SRB）和數(shù)據(jù)無線承載 （DRB）的建立，構(gòu)造，保持和釋放；

⊙ 移動性功能，包括：切換和內(nèi)容傳送； UE的小區(qū)選擇和重選擇，以及小區(qū)選擇和重選擇的控制；無線接入技術(shù)間的移動性；

⊙ QoS的管理功能；

⊙ UE測量報告及報告的控制；

⊙ 無線鏈路的故障檢測與恢復；

⊙ 到/來自非獨立組網(wǎng)（NAS）來自/到U E的NAS消息傳送。

6.2 協(xié)議狀態(tài)

RRC支持以下狀態(tài)并表征如下：

（1）RRC-IDLE：

⊙ 公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）的選擇：系統(tǒng)信息廣播；站區(qū)重選移動性；

⊙ 用于移動終接數(shù)據(jù)的尋呼由5 G 核心網(wǎng)（5GC）發(fā)出；

⊙ 由非獨立組網(wǎng)（NAS）構(gòu)造用于核心網(wǎng)（CN）尋呼的不連續(xù)接收（DRX）。

（2）RRC-INACTIVE：

⊙ 公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（PLMN）的選擇；

⊙ 小區(qū)重選的移動性廣播；

⊙ 尋呼由NG-RAN發(fā)出（RAN尋呼）；

⊙ 基于RAN通知區(qū)域（RNA）由NG-RAN管理；

⊙ 由NG-RAN構(gòu)造的尋呼用于RAN的不連續(xù)接收（DRX）；

⊙ 5GC-NG-RAN連接（C/U面二者）建立用于UE；

⊙ UE接入層上下文在NG-RAN和UE中儲存；

⊙ NG-RAN知道UE所屬基于無線接入網(wǎng)通知區(qū)（RNA）。

（3）RRC-CONNECTED：

⊙ 5GC-NG-RAN連接（C/U面二者）建立用于UE；

⊙ UE接入層上下文在NG-RAN和UE中儲存；

⊙ NG-RAN知道UE所屬基于無線接入網(wǎng)通知區(qū)（RNA）；

⊙ 到/來自UE的單點數(shù)據(jù)傳送；

⊙ 包括測量的網(wǎng)控移動性。

7 結(jié)束語

3GPP關(guān)于5G技術(shù)規(guī)范文件，是為5G通信制造商和運營商提供的開放、通用化的標準，為便于操作，這些文件條文十分詳盡，因而篇幅較大。我們在本次講座及之后的講座中，摘錄其中部分，為欲想了解5G知識的讀者提供部分原本的材料，并在某些地方附加注釋，以便理解。需要強調(diào)，由于是摘錄，難免疏漏，如需全面掌握，請閱讀原文件。

附錄：關(guān)于開放系統(tǒng)互連分層體系結(jié)構(gòu)的基本知識[3]

20世紀80年代，國際化標準組織ISO（International Organization for Standardization）為解決計算機通信連網(wǎng)，提出了開放系統(tǒng)互 連模 型OSI（Open System Interconnection）。此互連模型是建立一個解決問題的分層體系結(jié)構(gòu)，每一層解決通信過程中遇到的一部分問題。

參考模型共有7層協(xié)議層，自下而上分別為：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會話層，表示層和應(yīng)用層。這種分層的思想，就是將通信功能進行分解，如附圖1所示。出發(fā)點是模塊式設(shè)計，將總的功能分割為若干模塊，模塊間的接口盡可能簡單；此外，還采用信息隱藏的設(shè)計原理；在較低層涉及較大程度的細節(jié)，較高層則獨立于這些細節(jié)。每一層提供對較高層的服務(wù)，而對其他系統(tǒng)同層則提供協(xié)議。

附圖1 OSI架構(gòu)作為框架以制訂有關(guān)標準

協(xié)議是一組規(guī)則，規(guī)定了同一層上對等實體之間所交換的數(shù)據(jù)包或者報文的格式和含義。每一層用到的對等協(xié)議是本層自己內(nèi)部的事情，它可以使用任何協(xié)議，只要它不改變呈現(xiàn)給用戶的服務(wù)即可。

原則上，該模型中每一層的協(xié)議與其上、下層的協(xié)議無關(guān)。這使得每一層可以獨立地更新技術(shù)，而不影響其他層，只要更新的技術(shù)提供不少于原來的協(xié)議便可，從而提供了運作的靈活性。

附圖2是OSI參考模型和應(yīng)用舉例，給出了計算機A與B利用參考模型OSI進行通信聯(lián)系的示意圖。

附圖2 計算機A與B利用參考模型OSI進行通信聯(lián)系的示意圖

參考模型中每一層的功能簡述如下：

（1）物理層：通過通信設(shè)施和（或）有線（電纜、光纖）或無線等媒質(zhì)，將比特流從一處傳送到另一處。該層規(guī)定了傳輸媒質(zhì)的電氣和機械特性，如多址方式、頻譜配置、信道傳送的比特率、電平等。

（2）數(shù)據(jù)鏈路層：該層利用物理層提供的比特流，在同一條鏈路的相鄰兩臺計算機之間傳送數(shù)據(jù)幀。這一層協(xié)議確保數(shù)據(jù)幀的可靠傳送，且當在多臺機共享同一媒質(zhì)時，在各臺計算機之間作出訪問媒質(zhì)的安排。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：利用數(shù)據(jù)鏈路層提供的幀，打包后將其從源點傳送到目的地，其間可能經(jīng)過一條或多條中間鏈路。該層協(xié)議規(guī)定了一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何尋找到網(wǎng)絡(luò)中的另一臺設(shè)備，規(guī)定了如何選擇路由將數(shù)據(jù)包送到目的地。

（4）傳輸層：將網(wǎng)絡(luò)層提供的數(shù)據(jù)包送入傳輸層，從對端傳輸層送出的數(shù)據(jù)流，分成較小的數(shù)據(jù)段，一個數(shù)據(jù)段構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包的凈負荷，為確保傳輸?shù)目煽浚搶訁f(xié)議規(guī)定了檢錯和糾錯方法。

（5）會話層：接收從傳輸層送來的數(shù)據(jù)流，并向上一層提供面向應(yīng)用的服務(wù)。

（6）表示層：規(guī)定了在一個應(yīng)用中相互交接的信息的語義和語法，以保證使用不同硬件和操作系統(tǒng)的計算機之間均可交換信息。

（7）應(yīng)用層：為用戶提供接入到OSI環(huán)境、并提供分配的信息服務(wù)。采用開放式分層協(xié)議的OSI模型，由于其適應(yīng)性和靈活性，在其他通信領(lǐng)域中也陸續(xù)得到應(yīng)用。具體實踐中，不必嚴格拘泥于按7層運作，以降低復雜度。例如，用于互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP只有5層，如附圖3 所示。（全文完）

附圖3 TCP/IP 與OSI分層協(xié)議的比較