钟 旻

（续，接上期）

5.1.1 物理层

由图8可知，物理 层与第2层的媒质接入控制（MAC）子层和3层无线资源控制（RRC）接口，不同层/子层之间的椭圆环表示业（服）务接入点（SAP）。物理层为MAC层提供传输信道，而MAC层向上面的各子层提供逻辑信道。传输信道是信道怎样通过无线接口传送来表征的，即明确信息如何传送这一特性。MAC层则提供不同的逻辑信道给2层的无线链路控制（RLC）子层。逻辑信道是用信道传送的信息类型来表征的，分为用于传送用户信息数据的业务信道和用于传输控制和配置信息的控制信道。

图8 物理层周围的无线接口协议架构

在3GPP制订的协议中，出现了逻辑信道、传输信道和物理信道。简言之，逻辑信道描述了信息的类型，即定义了传输的是什么信息；传输信道描述的是信息的传输方式，即定义了信息是如何传输的；物理信道则由物理层用于具体信号的传输。按照ITU的定义，逻辑信道是指：用于一种由无线承载连接所支持的信息传输的信息流。逻辑信道根据它所携带信息类型定义，一般被分为控制信道（用于传输控制和配置信息）和传输信道（用于用户数据的传输）。传输信道是通过无线接口传输信息的方式和特点。从逻辑信道到传输信道的映射，可以是一对一，或多对一。物理信道是指：由时、频、码定义并在指定期间建立的通信空间的通道，对于5G，在FDD模式中，物理信道是由编码、频率以及在上行链路中相关的相位（I/Q）定义的；在TDD模式中，物理链路是由编码、频率和时隙定义的。多个逻辑信道可以映射到一个物理信道上。一个逻辑信道也可以被映射或复制到多个物理信道上。

如上所述，物理层为较高层提供传输服务，接入这些服务是通过MAC子层，利用传输信道进行。物理层具有的功能：对传输信道进行差错检测，并指示给较高层；对传输信道进行前向纠错（FEC）编/解码；混合的ARQ软组合（HARQ）；对物理信道的已编码传输信道的速率匹配；将已编码的传输信道映射到物理信道；物理信道的功率加权；物理信道的调制解调；频率和时间同步；无线（射频）特性测量并指示给较高层；多入多出（MIMO）天线处理；射频（RF）处理。为达上述功能，物理层需解决：

（1）提供基于利用循环前缀（CP）的正交频分多路（OFDM）的多址接入方式。对于上行链路，也支持具有CP的离散傅立叶变换-扩展-OFDM。这里采用带宽不固定的资源块，来适应各种频谱配置，即引入所谓的“参数集”（numerology）。一个资源块具有12个子载波间隔的长度，在NR中，OFDM所支持的参数集如表2所示。

表2 OFDM的支持的参数集（*）

3GPP规定，5G NR无线帧周期为10 ms，由10个子帧组成，一个子帧由一个或多个相邻的时隙构成，每个时隙有14个相邻的符号。

（2）物理信道和调制。下行链路的物理信道包括共享信道（PDSCH）、控制信道（PDCCH）和广播信道（PBCH）。其调制方式有QPSK， 16QAM和256QAM。

上行链路的物理信道有随机接入信道（PRACH）、共享信道（PUSCH）和控制信道（PUCCH）。其调制方式有：QPSK， 16QAM， 64QAM， 256QAM用于具有CP的OFDM；以及π/2-BPSK， QPSK， 16QAM，256QAM用于具有CP的离散傅立叶变换-时间扩展-正交频分复用（DFT-s-OFDM）。

（3）信道编码。用于传输码组（字块）的信道编码方式，是有两个基图的准循环LDPC码，每一基图有8组奇偶校验矩阵。一个基图用于码组大于一定尺寸，或初始传输码速率高于门限时，此外则用另一基图。在LDPC编码前，对于大的传输块，将其分成大小相同的多个码组。对于物理广播信道（PBCH）和控制信息的信道编码方式，则是基于嵌入序列的极化码、穿孔、截短和重复用于速率匹配。

5.1.2 第二层（L2）

如上所述，NR的第二层分为以下的子层：媒质（媒介）接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、分组数据聚合协议（PDCP）和业务数据适配协议（SDAP）。对于上、下行链路，第二层可用图9来描述。

图9 （a） 下行链路第二层（L2）的结构

图9 （b） 上行链路第二层（L2）的结构

由图9可见：物理 层为MAC子层提供传输信道；MAC子层为RLC子层提供逻辑信道；RLC子层为PDCP子层提供RLC信道；PDCP子层为SDAP子层提供无线承载；SDAP子层为5GC提供QoS流。

5.1.2.1 MAC子层

（1）业务与功能包括：

⊙ 逻辑信道与传输信道之间的映射；

⊙ MAC业务数据单元的复用与分用可属于一条或是不同的逻辑信道，

⊙ 编排（调度）信息报告；

⊙ 通过混合自动请求重发（HARQ）进行差错校正（在小区配置中，每一小区有一HARQ实体）；

⊙ 通过动态调度方法对用户设备间的优先处理；

⊙ 通过逻辑信道优化方法，对某一用户设备（UE）的逻辑信道之间的优先处理；

⊙ 跟踪。

自动请求重发（ARQ）又称检错重发，或自动反馈重发，是一种差错控制方式。在此方式中，发送端发送的是能发现错误的码（符号），接收端按检验规则判断收到的码（符号）有无错误。若发现有错，立即通过反馈信道通知发送端，重发有错误的部分符号，直至正确无误为止。混合自动请求重发（HARQ），是将前向纠错与重发检错方式相结合，即接收端不但有纠错能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力，即经纠错处理后仍检出有错时，便通过反馈信道要求发端重发一遍。所谓前向纠错（FEC），是一种无反馈差错控制方式，只需单向信道，编码过程选用纠错码，因此的接收端译码器不仅能检出有无错误，且能纠错。

（2）逻辑信道。不同种类的数据传送业务，可由MAC提供。每种逻辑信道的类型，是按所传送什么类型的信息来定义。逻辑信道可分为两类：控制信道和业务信道。控制信道仅用于传送控制面的信息：

⊙ 广播控制信道（BCCH）：用于广播系统控制信息的一种下行链路信道；

⊙ 寻呼控制信道（PCCH）：载送寻呼消息的一种下行链路信道；

⊙ 公共控制信道（CCCH）：用于发送用户设备（U E）与网络之间的控制信息。该信道

用于U E没有与网络连接的无线资源控制（RRC）时。

业务信道仅用于传送用户面的信息：

⊙ 专用业务信道（DTCH）：点对点信道，指定给一个UE，用于传送用户信息；

⊙ DTCH可有上、下行链路二者。

（3）对传输信道的映射。在下行链路中，逻辑信道和传输信道之间可存在以下的连接：

通常，逻辑信道所提供的功能，需要映射到传输信道。映射的关系取决于几个方面，如帧设计、调制和编码方式等。）

⊙ 广播控制信道（BCCH）可映射到广播信道（BCH）；

⊙ 广播控制信道（BCCH）可映射到下行链路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 分组公共控制信道（PCCH）可映射到寻呼信道（PCH）；

⊙ 公共控制信道（CCCH）可映射到下行链路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 专用控制信道（DCCH）可映射到下行链路共享信道（DL-SCH）；

⊙ 专用业务信道（DTCH）可映射到下行链路共享信道（DL-SCH）。

在上行链路中，逻辑信道和传输信道之间可存在以下的连接：

⊙ 公共控制信道（CCCH）可映射到上行链路共享信道（UL-SCH）；

⊙ 专用控制信道（DCCH）可映射到上行链路共享信道（UL-SCH）；

⊙ 专用业务信道（DTCH）可映射到上行链路共享信道（UL-SCH）。

上述映射可用图10表示。

5.1.2.2 无线链路控制（RLC）子层

（1）传输模式。RLC支持三种传输模式：透明模式（TM）；未确认模式（UM）；确认模式（AM）。

（2）业务与功能。RLC的主要业务与功能依赖于传输模式，包括：传送上层的协议数据单元（PDU）；在分组数据聚合协议（PDCP）（UM和AM）中序列编号是独立的；通过ARQ纠错（仅AM）； RLC的业务数据单元分段（AM和UM）和再分段（仅AM）；业务数据单元重组（AM和UM）；复本检测（仅AM）；RLC业务单元删除（AM和UM）；RLC重建；协议差错检测（仅AM）。

5.1.2.3 分组数据聚合协议（PDCP）子层

该子层的业务和功能包括：用户面或控制面数据传送；PDCP SN的维护；利用鲁棒报头压缩协议进行报头压缩和解压；加密和解密；完整性保护和完整性检验；基于时间控制器的业务数据单元删除；承载分割，路由选择；复制（复本）；重排序和按序传送；无序传送；复本删除。

5.2 控制面

用于控制面的协议栈如图11所示。

图11 用于控制面的协议栈

图11中，分组数据聚合协议（PDCP），无线链路控制（RLC）协议，和媒质（介）接入 控制（MAC）协议子层，所完成的功能见5.1.2有关部分的介绍；无线资源控制（RRC）协议（在网络侧的gNB终接）将在下面介绍；非接入控制层（NAS）协议（在网络侧的AMF终接），完成的功能如验证、移动性管理、安全性控制等，有兴趣的读者可参阅3GPP TS23.501。

6 L3：无线资源控制（RRC）子层[1]

6.1 RRC主要的业务和功能

⊙ 有关接入层和非接入层的系统信息广播；

⊙ 由5GC或NG-RAN发出的寻呼；

⊙ UE与NG-RAN之间RRC连接的建立，保持和释放，包括：载波聚合的添加，修改和释放；在NR或E-UTRA与NR之间双连接的添加，修改和释放；

⊙ 包括密钥管理的安全性功能；

⊙ 信令无线承载（SRB）和数据无线承载 （DRB）的建立，构造，保持和释放；

⊙ 移动性功能，包括：切换和内容传送； UE的小区选择和重选择，以及小区选择和重选择的控制；无线接入技术间的移动性；

⊙ QoS的管理功能；

⊙ UE测量报告及报告的控制；

⊙ 无线链路的故障检测与恢复；

⊙ 到/来自非独立组网（NAS）来自/到U E的NAS消息传送。

6.2 协议状态

RRC支持以下状态并表征如下：

（1）RRC-IDLE：

⊙ 公共陆地移动网络（PLMN）的选择：系统信息广播；站区重选移动性；

⊙ 用于移动终接数据的寻呼由5 G 核心网（5GC）发出；

⊙ 由非独立组网（NAS）构造用于核心网（CN）寻呼的不连续接收（DRX）。

（2）RRC-INACTIVE：

⊙ 公共陆地移动网络（PLMN）的选择；

⊙ 小区重选的移动性广播；

⊙ 寻呼由NG-RAN发出（RAN寻呼）；

⊙ 基于RAN通知区域（RNA）由NG-RAN管理；

⊙ 由NG-RAN构造的寻呼用于RAN的不连续接收（DRX）；

⊙ 5GC-NG-RAN连接（C/U面二者）建立用于UE；

⊙ UE接入层上下文在NG-RAN和UE中储存；

⊙ NG-RAN知道UE所属基于无线接入网通知区（RNA）。

（3）RRC-CONNECTED：

⊙ 5GC-NG-RAN连接（C/U面二者）建立用于UE；

⊙ UE接入层上下文在NG-RAN和UE中储存；

⊙ NG-RAN知道UE所属基于无线接入网通知区（RNA）；

⊙ 到/来自UE的单点数据传送；

⊙ 包括测量的网控移动性。

7 结束语

3GPP关于5G技术规范文件，是为5G通信制造商和运营商提供的开放、通用化的标准，为便于操作，这些文件条文十分详尽，因而篇幅较大。我们在本次讲座及之后的讲座中，摘录其中部分，为欲想了解5G知识的读者提供部分原本的材料，并在某些地方附加注释，以便理解。需要强调，由于是摘录，难免疏漏，如需全面掌握，请阅读原文件。

附录：关于开放系统互连分层体系结构的基本知识[3]

20世纪80年代，国际化标准组织ISO（International Organization for Standardization）为解决计算机通信连网，提出了开放系统互 连模 型OSI（Open System Interconnection）。此互连模型是建立一个解决问题的分层体系结构，每一层解决通信过程中遇到的一部分问题。

参考模型共有7层协议层，自下而上分别为：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。这种分层的思想，就是将通信功能进行分解，如附图1所示。出发点是模块式设计，将总的功能分割为若干模块，模块间的接口尽可能简单；此外，还采用信息隐藏的设计原理；在较低层涉及较大程度的细节，较高层则独立于这些细节。每一层提供对较高层的服务，而对其他系统同层则提供协议。

附图1 OSI架构作为框架以制订有关标准

协议是一组规则，规定了同一层上对等实体之间所交换的数据包或者报文的格式和含义。每一层用到的对等协议是本层自己内部的事情，它可以使用任何协议，只要它不改变呈现给用户的服务即可。

原则上，该模型中每一层的协议与其上、下层的协议无关。这使得每一层可以独立地更新技术，而不影响其他层，只要更新的技术提供不少于原来的协议便可，从而提供了运作的灵活性。

附图2是OSI参考模型和应用举例，给出了计算机A与B利用参考模型OSI进行通信联系的示意图。

附图2 计算机A与B利用参考模型OSI进行通信联系的示意图

参考模型中每一层的功能简述如下：

（1）物理层：通过通信设施和（或）有线（电缆、光纤）或无线等媒质，将比特流从一处传送到另一处。该层规定了传输媒质的电气和机械特性，如多址方式、频谱配置、信道传送的比特率、电平等。

（2）数据链路层：该层利用物理层提供的比特流，在同一条链路的相邻两台计算机之间传送数据帧。这一层协议确保数据帧的可靠传送，且当在多台机共享同一媒质时，在各台计算机之间作出访问媒质的安排。

（3）网络层：利用数据链路层提供的帧，打包后将其从源点传送到目的地，其间可能经过一条或多条中间链路。该层协议规定了一台网络设备如何寻找到网络中的另一台设备，规定了如何选择路由将数据包送到目的地。

（4）传输层：将网络层提供的数据包送入传输层，从对端传输层送出的数据流，分成较小的数据段，一个数据段构成了网络层数据包的净负荷，为确保传输的可靠，该层协议规定了检错和纠错方法。

（5）会话层：接收从传输层送来的数据流，并向上一层提供面向应用的服务。

（6）表示层：规定了在一个应用中相互交接的信息的语义和语法，以保证使用不同硬件和操作系统的计算机之间均可交换信息。

（7）应用层：为用户提供接入到OSI环境、并提供分配的信息服务。采用开放式分层协议的OSI模型，由于其适应性和灵活性，在其他通信领域中也陆续得到应用。具体实践中，不必严格拘泥于按7层运作，以降低复杂度。例如，用于互联网的TCP/IP只有5层，如附图3 所示。（全文完）

附图3 TCP/IP 与OSI分层协议的比较