3.3 物理层
1.波形、子载波&CP配置和帧结构
NR系统下行传输采用带循环前缀（CP）的OFDM波形；上行传输可以采用基于DFT预编码的带CP的OFDM波形，也可以与下行传输一样，采用带CP（Cyclic Prefix，循环前缀）的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分享用）波形。
NR与LTE系统都基于OFDM传输。两者主要有两点不同：
（1）LTE系统只支持一种配置，LTE系统上行采用基于DFT预编码的CP-Based OFDM，而NR系统上行可以采用基于DFT预编码的CP-Based OFDM，也可以采用不带DFT的CP-Based OFDM。
（2）NR系统支持的载波间隔、CP类型、对数据信道的支持如表3-1所示。NR系统一共支持5种子载波间隔配置：15 k Hz、30 k Hz、60 k Hz、120 k Hz和240 k Hz。一共有两种CP类型，Normal和Extended（扩展型）。扩展型CP只能用在子载波间隔为60 k Hz的配置下。其中，子载波间隔为15 k Hz、30 k Hz、60 k Hz和120 k Hz可用于数据传输信道；而15 k Hz、30 k Hz、120 k Hz和240 k Hz子载波间隔可以用于同步信道。
NR系统中连续的12个子载波称为物理资源块（PRB），在一个载波中最大支持275个PRB，即275×12=3 300个子载波。
表3-1 NR系统支持的载波间隔、CP类型、对数据信道的支持
上行、下行中一个帧的时长固定为10 ms，每个帧包含10个子帧，即每个子帧固定为1 ms。同时，每个帧分为两个半帧（5 ms）。每个子帧包含若干个时隙，每个时隙固定包含14个OFDM符号（如果是扩展CP，则对应12个OFDM符号）。因为每个子帧固定为1 ms，所以对应不同子载波间隔配置，每个子帧包含的时隙数是不同的。具体的个数关系如表3-2所示（表3-2相比之前表格多了一个u=5项，但在Rel-15中并不使用此选项）。
表3-2 每个子帧包含的时隙数
NR系统的传输单位（TTI）为1个时隙。如上所述，对于常规CP，1个时隙对应14个OFDM符号；对于扩展CP，1个时隙包含12个OFDM符号。
由于子载波间隔越大，对应时域OFDM符号越短，则1个时隙的时长也就越短。所以子载波间隔越大，TTI越短，空口传输时延越低，当然对系统的要求也就越高。
2.带宽频点
在NR系统中，3GPP主要指定了两个频点范围。一个通常称为Sub 6 GHz，另一个通常称为毫米波（Millimeter Wave）。Sub 6 GHz称为FR1，毫米波称为FR2。FR1和FR2具体的频率范围如表3-3所示。
表3-3 FR1和FR2具体的频率范围
在不同的频点范围，系统的带宽和子载波间隔都所有不同。在Sub 6 GHz，系统最大的带宽为100 MHz而在毫米波中最大的带宽为400 MHz。子载波间隔15 k Hz和30 k Hz只能用在Sub 6 GHz，而120 k Hz子载波间隔只能用在毫米波中，60 k Hz子载波间隔可以同时在Sub 6 GHz和毫米波中使用。
3.物理层下行链路
1)PDSCH
PDSCH（Physical Downlink Shared CHannel，物理下行共享信道）处理流程如下所述。
（1）传输块CRC添加（如果传输块长度大于3 824，则添加24 bit CRC；否则添加16 bit CRC）
（2）传输块分段，各段添加CRC（24 bit）。
（3）信道编码：LDPC编码。
（4）物理层HARQ处理，速率匹配。
（5）比特交织。
（6）调制：QPSK，16QAM，64QAM和256QAM。
（7）映射到分配的资源和天线端口。
PDSCH处理模型如图3-10所示。
图3-10 PDSCH处理模型
PDSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的Graph：Graph 1或Graph 2。Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。Graph的选择规则如下（A为码块长度，R为码率）：
（1）如果A≤292；或者A≤3 824 并且R≤0.67；或者R≤0.25，选择Graph 2；
（2）其他情况选择Graph 1。
2)PDCCH
PDCCH（Physical Downlink Control Channel，专用物理下行控制信道）用于调度下行的PDSCH传输和上行的PUSCH传输。PDCCH上传输的信息称为DCI（Downlink Control Information），包含Format 0_0，Format 0_1，Format 1_0，Format 1_1，Format 2_0，Format 2_1，Format 2_2和Format 2_3共8中DCI格式。
（1）Format0_0用于同一个小区内PUSCH调度。
（2）Format0_1用于同一个小区内PUSCH调度。
（3）Format1_0用于同一个小区内PDSCH调度。
（4）Format1_1用于同一个小区内PDSCH调度。
（5）Format2_0用于指示Slot格式。
（6）Format2_1用于指示UE那些它认为没有数据的PRB（s）and OFDM符号（防止UE忽略）。
（7）Format2_2用于传输TPC（Transmission Power Control）指令给PUCCH和PUSCH。
（8）Format2_3用于传输给SRS信号的TPC，同时可以携带SRS请求。
各种DCI格式之间的差异及使用场景之后再详细讨论。
PDCCH信道采用Polar码信道编码方式，调制方式为QPSK。
3)PSS/SSS/PBCH
NR系统包含两种同步信号：主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）。PSS和SSS信号各自占用127个子载波。PBCH信号横跨3个OFDM符号和240个子载波，其中有一个OFDM符号中间127个子载波被SSS信号占用。
NR系统中一共定义了1 008个小区ID：
，其中
。即336个小区组ID，每个小区组由3个组内小区组成。
PSS信号产生时需要利用小区组内ID，产生公式如下所示。
其中
SSS信号产生时需要小区组ID和小区组内ID，产生公式如下所示。
PSS/SSS/PBCH在时频资源格上的位置关系如图3-11所示。
图3-11 PSS/SSS/PBCH在时频资源格上的位置关系
PBCH信道编码方式为Polar编码，调制方式为QPSK。PBCH物理层处理模型如图3-12所示。
图3-12 PBCH物理层处理模型
4.物理层上行链路
1）传输方案
NR系统上行包含两种传输方案：基于码本的传输和非码本传输。
基于码本的传输：g NB在DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）携带一个预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI）。UE使用PMI指示的矩阵对PUSCH进行预编码。对于非码本传输，UE根据DCI中的SRI确定对应的预编码矩阵。
2)PUSCH
PUSCH的处理流程如下所述。
传输块添加CRC（TBS大于3 824时添加24 bit CRC；否则添加16 bit CRC）。
（1）码块分段及各段CRC添加。
（2）信道编码：LDPC编码。
（3）比特级交织。
（4）调制方式：Pi/2 BPSK（仅当进行Transform Precoding时可采用），QPSK，16QAM，64QAM和256QAM。
（5）层映射，Transform Precoding（需上层配置确定是否进行），预编码。
（6）映射到相应的资源和天线端口。
PUSCH处理模型如图3-13所示。
图3-13 PUSCH处理模型
PUSCH采用LDPC编码，LDPC编码时需要选择相应的Graph：Graph 1或Graph 2。Graph的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。Graph的选择规则如下（A为码块长度，R为码率）：
（1）如果A≤292；或者A≤3 824 并且R≤0.67；或者R≤0.25，选择Graph 2。
（2）其他情况选择Graph 1。
3)PUCCH
PUCCH携带上行控制信息（Uplink Control Link，UCI）从UE发送给g NB。根据PUCCH的持续时间和UCI的大小，一共有5种格式的PUCCH格式。
（1）格式1：1～2个OFDM，携带最多2 bit信息，复用在同一个PRB上。
（2）格式2：1～2个OFDM，携带超过3 bit信息，复用在同一个PRB上。
（3）格式3：4～14个OFDM，携带最多2 bit信息，复用在同一个PRB上。
（4）格式4：4～14个OFDM，携带中等大小信息，可能复用在同一个PRB上。
（5）格式5：4～14个OFDM，携带大量信息，无法复用在同一个PRB上。
不同格式的PUCCH携带不同的信息，对应的底层处理也有所差异，此处不展开介绍。
UCI携带的信息如下：
(1)CSI(Channel State Information)。
(2)ACK/NACK。
（3）调度请求（Scheduling Request）。
PUCCH大部分情况下都采用QPSK调制方式，当PUCCH占用4～14个OFDM且只包含1 bit信息时，采用BPSK调制方式。PUCCH的编码方式也比较丰富，当只携带1 bit信息时，采用Repetition code（重复码）；当携带2 bit信息时，采用Simplex code；当携带信息为3～11 bit时，采用Reed Muller code；当携带信息大于11 bit时，采用的便是著名的Polar编码方式。
4）随机接入
NR支持两种长度的随机接入（Random Access）前缀。长前缀长度为839，可以运用在1.25 k Hz和5 k Hz子载波间隔上；短前缀长度为139，可以运用在15 k Hz，30 k Hz，60 k Hz和120 k Hz子载波间隔上。长前缀支持基于竞争的随机接入和非竞争的随机接入；而短前缀只能在非竞争随机接入中使用。
5.传输信道
传输信道描述“信息该怎么传输”这个特性，下面会提到逻辑信道描述的则是“传输的是什么信息”。每个传输信道规定了信息的传输特性。
1）下行传输信道
（1）广播信道（Broadcast Channel，BCH）
①固定的，预先定义好的传输格式。
②在整个小区中广播。
（2）下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH）
①支持HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）。
②支持链路动态自适应，包括调整编码、调制方式和功率等。
③支持在整个小区中广播。
④可以使用波束赋形。
⑤UE支持非连续性接收（为了节能）。
（3）寻呼信道（Paging Channel）
①UE支持非连续性接收（为了节能）。
②需要在整个小区中广播。
③映射到物理资源上（可能会动态地被其他业务和控制信道占用）。
2）上行传输信道
（1）上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）
①可以使用波束赋形。
②支持链路动态自适应，包括调整编码、调制方式和功率等。
③支持HARQ。
④支持动态和半动态资源分配。
（2）随机接入信道（Random Access Channel，RACH）
①仅限传输控制信息。
②有碰撞的风险。
③层2（layer 2）功能介绍。
NR系统的层2（layer 2）包含SDAP、PDCP、RLC和MAC层，如图3-14所示。
图3-14 层2（layer 2）