[4G&5G专题-38]：物理层-上行控制信道PUCCH与上行控制信息UCI
作者：互联网
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2.3 UCI: CSI，Channel State Information
第1章 上行控制信道概述
1.1 PUCCH概述
PUCCH，Physical Uplink Control Channel，物理上行链路控制信道。
主要携带终端UE给基站的应答信息、请求信息等物理层的控制信息。实现UE与基站之间，通过空口进行远程控制与交互。
需要注意的是：PUCCH中没有common一词，因此它具备common和dedicated的双工能力。
也就是说PUCCH不仅仅用于小区级下行公共控制信道，还用于UE级下行专有控制信道。
1.2 上行控制信道在物理层信道中的位置
下行控制信道PDCCH主要用来承载DCI信息和解调参考DMRS
上行控制信道PUCCH主要用来承载UCI信息和解调参考DMRS
UCI： Uplink Control Information，上行控制信息
DMRS：Demodulatin Reference Signal，解调参考DMRS
第2章 上行控制信道传输的内容
上行控制信道传输的内容的内容称为UCI, 主要包括以下几个方面：
- UCI：SR，Scheduling Request，上行调度请求
- UCI: HARQ ACK/NACK，混合自动重传请求
- UCI: CSI，Channel State Information，状态指示。
相比于下行控制信道PDCCH，PUCCH要承载的内容还是相当简单的。
2.1 UCI：SR，Scheduling Request
（1）什么是SR
SR，全称Scheduling Request，即调度请求，是UE向网络侧基站申请资源，用于新数据传输的一种方式。
SR用于UE向基站请求基站分配上行UL-SCH信道资源。
UL-SCH称为上行共享信道，是空口实现多路复用数据传输的信道。终端如果有上行数据需要传输，需要预先向基站申请UL-SCH信道的资源。
SR属于物理层的信息，UE发送SR调度请求这个行为，可以通过PUCCH控制信道传输。
基站成功解码到某个UE的SR请求之后，可能会通过下行控制信道PDCCH下发DCI0给该UE，指示分配的RB资源。
但不能保证网侧每次都会分配RB。有些时候虽然UE发送了SR信号，但基站并没有解码到。
UE发出了SR信号后，不要期望基站一定会在接下来的某个时刻分配RB资源，很多时候，UE为了得到上行RB资源，是需要多次发送SR申请的。
（2）SR发送的时机
当UE已经组装了一个MAC层的PDU，且无PUSCH上行共享信道资源可用时，则先通过PUCCH向基站申请PUSCH资源，基站在许可的情况下，会通过PDCCH信道发送DCI0，通知终端UE，已经分配的PUSCH信道资源。
但如果已经有足够的PUSCH上行共享信道资源,就无需要通过PUCCH发送SR调度请求了，直接通过分配的PUSCH信道时频资源发送上行数据。
2.2 UCI: HARQ ACK/NACK
HARQ ACK/NACK对在PD-SCH上发送的下行数据进行物理层的HARQ确认。
HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 称为混合自动重传请求，是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。
HARQ的基本原理如下：
-
在发送端，使用能够进行纠错的物理层编码。
-
在接收端，使用FEC技术纠正所有错误中能够纠正的那一部分。
-
对纠错后的数据，再通过错误检测判断不能纠正错误的数据包。
-
丢弃不能纠错的数据包，向发射端请求重新发送相同的数据包。
重传是不需要通过SR申请资源的，因为：如果是自适应重传，网络测基站会主动下发DCI0配置上行资源；如果是非自适应重传，UE直接使用上一次的RB资源。
2.3 UCI: CSI，Channel State Information
CSI用于UE告诉基站，其收到的下行无线信号的信道质量等，以帮助基站进行下行调度。包括
- CQI：CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示
- PMI：Precoding Matrix Indicator;预编码矩阵指示
- RI：RI：rank indication, MIMO秩指示
（1）CQI：CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示。
什么是CQI：
CQI由UE测量收到的基站信号所得，因此，CQI一般指的是下行信道质量。
基站根据CQI信息选择合适的调度算法和下行数据块大小，以保证UE在不同的无线环境下获取最佳的下行性能。
引入CQI的原因
PDSCH支持多种编码方式：QPSK、16QAM及64QAM等，不同的编码方式，携带的比特数据量不同，但所需要的信道条件也不相同，编码方式越高（QPSK<16QAM<64QAM），信道条件要求就越高。
由于下行调度是由基站决定的，而基站作为发射端，并不知道下行信道质量的好坏。就比如一个人在讲话时，听不听得清楚是有听众感知的。
因此信道质量的好坏也是由UE来衡量的。基站决定要采用何种编码方式，就需要UE来反馈这个信道质量的好坏。
信道质量的标识方法：
LTE协议将信道质量的好坏量化成了0~15的序列（4个bit来承载），并定义为CQI。
CQI的选取标准：
CQI 值由UE测量并上报。
LTE规范中没有明确定义CQI的测量方式，只定义了CQI的选取准则，即保证PDSCH的解码错误率（即BLER）小于10%所使用的CQI值。也就是说，UE 需要根据测量结果（比如SINR）评估下行链路特性，并采用内部算法确定此SINR 条件下所能获取的BLER值，并根据BLER<10%的限制，上报对应的CQI值。
CQI取值及其对应的编码方式
（2）RI：rank indication, MIMO秩指示
RI用来指示PDSCH的有效的数据层数。
RI用来告诉基站，UE现在可以支持的MIMO的层数，并通过CW（Code Word码字）数来指示。
只有当RI> 1，空间复用可被支持。对于空间复用，CQI是基于每码字对应的层来报告。
（3）PMI：
PMI： Precoding Matrix Indicator;预编码矩阵指示
PMI用来指示码本集合的index。
不同的index，预编码矩阵支持的层数以及矩阵的系数是不相同的。
第3章 上行控制信道的格式Format
3.1 什么是信道格式Format
所谓信道格式，是指该信道时域上占用多少个符号、频域上占用多少子载波、通过什么编码方式承载要传输的比特数的一种约定。
（1）不同Format选项的区别：
- （1）产生二进制序列的函数和参数不完全相同
- （2）时域上占用多少个符号不完全相同
- （3）频域上占用多少子载波不完全相同
- （4）DMRS解调参考信号与UCI的关系
（2）5G NR支持5种格式：
- 格式0： 时域上占用1-2个符号周期，信道传输的比特数<=2.
- 格式1： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数<=2.
- 格式2： 时域上占用1-2个符号周期，信道传输的比特数>2.
- 格式3： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数>2.
- 格式4： 时域上占用4-14个符号周期，信道传输的比特数>2.
（3）不同格式区别
主格式还可以进一步细分为子格式，以LTE的PUCCH信道为例：
- 不同格式的调试解调方式不同
- 不同格式通过每个1ms子帧，承载的bit数目不同
- 不同格式用于承载的UCI信息不同。
3.2 PUCCH信道的序列化编码
PUCCH信道使用特定的二进制序列表示0或1，而不是直接进行PQSK调制，这就是物理层编码，有点类似“扩频编码”。
PUCCH信道采用循环移位的方式产生特定的二进制序列，二进制序列的输入是UCI和相关的循环序列的生成参数。
通过不同的循环序列表示不同的信息，不同的循环序列之间是正交的，所以多个UE可以选择各自的循环移位，且复用同一个RB。
如果移位步长太短会影响多用户复用的数量，太长会影响序列检测性能，所以就存在多用户复用和性能之间的平衡（trade-off）。
3.3 Format0
（1）占用的时频资源
PUCCH格式0在时域上占用1或2个符号，是短格式的PUCCH（相比LTE为一种新的格式），目的是为了降低HARQ-ACK反馈时延。在频域上占1个RB的全部12个子载波，没有DMRS。
（2）序列生成公式
序列生成公式如下：
序列长为12bit的CS序列，PARP较低、具有单载波特性。
式中阿拉法即为循环移位，其大小由初始的循环移位和HARQ-ACK特定的循环移位共同确定。
通过序列的选择承载UCI信息，即通过序列的不同循环移位表示不同的信息。不同循环移位的序列之间是正交的，所以多个UE可以选择各自的循环移位，且复用同一个RB。移位步长太长会影响多用户复用的数量，太短会影响序列检测性能，所以就存在多用户复用和性能之间的trade-off。
3.4 Format1
（1）与Fomat0的区别
- 与PUCCH格式0不同的地方在于，PUCCH格式1，不需要通过序列的循环移位来承载信息，序列的循环移位仅用于多用户的码分复用。
（2）Format1的编码与调试方法
- PUCCH格式1要使用序列来承载1bit或2bit信息的方式为：通过把要承载的信息的调制符号与序列相乘来承载到序列上。当需要承载1bit信息时，用BPSK调制，当需要承载2bit信息时，用QPSK调，然后将调制符号与序列相乘，形成长为12的调制后序列。如果PUCCH跨多个slot调度，则每个slot调制符号都是同一个调制符号的重复。
（3）时频资源使用情况
- PUCCH格式1频域占用12个子载波，时域占用4-14个符号，是长格式PUCCH，可以配置跳频，跳频时第一hop内的符号数量是总符号数量除以2并向下取整，剩下的符号在第二hop内。
（4）循环序列
- PUCCH格式1 通过序列循环移位代表要传输的信息，然后再进行xPSK调制，可以支持码分复用。
（5）扩频过程
- 调制后的序列还要与正交扩频码相乘，也就是还要经过扩频处理，公式如下：
经过循环序列和扩频两个编码过程，使得PUCCH格式1具有很强的多用户复用能力。
正交扩频码和N的取值与PUCCH所占符号数量和跳频配置有关，通过下面两个表格来指示。
（6）时频资源RE的映射关系
对于资源映射，在UCI和DMRS映射到RE时，PUCCH格式1的UCI和DMRS间隔放置，占用的符号尽可能均分。
3.5 Format2
（1）Format2的编码与调试方法
- 由于PUCCH格式2要承载的UCI信息较多，所有无法采用序列循环序列来承载信息的方法，只能使用UCI+DMRS的传输方式。经过信道编码的bit序列经过加扰、调制后映射到RE上。
- PUCCH格式 2的UCI信息不进行DFT预编码，也就是说采用CP-OFDM波形，且调制方式固定采用QPSK，不采用pi/2-BPSK，这些都是因为不考虑降低PUCCH格式2的PARP需求。
（2）DMRS生成公式
- PUCCH格式2的DMRS生成公式与CP-OFDM波形的PUSCH的DMRS相同，DMRS与UCI为频分复用的方式，这个与格式1不同。
- PUCCH格式2频域上占用1-16个RB中的任意值，DMRS密度为3，即一个RB内有3个RE由DMRS占用，其余RE为UCI。时域上占用1或2个符号，为短PUCCH。
3.6 Format3
- PUCCH格式3频域占用1-16个RB中取值为2、3、5的幂次方的乘积的RB数量（这个设定是基于DFT预编码运算效率考虑），时域占用4-14个符号，为长PUCCH
- DMRS与UCI为时分复用，各自占用RB内的全部子载波，这个与PUCCH格式1类似。
- PUCCH格式3所占资源最多，且不支持多用户复用，所以PUCCH格式3具有最强的负载能力。
- PUCCH格式3采用DFT-s-OFDM波形，为了进一步降低PARP，引入了pi/2-BPSK，具体采用pi/2-BPSK还是QPSK由高层参数指示。
- PUCCH格式3也不采用序列循环移位承载信息的方式，信道编码后的bit序列经过加扰、调制和DFT预编码后映射到RE。
- 由于不支持多用户复用，所以上述过程中调制后的序列不需要进行扩频处理。
- PUCCH格式3的DMRS时域位置由PUCCH所占符号数量、是否配置了hopping以及是否配置了附加导频决定的。
3.7 Format4
- 与格式3不同的是，PUCCH格式4频域占用1个RB的全部12个子载波，时域与格式3相同，为4-14个符号，是长格式PUCCH。
- DMRS与UCI为时分复用，且DMRS的位置配置与格式3相同。
- 与格式3不同的是，PUCCH格式4支持码分复用，即可以多用户复用。UCI通过扩频来支持多用户复用，所以调制后序列要经过扩频处理以支持码分复用，即经过信道编码的bit序列要经过加扰、调制、块式扩频（Block-wise Spreading）和DFT预编码之后，映射到资源（块式扩频的公式如下面协议内容中给出）。
- DMRS是通过序列的循环移位来实现多用户复用，所以UCI扩频时的正交序列与DMRS的循环移位之间存在预定义的关系。
- 扩频公式如下：
其中
第4章 PUCCH信道的种类与资源分配
4.1 小区级上行公共控制信道
在RRC建立之前，UE无法获取专用的PUCCH配置，所以只能使用配置在初始上行BWP内的小区级别PUCCH配置，一旦RRC连接建立，UE有了专有PUCCH，则使用专有PUCCH。
小区级别的PUCCH配置有如下特点：
- 由于此时UCI需要承载的信息很少，仅需要反馈建立RRC连接的信令的应答信息，所以只需要PUCCH格式0或格式1即可。
- 由于格式0和1通过序列循环移位来实现多用户复用，所以在指示配置参数时，除了时频域资源相关的参数外，还需要指示循环移位大小。
4.2 用户级上行专有控制信道
对于UE专用的PUCCH配置，与小区级别PUCCH只有格式0和1不同的是，格式0-4五种不同的格式都可以支持，每种格式都有各自的特点，如时频域资源、多用户复用能力等，所以在参数配置时，每种格式的参数配置不尽相同。
每个UE至多配置4个resource set，第一个set内最多包含32个resource，且每个resource只能承载1-2bit的UCI信息；其余set内最多包含8个resource，且每个resource内可以承载多于2bit的UCI信息，最大数量由高层参数指示，缺省值为1706bit。
RRC连接一旦建立，高层会提供一个或多个PUCCH resource，每个resource中会包含下列参数：
- 参数pucch-ResourceId指示resource ID；
- 参数startingPRB指示第一个PRB的位置索引（如跳频则为第一hop内PRB索引）；
- 参数secondHopPRB指示跳频后第一个PRB位置索引；
- 参数intraSlotFrequencyHopping为时隙内跳频指示；
- 参数format指示PUCCH格式。
对于不同的格式，除了上述的参数外，还会有一些额外的参数需要指示
- 如果为format 0，则还要额外指示循环移位initialCyclicShift，符号数量nrofSymbols及起始符号startingSymbolIndex索引。
- 如果为format 1，除了上述参数外还是指示时域OCC，因为格式1的多用户复用能力来源于序列循环移位与时域OCC。
- 如果为format 2和3，其在频域上占用超过1个PRB，所以还要指示PRB数量nrofPRBs。
- 如果为format 4，其通过块式扩频支持多用户复用，所以还要提供一些OCC相关的参数。
一个UE至多可以配置4个PUCCH set，每个set都由参数PUCCH-ResourceSet提供，且与一个set ID对应。Set内包含由参数resourceList 提供的一系列resource。参数maxPayloadMinus1指示最大UCI信息bit数量。对于第一个set，最大UCI信息bit数量是2；其他的set所能承载的UCI信息bit的大小由参数指示。第一个set内的最大resource数量为32，其余set内最大为8.
Set的配置描述如下：
- 如果set ID为0，则指示第一set，包含1-2bit的应答信息；
- 如果set ID为1/2/3，则指示第二/三/四set，包含3-N2/3/4 bit的UCI信息，其中N2/3/4由参数maxPayloadMinus1指示，缺省值为1706；
标签：38,上行,UE,信道,序列,PUCCH,格式,UCI 来源： https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/113832283