第2章 5G 系统设计架构与标准体系
2.1 5G 系统网络架构
2.2 无线接口
5G 系统的无线接口继承了 LTE 系统的说法，即将终端和接入网之间的接口仍简称为 Uu 接口，也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。5G 新空口技术中，无线接口是终端和 gNB 之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能
够互相通信。
无线接口协议栈主要分三层、两面，三层包括物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3），两面是指控制平面和用户平面。本节对物理层、数据链路层和网络层基本功能相关内容进行一些讨论。更详细的内容在第 8 章中进行介绍。
2.2.1 物理层
物理层位于无线接口最底层，提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。本节重点介绍传输信道的类型、定义以及传输信道到物理信道的映射关系，有关物理层更详细的设计将在后续章节展开。
物理层为 MAC 层和高层提供信息传输的服务，其中，物理层提供的服务通过传输信道来描述。传输信道描述了物理层为 MAC 层和高层所传输的数据特征。
- 下行传输信道类型
下行传输信道类型分为 3 种，与 LTE 系统相比少了多播信道。未支持多播信道的原因主要在于多播业务相对其他业务优先级较低，未获得足够运营商的支持。虽然多播信道未在 R15 进行支持，但是在 5G 后续版本演进中根据业务需求还有可能引入。各信道
的传输特点如下。
（1）广播信道（BCH，Broadcast Channel）
该信道采用固定的预定义传输格式，并且能够在整个小区覆盖区域内广播。
（2）下行共享信道（DL-SCH，Downlink Shared Channel）
该信道使用 HARQ 传输，能够调整传输使用的调制方式、编码速率和发送功率来实现链路自适应，能够在整个小区内发送或使用波束赋形发送，支持动态或半静态的资源分配方式，并且支持终端非连续接收，以达到节电的目的。
（3）寻呼信道（PCH，Paging Channel）
该信道支持终端非连续接收以达到节电的目的（非连续接收周期由网络配置给终端），并且要求能在整个小区覆盖区域内传输，使用映射到可用于动态使用的业务或者其他的控制信道的物理资源上。
- 上行传输信道类型
上行传输信道类型分为两种，各信道的传输特点如下。
（1）上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）
该信道可以使用波束赋形和自适应调制方式/编码速率/发送功率的调整，支持 HARQ传输，采用动态或半静态的资源分配方式。
（2）随机接入信道（RACH，Random Access Channel）
该信道承载有限的控制信息，并且具有冲突碰撞的特征。
- 传输信道到物理信道映射
NR 定义的物理信道包括以下内容。
① 物理广播信道（PBCH），承载部分系统消息，与同步信号一起提供终端接入网络的必要信息。PBCH 和同步信号一起也被称为下行同步信道。
② 物理下行链路控制信道（PDCCH），用于下行控制信息发送，主要承载调度相关信息。提供 PDSCH 接收和 PUSCH 发送的必要信息；向 UE 提供帧结构配置；向 PUCCH、PUSCH 和 SRS 发送功率控制消息；指示 UE 被调度 PDSCH 所占用的资源。
③ 物理下行链路共享信道（PDSCH），发送下行数据，也承载寻呼信息及部分系统信息的发送。
④ 物理随机接入信道（PRACH），用于随机接入。
⑤ 物理上行链路控制信道（PUCCH），发送上行控制信息。用于终端发送 HARQ消息，指示下行数据是否接收成功；发送信道状态信息（CSI）报告辅助下行链路调度；发送上行链路发送数据请求。
⑥ 物理上行链路共享信道（PUSCH），上行数据传输信道，也可以承载部分上行控制信息的发送。传输信道与物理信道的映射关系如图 2.3 和图 2.4 所示。对于下行，BCH 信息直接映射到 PBCH 上进行发送；PCH 和 DL-SCH 信息映射在 PDSCH 上进行发送。对于上行，RACH 信息映射到 PRACH 信道进行发送；UL-SCH 信息映射到 PUSCH 上进行发送。
物理层数据传输基本过程如图 2.5 所示。BCH、PCH、DL-SCH 和 UL-SCH 的数据在转换为物理层发送数据之前，都需要加入 CRC 保护，以便支持一次校验和重传，保护数据可靠性。物理层需要发送的数据，除了 PRACH 信道外，都要经过编码和速率匹配、调制、资源映射和天线映射几个步骤，然后进行空口的实际发送。在接收端，与发送端对应，需要进行多天线接收和解调、解码等过程。随机接入信道发送通过发送一系列的PRACH 前导实现（具体设计见 3.2 节）。
物理层还包括一系列参考信号，如下。
① DM-RS（Demodulation reference signal），解调参考信号。
② PT-RS（Phase-tracking reference signal），相位跟踪参考信号。
③ SRS（Sounding reference signal），上行探测参考信号。
④ CSI-RS（Channel-state information reference signal），信道状态参考信号。
⑤ PSS（Primary synchronization signal），主同步信号。
⑥ SSS（Secondary synchronization signal），辅同步信号。
2.2.2 数据链路层
数据链路层包括媒体接入控制（MAC，Medium Access Control）、无线链路控制（RLC，Radio Link Control）、分组数据汇聚协议（PDCP，Packet Data Convergence Protocol）和服务数据调整协议（SDAP，Service Data Adaptation Protocol）4 个子层。相比于 LTE，NR 额外引入了 SDAP 层。引入 SDAP 层主要是因为 NG 接囗基于 QoS 流控制，而空口是基于用户面的数据无线承载（DRB）控制，两者之间需要一个适配层；而在 LTE 中EPS 承载和 DRB 承载一一对应，不需要进行适配。SDAP 层位于用户面，而其他数据链路层的 3 个子层同时位于控制平面和用户平面。SDAP 层在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护，在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC，Radio Resource Control）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。
图 2.6 和图 2.7 分别给出了下行和上行数据链路层的架构。其中层与层之间的连接点称之为服务接入点（SAP，Service Access Point）。物理层为 MAC 子层提供传输信道级的服务，MAC 子层为 RLC 子层提供逻辑信道级的服务，PDCP 子层为 SDAP 层提供无线承载级的服务，SDAP 层为上层提供 5GC QoS 流级的服务。MAC 子层负责多个逻辑信道到同一传输信道的复用功能。无线承载分为两类：用户面的 DRB 和控制面的信
令无线承载（SRB）。上行架构和下行架构的区别主要在于：下行反映网络侧的情况，需要进行多个用户的调度优先级处理；而上行反映终端侧的情况，只进行单个终端的多个逻辑信道的优先级处理。各层详细介绍在 8.2 节给出。
2.2.3 RRC 层
RRC 协议模块功能如下。
- 发送系统信息广播（NAS 层相关和 AS 层相关）消息。
- 发送由核心网 5GC 和接入网 NG-RAN 发起的寻呼消息。
- UE 和 NG-RAN 之间的 RRC 连接的建立、维护和释放。
- 安全功能密钥管理。
- 无线承载管理（包括建立、配置、维护和释放信令无线承载和用户无线承载）。
- 移动性管理（包括切换、UE 小区选择和重选、切换时候上下文传输）。
- QoS 管理。
- UE 测量报告和控制。
- 无线链路失败的检测和恢复。
- NAS 消息的传输。
在 5G 系统中，RRC 的协议状态为 3 个：RRC 空闲状态、RRC 非激活状态、RRC 连接状态。其中 RRC 非激活状态为 5G 系统相对于 LTE 新引入的状态。引入 RRC 非激活状态主要考虑为了在该状态下 UE 可以进行节能操作。每个状态下的特征见表 2.1。各种状态的关系在 8.2.1 节第 1 部分中给出。