[4G5G专题-39]：物理层-上行控制信道PUCCH与上行控制信息UCI

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目录

第1章 上行控制信道概述

1.1 PUCCH概述

1.2 上行控制信道PUCCH在物理层信道中的位置

1.3 PUCCH和PUSCH信道协同工作

第2章 上行控制信道传输的内容

2.1 UCI：SR，Scheduling Request for 业务数据

2.2 UCI: HARQ ACK/NACK

2.3 UCI: CSI，Channel State Information

第3章 上行控制信道的格式Format

3.1 什么是信道格式Format

3.3 Format0

3.4 Format1

3.5 Format2

3.6 Format3

3.7 Format4

第4章 PUCCH信道的种类与资源分配

4.1 PUCCH和PUSCH信道的时频资源

4.2 PUCCH无线资源的组织与共享方式

4.3 不同格式的RE资源

4.4 小区级上行公共控制信道PUCCH

4.5  PUCCH信道的序列化编码

4.6 用户级上行专有控制信道PUSCH

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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的能力

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不仅仅用于小区级上行公共控制信道，还用于UE级上行专有控制信道。

1.2 上行控制信道PUCCH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，可以通过PUCCH信道传送，也可以通过PUCCH信道传送！！！！

DMRS：Demodulatin Reference Signal，解调参考DMRS

1.3 PUCCH和PUSCH信道协同工作

•  PUCCH信道和PUSCH信道都可以用于传输CSI和HARQ信息，取决于基站给UE的分配上无线资源。UE在RRC连接之前，通过PUCCH信道传输这些信息，在RRC连接之后，通过PUSCH信道传输。
• 上行调度请求，仅限于PUCCH信道，在RRC连接之前
• 发送上行业务数据，仅限于PUSCH信道，在RRC连接之后
• 什么时候用PUCCH信道传送CSI和HARQ，取决于UE的状态和基站为UE分配的上行无线资源。
• PUCCH信道分布在整个频域带宽的两边，PUSCH分布在整个频域的中间。

备注：

为什么有两个途径传送上行控制信息呢？

这是因为，UE终端，并非时刻都需要上行的PUSCH中的专有信道，在UE还没有在PU-SCH信道上建立自己的专有信道之前，就需要通过PUCCH信道传送上行的控制信息！！

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。

2.1 UCI：SR，Scheduling Request for 业务数据

（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。

UE发送SR调度请求这个行为，可以通过PUCCH控制信道传输。

（2）与DCI的协作关系

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。

特别注意！！！！！！：

SR并非对多上行资源进行调度，而是上行调度请求的指示，仅仅是指示，不包含任何其他有效信息。

上行资源的调度，还是通过基站的PDCCH下行控制信道进行调度，通知UE如何使用上行的无线资源！！！包括PUCCH信道中共享控制区域的使用和PUSCH专有信道的使用。

（3）SR发送的时机

当UE已经组装了一个MAC层的PDU（手机侧上层有业务数据上传的需求）

• 如果已经有足够的PUSCH上行共享信道资源时：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。
• 如果无足够的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，会通过下行PDCCH信道发送DCI0，通知终端UE，已经分配的PUSCH信道资源。

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是指示先检错，然后纠错，最后再进行应答，相对于普通的ACK/NACK机制，这里增加了一个前向纠错FEC的功能。

（1）HARQ的基本原理如下：

• 在发送端，使用能够进行物理层“纠错编码”。

• 在接收端，使用FEC技术检错、纠错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）HARQ UCI的承载通道：

• 有上行的RRC连接（PUSCH专有信道）：    则通过PUSCH信道传送。
• 没有上行的RRC连接（PUSCH专有信道）：则通过PUCCH信道传送。。

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。

CQI非常非常重要，基站根据CQI信息选择合适的调度算法和下行数据块大小、调制方式等，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，听不听得清楚是由听众感知的，讲话者必须通过听众的肢体语言、面部语言、或文字语言的反馈才能知道。

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

CQI值越高，则信道质量越好！！！！

（2）RI：rank indication, MIMO秩指示 

RI用来指示手机能够接收下行PDSCH信道中有效数据的MIMO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，用于MIMO情形下，定义预编码矩阵的码本。

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PUCCH信道格式，是指PUCCH信道,在时域上占用多少个符号、在频域上占用多少子载波、通过什么编码方式承载要传输的UCI比特数据的一种约定。

（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（“码分复用”）
• （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解调参考信号在信道中的分布

（2）LTE支持的格式

（3）5G NR支持5种格式：

• 格式0： 时域上占用1-2个符号周期，该UCI信息需要信道传输的比特数<=2.
• 格式1： 时域上占用4-14个符号周期，该UCI信息需要信道传输的比特数<=2.
• 格式2： 时域上占用1-2个符号周期，该UCI信息需要信道传输的比特数>2.
• 格式3： 时域上占用4-14个符号周期，该UCI信息需要信道传输的比特数>2.
• 格式4： 时域上占用4-14个符号周期，该UCI信息需要信道传输的比特数>2.

（4）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。

3.3 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 PUCCH和PUSCH信道的时频资源

• 时域：PUCCH信道出现在上行子帧中的所有符号中
• 频域：PUCCH信道分布在整个带宽的两侧。
• 除了PUCCH和PRACH信道，其他的上行信道都是PU-SCH信道。
• UE使用PUCCH信道的哪个共享无线控制块是由基站通过下行控制信道PDCCH信道进行调度的。
• UE使用PUSCH信道的哪个专有无线资源块是由基站通过下行控制信道PDCCH信道进行调度的。

4.2 PUCCH无线资源的组织与共享方式

• PUCCH把整个行到划分为多个不同的PUCCH区域
• 每个PUCCH区域被多个不同的UE用户通过“码分多址“的方式共享
• UE用户通过下行的“RRC重配”消息，获得自身可以使用那个共享的PUCCH区域
• 每个区域能够被多少个UE用户复用（用户数），取决于传送的UCI的格式！！！

4.3 不同格式的RE资源

4.4 小区级上行公共控制信道PUCCH

在RRC建立之前，UE无法获取专用的PUSCH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PUSCH，则使用专有PUSCH。

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。

4.5  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QPSK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）。

4.6 用户级上行专有控制信道PUSCH

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；

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