控制信令

物理下行控制信道及信令

物理下行控制信道（PDCCH）

PDCCH 是 5G 下行链路中负责传输控制信息的关键信道，其传输由物理层生成的DCI（Downlink Control Infomation）。

终端接入 gNB时会被分配无线临时网络标识（Radio Network Temporary Identifier RNTI），用于区分不同终端的控制信令。

PDCCH采用采用极化码（Polar codes）进行信道编码，这是一种新型信道编码技术，能在信道容量逼近、抗干扰等方面表现出色。

控制资源集（CORESETs）

CORESET 的全称是Control Resource Set，是 PDCCH 的时频资源载体，即，在资源网格中，CORESET区域是供PDCCH使用的。如下图，资源网格在时域上时一个slot，频域上时载波带宽（CBW），CWB被分为多个BWP，CORSET就在这些BWP的头部。

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CORSET在时频域的大小和位置由网络半静态配置，其频域大小一定要小于载波带宽；每个带宽部分（BWP）最多可配置3 个 CORESET，终端仅需处理其激活的 BWP 内的 CORESET。

CORSET持续时间最长为3 个 OFDM 符号，一旦指定就大小固定，不会随时间动态变化；可位于一个时隙内的任意位置，通常在下行参考信号和关联数据之前；

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DCI只是CORESET中的一部分，但终端不知道 DCI 的具体位置、大小和类型（因为基站可能给不同终端在不同时频资源上发控制信令）。因此，终端需要把所有可能承载自身 DCI 的 PDCCH 实例都视为 “候选 PDCCH”，逐一尝试解码，这被称为盲解码。盲解码的搜索空间被限制在指定的CORESET内。

下行控制信息（DCI）的核心特征有：

  • DCI 大小：即 DCI 包含的比特数，不同的调度场景（如下行大流量调度、上行小数据包授权）需要的控制信息长度不同。
  • DCI 类型：对应具体的功能，比如用于下行数据调度的 DCI 类型、用于上行资源授权的 DCI 类型等

终端预先不知道 DCI 的大小和类型。因为基站会根据网络状态和终端业务，动态选择给终端发送的 DCI 格式，终端无法提前预判。但是码率必须已知才能正确解调解码 PDCCH 中的 DCI 信息。

终端通过CRC校验来判别这个DCI是不是给自己的，在基站发送时，会用终端的RNTI（无线临时网络标识）对 CRC 进行加扰，终端解码时，只有用自己的 RNTI 解扰后 CRC 校验通过。

DCI的类型

“fallback format（回退格式）” 是指一类功能受限但兼容性强、开销更小的控制信令格式

  • DCI format 1_1：非回退格式，支持 5G NR 所有基线特性，是最基础的下行调度 DCI 格式。
  • DCI format 1_0：回退格式，仅支持有限功能，因此尺寸更小（适用于简单调度场景，降低开销）。
  • DCI format 1_2（Rel 16）：为增强 URLLC（超可靠低时延通信）支持而设计，内容与 1_1 一致，但字段大小的可配置性更强（可根据业务需求灵活调整字段长度）。
  • DCI format 1_3（Rel 18）：用于通过单个 DCI 调度多个载波的下行传输（多载波聚合场景，提升调度效率）

下图是信令表

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  • DCI format 0_1：非回退格式，支持 5G NR 所有基线特性，是基础的上行调度 DCI 格式。
  • DCI format 0_0：回退格式，仅支持有限功能，尺寸更小（适用于简单上行授权场景）。
  • DCI format 0_2（Rel 16）：为增强 URLLC 支持而设计，字段大小的灵活性更高（可适配 URLLC 对低时延、高可靠的资源调度需求）。
  • DCI format 0_3（Rel 18）：用于通过单个 DCI 协同调度最多 4 个载波的上行传输（多载波聚合上行场景，提升资源利用率）。

下图是信令表：

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下行控制信令

时域资源信令（Signalling of Time-Domain Resources）

时域资源信令用于指示终端在何时（哪个时隙、哪些 OFDM 符号）传输或接收数据。

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  • Slot offset：时隙偏移，即从当前时隙开始，偏移多少个时隙后开始PDSCH传输；如果它是0的话，表明数据和DCI在同一时隙中进行传输；1的话就是下一个时隙。
  • Start symbol：PDSCH在时隙内的起始 OFDM 符号位置；
  • Length：传输持续的OFDM 符号长度；
  • PDSCH mapping type：PDSCH的映射类型（如类型 A、B，对应不同的资源映射规则）；

频域资源信令（Signalling of Frequency-Domain Resources）

频域资源信令用于指示终端在 哪个频率资源块（RB）传输或接收数据，分为三种分配类型，且支持灵活配置：

  • Type 0（bitmap方式）：最灵活的分配方式。用一个 “bitmap” 表示带宽部分（BWP）内的资源块，每一位对应一个 RB（1 表示占用，0 表示不占用）。例如，若 BWP 有 24 个 RB，位图长度为 24，可精确指示任意 RB 组合。
  • Type 1（ start position and length方式）：不依赖位图，通过 “起始位置（Start）” 和 “长度（Length）” 来编码资源分配。例如，“起始位置 3，长度 7” 表示占用 RB 3~9，这种方式开销更小。
  • Type 2（Rel-16 引入）：为支持上行交织资源分配而设计，适配 URLLC 等对资源灵活性的需求。

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频域资源的分配方案可以被配置为type0,1,2或在0和1之间动态选择。对于回退(fallback)DCI，只支持type1。

物理上行控制信道及信令

物理上行控制信道（PUCCH）用于传输上行控制信令（Uplink Control Information UCI）。上行控制信令的作用是终端向基站反馈信息、请求资源等。

上行链路的物理层（L1）和MAC层（L2）信令的主要作用是：

  • 混合自动重传请求（HARQ）确认：对下行 DL-SCH 传输块的接收反馈（如是否正确接收数据）。
  • 信道状态信息（CSI）：反映下行信道条件，用于辅助基站下行调度（包括多天线和波束赋形方案）。
  • 调度请求（SR）：终端请求上行资源以传输 UL-SCH 数据的信令。

上行控制信息（UCI）可通过两种方式传输：

  • 独立传输：在物理上行控制信道（PUCCH） 上发送；
  • 与数据复用：在 物理上行共享信道（PUSCH）中与上行数据一起传输。

其中PUCCH 是专门用于传输 UCI 的信道，PUCCH中为UCI规定了多种格式：

  • 短格式（最多占用 2 个 OFDM 符号）：
    • 格式 0：最多传 2 比特，占用 1 或 2 个 OFDM 符号（如单比特 HARQ 确认、调度请求）。
    • 格式 2：可传超过 2 比特，占用 1 或 2 个 OFDM 符号（如 CSI 报告、多比特 HARQ 确认，或载波聚合 / 多 CC 场景的 CBG（码块组）重传反馈）。
  • 长格式（4-14 个 OFDM 符号）：
    • 格式 1：最多传 2 比特。
    • 格式 3、4：可传超过 2 比特，3和4的差异在于使用同一时频资源的设备数量。

多天线传输

多天线技术通过在发射端和 / 或接收端部署多根天线，实现三大关键能力：

  • 抗衰落分集：利用多天线的空间分集特性，降低信道衰落对信号的影响，提升传输可靠性。
  • 波束赋形（方向性）：将发射功率集中到特定方向，增强目标终端的信号强度，同时降低对其他方向的干扰。
  • 空间复用(spatial multiplexing)：在同一时频资源上并行传输多个 “层（layers）” 的数据。用人话说，就是把一个该高速数据流拆分成几个低速数据流，然后每个天线传输一个低速数据流。在接收端再用数学方法把每个天线的数据分离。

多天线带来的能力中：对于高频信号，波束赋形是最重要的，因为高频信号受到功率制约比带宽制约更大；而空间复用对于低频信号来说更重要，低频信号受到带宽制约为主。

在P2-2中，已经介绍过多天线处理的3中基本架构：模拟、数字、混合。

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对于数字多天线处理来说，它是把数据线针对于每个天线预编码了，传输矩阵W就被称为 precoder matrix

下行传输与下行预编码

基站基于终端通过CSI-RS测量并上报的信道状态信息（CSI）来选择预编码矩阵；终端通过 DM-RS 估计信道，实现对数据的相干解调。

信道状态信息（CSI）

CSI 报告的组成：

  • 秩指示（Rank Indicator RI）：指示终端认为适合的传输秩（即并行传输的层数 / 空间复用的流数 / NL）。
  • 预编码矩阵指示（precoder-matrix indicator PMI）：指示终端认为适合的预编码矩阵（基于选定的秩）。
  • 信道质量指示（channel-quality indicator CQI）：指示终端认为适合的信道编码率和调制方式（基于选定的预编码矩阵）。

两类CSI

5G NR定义了两种CSI，他们在预编码码本结构和大小上有所不同

Type-I CSI：

  • 适用场景：单用户调度（无 MU-MIMO）、大层数并行传输（高阶空间复用）。
  • 特点：码本结构相对简单。

Type-II CSI：

  • 适用场景：多用户调度（MU-MIMO）、每用户较少空间层数。
  • 特点：码本结构更复杂，支持更精细的信道建模。

两类 CSI 都分为 “单面板（single-panel）” 和 “多面板（multi-panel）”，适配不同的天线配置（如单天线面板 vs 多天线面板）。

在 5G 多天线技术中，码本（Codebook） 是实现信道状态信息（CSI）量化与预编码矩阵选择的核心工具。它将复杂的无线信道参数（如信号衰减、相位偏移）转化为标准化数字码；用紧凑的码本替代原始海量信道数据，减少终端与基站间的通信负担。

在5G中，CSI Type I 和 II 各有面向单面板（single panel）和多面板（multiple panel）的两种码本。这里的面板指的是天线面板。

Type-I Single-Panel CSI Codebooks（Type-I 单面板 CSI 码本）

天线假设：基于N₁×N₂的双极化天线单元（N₁ 代表水平方向的双极化天线数目，N₂ 代表垂直方向的双极化天线数目），每极化的天线单元对应 CSI-RS 天线端口，因此总天线端口数P_CSI-RS = 2×N₁×N₂

由于5G最多支持 32 个 CSI-RS 端口，必须满足N₁×N₂≤16，即，天线的数量不能超过16。

预编码矩阵分解：码本中的预编码矩阵W可分解为W = W₁W₂：

  • W₁：捕获信道的长期、频率无关特性，只需在宽带上报一次。
  • W₂：捕获信道的短期、频率相关特性，需在子带级上报（子带 subband 是总带宽的一部分）。

波束与空间复用：W₁可视为 “不同方向的波束集合”，支持最多 8 层空间复用。

Type-I Multiple-Panel CSI Codebooks（Type-I多面板 CSI 码本）

核心原理：与单面板 CSI 一致，仅适配多面板的天线结构。

波束与空间复用：支持最多 4 层空间复用（少于单面板，因多面板场景更侧重波束赋形而非大层数复用）。

Type-II CSI Codebooks（Type-II CSI 码本）

Type-II CSI 码本针对MU-MIMO 和精细信道建模场景，特点如下：

  • 空间粒度：比 Type-I CSI 高得多，能捕捉信道的 “主径（main rays）” 及其幅度、相位信息。
  • 预编码矩阵分解：同样采用W = W₁W₂的形式：
    • W₁：定义一组波束（作为 预编码矩阵指示 （PMI） 的一部分上报，Rel-15 中L=2或L=4）。
    • W₂：为选定的波束提供幅度（部分宽带、部分子带上报）和相位（子带级上报）信息。
  • 秩支持：Rel-15 中最大传输秩为 2，Rel-16 扩展到 4。

Enhanced Type-II CSI (Rel 16) Codebooks（Rel-16 增强型 Type-II CSI 码本）

Rel-16 对 Type-II CSI 进行了增强，以降低开销并提升精度：

  • 核心原理：与 Rel-15 Type-II CSI 一致，但通过频率域相关性减少上报开销。
  • 增强特性：
    • 频率域粒度提升 2 倍：PMI 上报的频率精度更高。
    • 频率域单元（FD unit）：将带宽划分为子带或半子带，结合压缩操作，实现 “每 FD 单元一个预编码建议”（Rel-15 是每子带一个）。

上行传输及预编码

上行传输中，有基于码本和不基于码本两种形式。

对于基于码本的传输，网络（基站）基于SRS决定上行传输的秩（Rank，即层数）和预编码矩阵，基站将选定的秩和预编码矩阵通过DCI中的上行调度授权（Uplink Scheduling Grant）告知终端。下图就是个例子：

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首先，UE对基站发送SRS，基站根据SRS告诉UE传输Rank为4和SIR为2（SRS Resource Indicator，探测参考信号资源指示，SIR为2代表使用编号为2的SRS资源对应的波束），然后UE秩 4 的预编码传输 PUSCH

对于不基于码本的传输，终端主导的预编码决策机制，终端基于下行信道测量（CSI-RS）选预编码，自主选择多个预编码矩阵（即 “波束”，如下图中的(\vec{w_0}, \vec{w_1}, \vec{w_2}, \vec{w_3})），并为每个预编码波束发送对应的SRS（探测参考信号），将这些预编码和 SRS 的信息反馈给基站。基站基于终端上报的预编码和 SRS 信息，选择最优的预编码波束组合，并通过上行调度授权（Scheduling Grant）将选择结果告知终端。最后使用它们进行传输

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上行功率及时机控制

上行功率控制

上行功率控制核心目的是让基站以合适功率接收信号，同时避免不必要的上行干扰。NR 上行功率控制基于开环控制 + 闭环控制的组合：

  • 开环功率控制：终端基于下行测量估计上行路径损耗（PL），并据此调整发射功率。
  • 闭环功率控制：基站基于上行功率的测量结果，向终端发送显式功率控制指令，终端再调整功率

以 PUSCH（物理上行共享信道）为例，功率计算公式为：

这个公式不要求记，如果需要会给

  • (P_{\text{PUSCH}})：PUSCH 发射功率；
  • (P_{\text{CMAX}})：每载波最大允许发射功率；
  • (P_0(j))：网络配置的目标接收功率；
  • (\alpha(j))：分数路径损耗补偿参数（≤1）；
  • (PL(q))：上行路径损耗估计；
  • (\mu)：子载波间隔（(\Delta f = 2^\mu \cdot 15) kHz）；
  • (M_{\text{RB}})：PUSCH 分配的资源块数；
  • (\Delta_{\text{TF}})：与调制编码方式相关的功率调整；
  • (\delta(l))：闭环功率控制的功率调整量。

基于波束的功率控制（Beam based Power Control）

为适配多波束场景，功率控制引入路径损耗与波束的关联机制：

  • 基站配置多组下行参考信号（CSI-RS 或 SS block），每组参考信号关联一个路径损耗估计值(PL(q))（q最多为 4）。
  • 终端通过调度授权中的 SRI（SRS 资源指示），将上行传输的波束与对应的(PL(q))映射，从而基于波束特异性的路径损耗调整发射功率。

如下图所示，当 SRI=1 时，PUSCH 传输基于(PL(1))；当 SRI=2 时，基于(PL(2))，实现不同波束下的精准功率控制。

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上行时机控制用于对齐不同终端的上行符号到达时间，避免多用户干扰，核心机制是定时提前（Timing Advance, TA）。

不同终端的上行符号到达时间不同是因为：不同终端与基站的距离不同，上行信号到达基站的时间存在差异。若不对齐，不同终端的上行符号会相互干扰。

在OFDM中，如果两个用户的信号到达时间是相同的，那么信号仍有正交性。如果出现微小的时差，正交性就会被破坏，这样会带来大量噪声。因此需要确保 “上行时隙边界” 和 “上行符号” 在时间上对齐，保证多用户调度的可靠性。

定时提前（TA）：

  • 基站基于对上行信号的测量（如探测参考信号SRS，原则上任何上行信号都可以），计算每个终端的定时提前量，并通过信令告知终端。
  • 终端根据 TA 调整上行传输的时间，使信号 “提前发射”，最终让不同终端的上行符号同时到达基站。

P2-3小练习

What kind of error correcting codes are used in control channels? （d，控制信道采用极化码）

  • a. Convolutional
  • b. Hamming
  • c. LDPC
  • d. Polar

The CRC of a device’s DCI is scrambled using what? （c，设备 DCI 的 CRC 由 RNTI 加扰，设备通过自己RNTI解扰来确定是发给自己的）

  • a. CORESET number
  • b. DCI format number
  • c. RNTI
  • d. channel bandwidth

DCI is used for? （d，DCI 用于下行调度、上行调度、BWP 指示等。注意，DCI虽然是Downlink Control Information，但是它需要承担上行调度授权（给终端分配上行资源，让终端知道何时、用哪些资源发上行数据））

  • a. DL scheduling
  • b. UL scheduling
  • c. BWP indicator

  • d. All of the above

    Which of the following are used for signalling frequency domain allocation? （a，频域分配信令可以采用位图方式，b错在是start position and length）

  • a. Bitmap

  • b. End position and length
  • c. Table
  • d. None of the above

Which of the following reference signal is used for demodulating received signals? （c，CSI-RS是下行信道状态信息参考信号（下行状态），SRS是上行信道探测参考信号（上行状态），PRS是定位参考信号，DM-RS是解调参考信道）

  • a. CSI-RS
  • b. PRS
  • c. DM-RS
  • d. SRS

Which RS is used to track phase variations? （b，PT-RS 是Phase Tracking RS）

  • a. DM-RS
  • b. PT-RS
  • c. CSI-RS
  • d. SRS

How many beams can analog beamforming support at any one time? （a，模拟波束赋形同一时间仅支持 1 个波束）

  • a. 1
  • b. 2
  • c. 3
  • d. 4

2. How many different main types of uplink power control are there? （b，上行功率控制主要有开环和闭环两种类型）

  • a. 1
  • b. 2
  • c. 3
  • d. 4

3. Which of the following are not part of a CSI report? （d，CSI 报告包含 RI（Rank Indicator）、PMI（Precode-Matrix Indicator）、CQI（Channel-Quality Indicator），SRS 是探测参考信号，不属于 CSI 报告）

  • a. RI
  • b. PMI
  • c. CQI
  • d. SRS

4. What is the maximum number of antenna elements supported by single panel CSI codebooks? （d，单面板 CSI 码本支持的天线单元数最大为 16）

  • a. 2
  • b. 4
  • c. 8
  • d. 16

5. Which indicator is used to signal the uplink beam or codebook? （c，SRI（SRS Resource Indicator） 用于指示上行波束或码本）

  • a. CSI
  • b. CQI
  • c. SRI
  • d. PMI