5G-NR-PUCCH学习

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《咒术回战》 - 虎杖悠仁

1 PUCCH 信道

1.1 概述

NR 中PUCCH物理信道是用来发送上行控制信息 Uplink Control information (UCI) (UCI 也可以在PUSCH信道上发送)，UCI的内容包括：信道状态信息CSI，HARQ的ACK/NACK，调度请求Scheduling Request（SR）及组合信息。

1.2 低PAPR序列

PUCCH的序列生成及PUCCH DMRS都涉及低PAPR序列。其中除了format 2之外其他的格式都要涉及低PAPR序列。

$$
r_{u,v}^{(\alpha,\delta)}(n) = e^{j \alpha n}\overline r_{u,v}(n) , \quad 0 \leq n \leq M_{ZC}-1\M_{ZC} = mN_{sc}{RB}/2{\delta}\u \in {0,1,…,29}\(v=0)\quad1/2\leq m/2^\delta \leq 5\(v=0,1)\quad 6\leq m/2^\delta \quad\quad
$$

1.2.1 基序列生成

基序列的生成方式与序列长度有关：
$36 \leq M_{ZC}$:
$$
\overline r_{u,v}(n)=x_q(n\cdot modN_{ZC})\x_q(m) = e^{-j\frac{\pi qm(m+1)}{N_{ZC}}}\q = \lfloor \overline q +1/2\rfloor+v\cdot(-1)^{\lfloor 2\overline q \rfloor}\\overline q = N_{ZC}\cdot (u+1)/31\ max\quad prime\quad number\quad N_{ZC}<M_{ZC}
$$

$M_{ZC} \in {6,12,18,24}$ ：可查表[TS 38.211 Table 5.2.2.2-1~4]，来确定$\varphi(n)$
$$
\overline r_{u,v}(n) = e^{j \varphi(n) \pi /4} , \quad 0 \leq n \leq M_{ZC}-1
$$

$M_{ZC} = 30$:
$$
\overline r_{u,v}(n) = e^{-j\frac{\pi(u+1)(n+1)(n+2)}{31}},0\leq n\leq M_{ZC}-1
$$

1.2.2 Group and sequence hopping

对于PUCCH format 0/1/3/4使用Low PAPR sequence，其中的u和v取决于配置pucch-GroupHopping。

1
2
pucch-GroupHopping			ENUMERATED{neither,enable,disable},
hoppingId					INTEGER(0...1024)

其中的 hoppingId 配置的是 $n_{ID}$ , 如果未配置，则 $n_{ID} = N_{ID}^{cell}$

$u=(f_{gh}+f_{ss})mod30$

当 pucch-GroupHopping = neither：
$$
f_{gh} = 0,f_{ss} = n_{ID} mod 30,v = 0
$$

当 pucch-GroupHopping = enable：
$$
f_{gh} = (\sum_{m = 0}{7}2mc(8(2n_{s,f}^\mu+n_{hop})+m))mod30\f_{ss} = n_{ID} mod 30\v = 0\c_{init} = \lfloor n_{ID}/30 \rfloor
$$

当 pucch-GroupHopping = disabled：
$$
f_{gh} = 0\f_{ss} = n_{ID} mod 30\v = c(2n_{s,f}{\mu}+n_{hop})\c_{init}=25\lfloor n_{ID}/30 \rfloor+(n_{ID}mod30)
$$

其中：$n_{s,f}^{\mu}$ 为无线帧时隙号，跳变与否要看序列长度决定，短序列$: v = 0$ ； 长序列$:v=0,1$

注意：PUCCHGroupHopping意味着基序列组和序列的跳变，而非跳频。

1.2.3 循环移位 $\alpha$

$$
r_{u,v}{(\alpha,\delta)}(n)=e{j \alpha n}\overline r_{u,v}(n)\\alpha_l=\frac{2\pi}{N_{sc}{RB}}((m_0+m_{cs}+n_{cs}(n_{s,f}{\mu},l+l’))modN_{sc}{RB})\n_{cs}(n_{s,f}{\mu},l) = \sum_{m = 0}{7}2m c(14 \cdot 8n_{s,f}^{\mu}+8l+m)\c_{init} = n_{ID}
$$

其中

  • $m_0$ - PUCCH format 0/1：由 initialCyclicShift 给出，PUCCH format 3 : $m_0 = 0$，PUCCH format 4 由38.211 Table 6.4.1.3.3.1-1确定。
  • $m_{cs}$ - PUCCH format 0：根据HARQ应答信息确定，PUCCH format 1/3/4 ：$m_{cs} = 0$

1.2.4 应用

在PUCCH应用中的大致流程如下，通过参数生成低PAPR序列，其长度取决于PUCCH映射到频域的PRB数，不同时域应用的是不同循环移位的低PAPR序列。

1.3 PUCCH format

NR中支持5种格式PUCCH，根据PUCCH信道占用时域符号长度分为

  • 短PUCCH：1-2个符号，PUCCH format 0，PUCCH format 2 能够支持更快捷的HARQ 应答/信道状态反馈，可用于超低时延场景
  • 长PUCCH：4-14个符号，PUCCH format 1，PUCCH format 3，PUCCH format 4

PUCCH 信道格式定义

PUCCH formatlength in OFDM sysbols
$N_{symb}^{PUCCH}$		Number of bits
01 - 2$\leq 2$
14 - 14$\leq 2$
21 - 2$> 2$
34 - 14$> 2$
44 - 14$> 2$

  • 长格式 PUCCH format 1，3，4 可以支持时隙内和时隙间跳频

  • 短格式 PUCCH format 0，2 可以支持时隙内跳频（2个符号时）

当使用时隙内跳频时，第一跳($1^{st}hop$)发送的符号的数位$\lfloor N_{symb}^{PUCCH}/2 \rfloor$，其余的为第二跳。

在一个时隙内，可以发1 - 2 个PUCCH，至少有一个PUCCH 0 或者PUCCH 2

1.3.1 format 0

1.3.1.1 序列生成

PUCCH 0 用于发送HARQ的ACK/NACK反馈，也可以携带SR信息。
PUCCH 0 发送的信息bit为1或者2（对应调度的PDSCH信道的两个Codeword时，也就是对应两个独立的可调制的数据块流）。
PUCCH 0 在频域上占用一个RB，在时域上占用1-2个符号。没有DMRS。
如下图所示：

PUCCH 0 高层相关配置参数：

1
2
3
4
5
PUCCH-format0 ::=		SEQUENCE{
	initialCyclicShift		INTEGER(0..11),  //初始循环移位
	nrofSymbols				INTEGER(1..2),	//符号个数
	startingSymbolIndex		INTEGER(0..13)	 //开始符号索引，时隙内任意位置
}

NR中，使用PUCCH 0 发送ACK/NACK反馈（0-NACK，1-ACK）时，信息bit不需要经过编码→调制→映射到物理资源的过程。
通过ACK和NACK信息来选择PUCCH序列循环移位表示, 见[TS 38.213 Table 9.2.3-3(4)]:

HARQ-ACK Value01
Sequence cyclic shift$m_{cs}=0$$m_{cs}=6$
HARQ-ACK Value{0,0}{0,1}{1,1}{1,0}
Sequence cyclic shift$m_{cs}=0$$m_{cs}=3$$m_{cs}=6$$m_{cs}=9$

当PUCCH format 0,如果在一个时隙内，同时传输HARQ-ACK与SR请求时候$m_{cs}$也由HARQ-ACK bit的内容确定，但是其取值和上述表格不同，通过$m_{cs}$的取值，网络就能识别PUCCH format 0上是否同时包含了SR请求。

HARQ-ACK Value01
Sequence cyclic shift$m_{cs}=3$$m_{cs} = 9$
HARQ-ACK Value{0,0}{0,1}{1,1}{1,0}
Sequence cyclic shift$m_{cs}=1$$m_{cs}=4$$m_{cs}=7$$m_{cs}=10$

initialCyclicShift 决定参数 $m_0$。

1.3.1.2 资源映射

$$
x(l\cdot N_{sc}{RB}+n)=r_{u,v}{(\alpha,\delta)(n)}\n = 0,1,…,N_{sc}^{RB}-1\l = \begin{cases} 0 \quad\quad for\quad single\quad symbol\quad PUCCH\quad transmision\0,1 \quad for\quad double\quad symbol\quad PUCCH\quad transmision \end{cases}
$$

映射顺序先频域 $k$，在时域 $l$。
PUCCH 0/1/2/3/4 使用的天线端口都是 $p = 2000$

1.3.2 format 1

1.3.2.1 序列生成

PUCCH 1 属于长PUCCH，在时域占用符号个数4-14个，承载的信息bit最多2个，用于HARQ的ACK/NACK反馈，也可以携带SR（Scheduling Rquest，调度请求机制）信息。PUCCH 1 在频域上占用1个RB。如下图所示：

PUCCH 1 高层相关配置参数

1
2
3
4
5
6
PUCCH-format 1::=			SEQUENCE{
	initialCyclicShift		INTEGER(0..11),	 //初始循环移位
	nrofSymbols				INTEGER(4..14),	 //符号个数
	startingSymbolIndex		INTEGER(0..10),  //开始符号索引
	timeDomainOCC			INTEGER(0..6)    //时域OCC配置
}

PUCCH 1 的ACK/NACK反馈信息 1或者2 bits --1 表示ACK，0表示NACK；分别采用 $\pi / 2$ BPSK (1 bit) 和 QPSK （2 bits）调制，调制后为一个复值符号。
PUCCH 1 使用的序列和PUCCH 0 一样 $r_{u,v}^{(\alpha , \delta)}(n) = e^{j \alpha n} \cdot \overline r_{u,v}(n),0 \leq n < M_{ZC}$，同样支持pucch-GroupHopping 配置。
调制后的复值符号，映射到序列后 $y(n) = d(0)\cdot r_{u,v}^{(\alpha , \delta)}(n)$。

1.3.2.2 正交序列及资源映射

和 PUCCH 0不同的是，PUCCH 1支持基于时域正交序列的复用。
$$
z(m’N_{sc}{RB}N_{SF,0}{PUCCH,1}+mN_{sc}^{RB}+n)=w_i(m)\cdot y(n)\n = 0,1,…,N_{sc}^{RB}-1\m = 0,1…,N_{SF,m’}^{PUCCH,1}-1\m’=\begin{cases} 0 \quad\quad no\quad intra-slot\quad frequencyhopping\0,1 \quad intra-slot\quad frequencyhopping\quad enabled \end{cases}
$$
其中：

  • $z(n)$映射到物理资源
  • 正交序列$w_i(m)$ 取决于[TS 38.211 Table 6.3.2.4.1-1~2]，下标$i$ 由 timeDomainOCC 决定。

![](5G-NR-PUCCH学习/t1-211 6.3.2.4.1-1.png)

![](5G-NR-PUCCH学习/t2-211 6.3.2.4.1-2.png)

1.3.2.3 DMRS

$$
z(m’N_{sc}{RB}N_{SF,0}{PUCCH,1}+mN_{sc}^{RB}+n)=w_i(m)\cdot r_{u,v}^{(\alpha,\delta)}(n)\n = 0,1,…,N_{sc}^{RB}-1\m = 0,1…,N_{SF,m’}^{PUCCH,1}-1\m’=\begin{cases} 0 \quad\quad no\quad intra-slot\quad frequencyhopping\0,1 \quad intra-slot\quad frequencyhopping\quad enabled \end{cases}
$$
DMRS生成方式和format 1 基本相同，但有两处差别：

  • 正交序列后乘的直接是低PAPR序列，而不是复值块d(0)
  • $N_{SF,m’}^{PUCCH,1}$ 定义的表格略有不同，DMRS采用的是[TS 38.211 Table 6.4.1.3.1.1-1]

![](5G-NR-PUCCH学习/t2-211 6.4.1.3.1.1-1.png)

DMRS资源映射：
$$
\alpha_{k,l}^{p,\mu} = \beta_{PUCCH,1}Z(m)\l=0,2,4…
$$
由此可知，format 1 DMRS映射在偶数符号位置，从符号0开始，结束位置和配置的PUCCH 1符号个数相关。

1.3.2.4 应用举例

参数配置如下：

1
2
3
4
nrofSymbols = 8；
no intra-slot frequencyhopping;
intra-slot frequencyhopping enabled;
timeDomainOCC = i (具体看表格选取)
  1. 非时隙内跳频

  1. 时隙内跳频

1.3.3 format 2

PUCCH 2 在时域上占用1-2个符号，在频域上可以占1-16个RB。PUCCH 2时域符号少，适合用于低时延场景，支持较大信息量的UCI，其时频域资源如下图所示：

format 2 高层相关配置参数如下:

1
2
3
4
5
PUCCH-format 2::=			SEQUENCE{
	nrofPRBs				INTEGER(1..16)	 //PRB数
	nrofSymbols				INTEGER(1..2),	 //符号个数
	startingSymbolIndex		INTEGER(0..13),  //开始符号索引
}

1.3.3.1 数据处理

PUCCH format 2数据在[TS 38.211]的处理过程，先进行加扰，调制，然后进行时频映射。
1. 加扰
编码后的bits流： $b(0),…,b(M_{bit}-1)$，$M_{bit}$ 为编码后bits长度
加扰公式定义如下：
$$
\widetilde b(i) = (b(i)+c(i))mod2\c_{init} = n_{RNTI}\cdot 2^{15}+n_{ID}
$$
其中$n_{ID}\in {0,1,…,1023}$

  • 由 dataScramblingIdentityPUSCH 配置
  • 否则，$n_{ID}=N_{ID}^{cell}$

加扰后的输出bits流 ：$\widetilde b(0),…,\widetilde b(M_{bit}-1)$

2. 调制
加扰后的输出bits流：$\widetilde b(0),…,\widetilde b(M_{bit}-1)$，进行QPSK调制。
输出复值符号：$d(0),…,d(M_{symb}-1),M_{symb} = M_{bit}/2$

3. 映射
映射到物理资源，按照先频域$k$，在时域$l$ 的顺序，不能使用DMRS资源。参考下文DMRS的映射图示。

1.3.3.2 DMRS

PUCCH format 2 DMRS序列使用的不是低PAPR序列，所以PUCCH format 2中的DMRS序列与其他format 中相关的$m_0,m_{cs}$ 参数无关。
由如下公式生成序列：
$$
r_l(m)=\frac{1}{\sqrt{2}}(1-2c(2m))+j\frac{1}{\sqrt{2}}(1-2c(2m+1))\m = 0,1,…\c_{init}=(2{17}(N_{symb}{slot}n_{s,f}{\mu}+l+1)(2N_{ID}0+1)+2N_{ID}0)mod2{31}
$$
其中$N_{ID}^0 \in {0,1,…,65535}$：

  • 由scramblingID0 in the DMRS-UplinkConfig 配置
  • 否则，$N_{ID}^0 = N_{ID}^{cell}$

DMRS在频域的映射方式是与数据在频域进行复用。
$$
\alpha_{k,l}^{(p,\mu)}=\beta_{PUCCH,2}r(m)\k = 3m+1
$$
若1RB，2 OFDM symbol情况，则如下图所示：

1.3.4 format 3/4

PUCCH 3 在时域上占用4-14个符号，在频域上可以占用1-16个RB（2/3/5的倍数）,物理资源位置图略。
PUCCH 4 在时域上占用4-14个符号，在频域只占用1个RB，物理资源位置图略。
$$
M_{RB}^{PUCCH,s} = \begin{cases} 2^{\alpha_2}\cdot 3^{\alpha_3}\cdot 5^{\alpha_5}\quad PUCCH\quad format\quad 3\1\quad\quad\quad\quad\quad\quad PUCCH\quad format\quad4 \end{cases}\s \in {3,4}
$$
PUCCH 3 高层相关配置参数

1
2
3
4
5
PUCCH-format 3::=			SEQUENCE{
	nrofPRBs				INTEGER(1..16)	 //PRB数
	nrofSymbols				INTEGER(4..14),	 //符号个数
	startingSymbolIndex		INTEGER(0..10),  //开始符号索引
}

结合上面的公式可知 nrofPRBs $\in {1,2,3,4,5,6,8,9,10,12,15,16}$

PUCCH 4 高层相关配置参数

1
2
3
4
5
6
PUCCH-format 4::=			SEQUENCE{
	nrofSymbols				INTEGER(4..14),	         //符号个数
	occ-Length				ENUMERATED{n2,n4},       //正交码个数
	occ-Index				ENUMERATED{n0,n1,n2,n3}, //正交码索引
	startingSymbolIndex		INTEGER(0..10),          //开始符号索引
}

1.3.4.1 数据处理

PUCCH 3/4 的数据处理部分，主要是[TS 38.211]中的处理过程。
PUCCH 3/4 UCI经过编码，加扰，调制，分块传播 ，变换预编码，映射。（format 3 没有经过Block-wise spreading 流程，也就是不支持OCC，format 4 支持）

1. 加扰
编码后的bits流： $b(0),…,b(M_{bit}-1)$，$M_{bit}$ 为编码后bits长度
加扰公式定义如下：
$$
\widetilde b(i) = (b(i)+c(i))mod2\c_{init} = n_{RNTI}\cdot 2^{15}+n_{ID}
$$
其中$n_{ID}\in {0,1,…,1023}$

  • 由 dataScramblingIdentityPUSCH 配置
  • 否则，$n_{ID}=N_{ID}^{cell}$

加扰后的输出bits流 ：$\widetilde b(0),…,\widetilde b(M_{bit}-1)$

2. 调制
加扰后的输出bits流：$\widetilde b(0),…,\widetilde b(M_{bit}-1)$，默认QPSK调制，若配置$\pi /2$-BPSK，则使用$\pi /2$-BPSK。
输出复值符号：$d(0),…,d(M_{symb}-1)$，对于QPSK： $M_{symb} = M_{bit}/2$，对于$\pi /2$-BPSK：$M_{symb} = M_{bit}$

3. 分块传播
对于format 3 ，不应用Block-wise spreading ：
$$
y(lM_{sc}{PUCCH,3}+k)=d(lM_{sc}{PUCCH,3}+k)\k =0,1,…,M_{sc}{PUCCH,3}-1\l=0,1,…,(M_{symb}/M_{sc}{PUCCH,3})-1\N_{SF}^{PUCCH,3} = 1
$$
对于format 4，应根据数据应用 Block-wise spreading ：
$$
y(lM_{sc}^{PUCCH,4}+k)=w_{n}(k)\cdot d(l\frac{M_{sc}{PUCCH,4}}{N_{SF}{PUCCH,4}}+kmod\frac{M_{sc}{PUCCH,4}}{N_{SF}{PUCCH,4}})\k =0,1,…,M_{sc}{PUCCH,4}-1\l=0,1,…,(N_{SF}{PUCCH,4}M_{symb}/M_{sc}^{PUCCH,4})-1
$$
其中：

  • $M_{RB}^{PUCCH,4} = 1,N_{SF}^{PUCCH,4} \in {2,4}$
  • $w_n$ 由[TS 38.211 Table 6.3.2.6.3-1~2]给出
  • n 由 occ-Index 给出，当occ-Length = 2时，occ-Index可以配置0，1；当occ-Length = 4时，occ-Index可以配置0，1，2，3。

![](5G-NR-PUCCH学习/t4-211 6.3.2.6.3-1~2.png)

4. 变换预编码
因为format 3 在频域可能支持有多个PRB分配，为了降低PAPR，需要进行Transform precoding，即采用DFT-s-OFDM
复值符号块：$y(0),…,y(N_{SF}^{PUCCH ,s}M_{symb}-1)$ ，根据如下公式进行预编码：
$$
z(l \cdot M_{sc}{PUCCH,s}+k)=\frac{1}{\sqrt{M_{sc}{PUCCH,s}}}\sum_{m=0}{M_{sc}{PUCCH,s}-1}y(l \cdot M_{sc}{PUCCH,s}+m)e{-j\frac{2\pi mk}{M_{sc}^{PUCCH,s}}}\k =0,1,…,M_{sc}{PUCCH,4}-1\l=0,1,…,(N_{SF}{PUCCH,s}M_{symb}/M_{sc}^{PUCCH,s})-1
$$
变换预编码后输出：$z(0),…,z(N_{SF}^{PUCCH,s}M_{sybm}-1)$

5. 映射
变换预编码后的复值符号映射到物理资源，$\alpha_{k,l}^{(p,\mu)}=\beta_{PUCCH,s}r(m)$，按照先频域 $k$，在时域 $l$ 的顺序，不能使用DMRS资源。具体映射图参考下文DMRS映射部分。
PUCCH 3，4 都支持时隙内跳频。

1.3.4.2 DMRS

PUCCH 4 DMRS使用低PAPR序列 $r_{u,v}^{(\alpha , \delta)}(n) = e^{j \alpha n} \cdot \overline r_{u,v}(n),0 \leq n < M_{ZC}$。
PUCCH 3 DMRS 也使用低PAPR序列 $r_{u,v}^{(\alpha , \delta)}(n) = e^{j \alpha n} \cdot \overline r_{u,v}(n),0 \leq n < M_{ZC}$，但与 format 0/1/4 不同的是，format 3 在频域可以配置多个PRB，所以序列长度 $M_{ZC}$ 可变。具体情况参考前文低PAPR序列描述。需要注意的是，对于PUCCH 3：$m_0 = 0,m_{cs} = 0$。对于PUCCH 4，其$m_{cs}=0，m_0$ 取决于[TS 38.311 Table 6.4.1.3.3.1-1]中，如下。

![](5G-NR-PUCCH学习/t5-211 6.4.1.3.3.1-1.png)

1. format 3/4 的DMRS序列
$$
r_l(m) = r_{u,v}^{(\alpha , \delta)}(m)\m=0,1,…,M_{sc}^{PUCCH,s}-1
$$
2. 映射到物理资源
$$
\alpha_{k,l}^{(p,\mu)}=\beta_{PUCCH,s}r(m)\m = 0,1,…,M_{sc}^{PUCCH,s}-1
$$
$l$ 的位置定义如下：additional DM-RS 由高层参数配置，参考[TS 38.211 Table 6.4.1.3.3.2-1]，如下：

![](5G-NR-PUCCH学习/t6.211 6.4.1.3.3.2-1.png)

若，format 4，PUCCH length = 14 ；资源映射如下图：

1.4 格式总结

各种格式的配置情况总结如下图所示：图片摘自 ShareTechnote

2 PUCCH 资源

2.1 PUCCH 资源确定

2.2 PUCCH 资源集选择

还没看完，没来得及总结

参考文献
公众号：春天工作室，5G菜鸟成长日记
网页：https://mp.weixin.qq.com/s/83D25ABb2YURSbLQ3fOYsg
网页：http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_PUCCH.html
博客：https://blog.csdn.net/bluewhu/article/details/104196665
博客：https://blog.csdn.net/m0_45416816/article/details/104968797



----------- 本文结束 -----------




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