PUCCH（2）格式与DTX检测（源于5G上行控制信道增强技术研究）
目錄
上行時隙結構與物理資源?
PUCCH格式與流程
PUCCH簡介?
PUCCH格式?
PUCCH format 0?
PUCCH format 1?
PUCCH format 2
?PUCCH format 3和4
HARQ反饋流程
PUCCH DTX檢測及解調增強技術研究
DTX
系統模型
系統評估指標?
功率檢測方法
估計信道功率法?
半盲檢測算法
PUCCH ( Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道)是5G NR ( New Radio，新空口)系統物理層重要的組成部分，主要用于傳輸UCI （ Uplink Control Information，上行控制信息)，包括用于下行鏈路數據傳輸的HARQ-ACK/NACK ?( Hybrid ?Automated ?Repeat ?Request-
Acknowledgement/ Negative Acknowledgement，混合自動重傳請求一確認/否認確認)反饋等。在NR系統新定義的PUCCH格式下，對于小于12比特的UCI，接收端要先進行DTX ( Discontinuous Transmission，不連續發送)檢測并完成解碼，只有漏檢率和誤塊率達到一定的正確率時，才能保證整個通信系統的可靠性要求。
? ? 5G的URLLC （Ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠低時延通信)場景與eMBB （EnhancedMobileBroadband，增強的移動寬帶通信)場景相比，對時延和可靠性有更嚴格的要求。URLLC場景中的PUCCH主要是用來傳輸指示數據傳輸是否成功的HARQ反饋消息，進而觸發重傳增強傳輸可靠性。
? ? LTE系統中的PUCCH負責傳輸上行控制信息，只在系統帶寬兩端的頻域資源發送，通過跳頻來最大化頻率分集的效果，而且LTE系統中的時隙長度是固定的。PUCCH作為重要的物理信道，在NR系統中被重新設計了。與LTE系統相比，NR eMBB場景下控制信道的5種發送格式已經確定，而且時頻位置更加靈活。
在R15中，己經定義了PUCCH的5種格式，包括在各種UCI比特數、OFDM符號數下PUCCH的發送流程、資源分配方式等。
?? ? PUCCH的5種格式中，短PUCCH更適用于對時延敏感的場景。然而，與eMBB場景不同，URLLC支持的服務如工廠自動化等對時延和可靠性有更嚴格的要求，這可能為PUCCH設計帶來新的挑戰。支持高可靠性的一種方式是多個HARQ ( HARQ，Hybrid Automated Repeat Request，混合自動重傳請求)傳輸，但這增加了時延。2018年4月的RAN 1 92bis會議確定UE ( User Equipment，用戶設備)可以在一個時隙內的不同符號中在服務小區上發送一個或兩個PUCCH。一個時隙中的兩個PUCCH，至少一個基于PUCCH format 0或2。
上行時隙結構與物理資源?
NR的系統架構劃分為RAN (無線接入網)和CN (核心網)。無線接入網有兩種節點連接到核心網:為NR終端提供服務的gNB和為LTE終端提供服務的ng-eNB。gNB或ng-eNB負責小區中的所有無線相關的功能，例如無線資源管理、接入控制、服務質量流量管理等等，是邏輯節點。基站是gNB作為產品的實現方式，作為上行的接收端，UE即為上行的發送端。?
無線接入網的協議棧分為用戶面和控制面，如圖2-1所示。
許多協議實體對于用戶面和控制面是共享的，PHY （物理層)也是用戶和控制面都有的。物理層負責編解碼、HARQ處理、調制、解調、多天線映射、映射信號到物理時頻資源等。
物理層以傳輸信值的形式服務MAC ( 媒體訪問控制層），它還負責傳輸信道到物理信道的映射，物理信道對應于用來傳送特定傳輸信道的時頻資源。有的物理信道有對應的傳輸信道，比如PDSCH (Physical Downlink Shared Channel，物理下行共享信道)對應DL-SCH ( Downlink Shared Channel，下行共享信道)。有的物理信道沒有對應的傳輸信道，被稱作L1L2控制信道，用于傳輸DCI ( Downlink ControlInformation，下行控制信息)和UCI。DCI為終端提供用于正確接收和解碼下行數據傳輸的必要信息，UCI為調度器和HARQ協議提供關于終端狀況的信息。
PUCCH格式與流程
PUCCH簡介?
? ? 與LTE系統類似，NR系統中也定義了上行L1/L2控制信令來輔助上下行數據在傳輸信道上進行傳輸。上行L1/L2控制信令包括:
PUCCH用來承載上述上行控制信令。作為物理信道，PUCCH實際上也需要映射到物理資源上，由時域和頻域共同決定使用的物理資源的位置。三種控制信令通過以下5種組合方式傳輸:
在NR標準版本15中暫時不支持PUSCH和PUCCH同時發送，這是因為當它們在同一個上行載波上發送且在頻域上互相分開的時候，終端可能需要一個較大的功率回退來滿足頻譜發射要求，這會影響上行覆蓋，在NR后續版本可能會引入同時發送的方案。
在物理層，PUCCH上承載的上行控制信息有多種格式。Format 0和format 2被稱為短PUCCH格式，最多占用2個OFDM符號。通常，一個時隙的最后一個或兩個符號會被用來傳輸PUCCH，比如傳輸下行數據傳輸的HARQ確認。具體地，format 0最多傳輸2 bits上行控制信息，用于承載下行數據傳輸的HARQ確認或者發送SRo Format 2傳輸超過2 bits的信息，用于承載CSI上報、HARQ確認和SR。
?另外3個PUCCH格式，即format 1, format 3和format 4，被稱為長PUCCH格式，可以占用4一14個OFDM符號。NR設計長PUCCH格式主要是考慮覆蓋問題，時間長的PUCCH傳輸可以增加覆蓋范圍。具體地，format 1最多傳輸2 bits上行控制信息。Format 3和4的區別在于復用能力，即有多少終端可以在相同的時頻資源上同時傳輸PUCCH。
PUCCH格式?
PUCCH format 0?
PUCCH format 0是短PUCCH格式，最多可傳輸2比特信息，如上所說一般是傳輸SR和HARQ確認信息，最多占用2個OFDM符號。當占用2個符號時，兩個符號上傳輸相同信息。
頻域上，format 0占一個RB。序列選擇是PUCCH format 0的基礎。?使用的序列
?
基序列是一個Zadoff-Chu（簡稱ZC）序列，序列跳變決定了組號u（通常也被稱為根索引）和組內序號v?，其中.序列跳變是為了隨機化不同小區間的干擾，通過時隙間的變化完成跳變。循環移位由循環移位跳變決定。根據不同的信息比特來進行不同的相位旋轉，經過相位旋轉的基序列就承載了傳輸的信息，也就是根據傳輸的信息選擇不同相位旋轉的序列。PUCCH format?0完整發送流程如圖 1所示。
基序列一共有12個不同的相位旋轉，也就是提供了最多12個正交序列。為了使檢測性能最好，應使不同傳輸比特對應的序列在頻域上盡量分開。因此，當傳輸1比特信息時，相位轉以為單位;當傳輸2比特信息時，相位旋轉以為單位。PUCCH format 0完整發送流程如圖所示?
PUCCH format 1?
PUCCH format 1是一種長PUCCH格式。Format 1仍然傳輸最多2比特的UCI，占用4一14個OFDM符號，每個符號占用一個RB。
除了承載UCI的OFDM符號，format 1占用的符號還包括承載參考信號的OFDM符號。參考信號符號數量多，則信道估計更準確;信息占用符號數量多，則信息編碼率低，解碼正確率提高。為了讓性能最優，需要平衡分配給信息和RS的OFDM符號。
最后在標準中確定的format 1是大致一半符號承載RS。1比特信息時使用BPSK (Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控)調制，2比特使用QPSK （Quadrature Phase Shift Keying，四進制相移鍵控)調制，調制后是一個復數符號，然后與一個長為12的低PAPR序列相乘，序列類似于format 0使用的序列。接下來會使用一個長為信息占用符號長度的正交序列進行時域塊擴展，擴展后的信息符號映射到信息對應的OFDM符號上即可。
使用正交序列是為了提升系統的復用能力，即使使用相同基序列和循環移位的不同終端，也能利用正交序列復用相同的時頻資源。參考信號和信息的結構類似，也是將一個長為12的序列通過正交序列進行時域塊擴展，最后映射到參考信號對應位置上。
Format 1可以配置跳頻，以獲得類似于LTE的頻率分集增益。在LTE的跳頻中，兩跳分布在載波帶寬的兩側。NR的跳頻和LTE不同，因為PUCCH的持續時間是根據配置變化的，而且只能在終端對應的激活帶寬內傳輸，所以跳頻與否及跳頻的位置由資源配置決定。
- 如果沒有配置跳頻，則使用一組正交序列進行塊擴展，包括信息比特和參考信號使用的;
- 如果配置了跳頻，則每一跳都要配置一組正交序列。
9個OFDM符號的PUCCH format 1完整發送流程如圖所示。?
?表1??PUCCH?format?1不跳頻和跳頻時Data占OFDM符號數量
表2 PUCCH?format?1不跳頻和跳頻時DMRS占OFDM符號數量??
PUCCH format 2
?PUCCH format 2是一種短PUCCH格式，使用1個或2個OFDM符號傳輸2比特以上的控制信息。Format?2可以占用1-16個RB，由信息比特數及碼率等決定。
可以同時傳輸CSI和HARQ確認，若比特數太多，會優先傳輸對系統更重要的HARQ確認信息，而舍棄掉CSI。
?信息比特若小于12比特，使用Reed-Muller碼進行編碼，若大于11比特，則使用Polar碼（極化碼）編碼。編碼后進行加擾和調制，使用QPSK調制，調制后的符號映射到每個OFDM符號的相應的子載波上。承載參考信號的符號也映射到每個OFDM符號的相應的子載波上。信息和參考信號占用子載波的比例是2:1，即每3個子載波，有兩個承載信息數據符號，一個承載參考信號符號，如圖 3所示。PUCCH format?2完整發送流程如圖 所示。
若高層配置PUSCH和PUCCH交織映射，那么format2支持多終端復用，類似format4的多終端復用。在調制后，利用正交序列對調制后符號進行擴展，一般支持2或4個終端復用，之后資源映射。
?PUCCH format 3和4
| PUCCH format 3 | PUCCH format 4 |
| 使用4-14個符號傳輸2比特以上的控制信息，也可以使用多個RB。一個OFDM符號的所有子載波只承載信息符號或只承載參考信號。 | PUCCH format 4和format 3基本相同，只是頻域上只占一個RB。每OFDM符號承載12/N個獨立的調制符號，每個調制符號都會通過一個正交序列進行塊擴展，正交序列的個數為N=2或4，即支持2個或4個終端通過碼分復用相同資源塊。 |
| 信息比特若小于12比特，使用Reed-Muller碼進行編碼，若大于11比特，則使用Polar碼編碼。編碼后進行加擾和調制，使用QPSK或π/2-BPSK調制。調制符號映射之前，還要進行DFT預編碼，以提高功放效率。 | |
| PUCCH?format 3和format 1一樣，可以配置跳頻來獲得頻率分集增益。承載參考信號的OFDM符號的位置取決于PUCCH符號數以及是否使用跳頻，因為每一跳必須配置至少一個OFDM符號給參考信號使用。 | |
| 對于format3，若高層設置PUSCH和PUCCH交織使用，那么format3有一層交織時，支持多終端復用，其過程與format4一致。當format3有2層交織時，不支持復用，其過程與之前常規格式一致。當配置交織時，PUCCH不支持跳頻。 |
在上面對所有format的描述中，涉及到了很多參數，例如PUCCH OFDM符號數、使用的RB數、是否跳頻、format 0的初始循環移位等。除了這些參數之外，終端需要知道自己使用的格式是什么，以及時頻資源位置。在LTE系統中，UCI對應的格式及格式對應的時頻碼域資源相對固定，不是很靈活。為滿足不同業務對時延、頻譜效率等需求，NR支持了更靈活的機制，即引入了PUCCH資源集的概念。
?一個資源集包含最少4組PUCCH資源配置，每一組資源配置包含了對應適用的PUCCH格式，以及該格式對應的所有參數。
根據UCI比特數量，劃分為4個資源集，最多2比特的UCI使用PUCCH資源集0，因此資源集0包含PUCCH format 0和format 1，其他PUCCH資源集包含除此之外的其他格式。
當一個終端要發送UCI時，首先會根據UCI比特數選擇PUCCH資源集，同時下行控制信息包含的信息可以決定使用該資源集中的哪個PUCCH資源配置，即決定PUCCH使用的時頻資源。
HARQ反饋流程
HARQ是NR中差錯控制的方式，在LTE系統中就己經是一項關鍵技術。它綜合了自動重傳請求技術(ARQ, Automatic Repeat Request和前向糾錯技術(FEC,Error Correction)的優點，對高數據數率和高可靠性數據傳輸起著重要的作用.物理層完成HARQ的傳輸功能，MAC層完成HARQ的控制功能.
?在每個TTI (傳輸時間間隔)，MAC層通常傳遞一個傳輸塊給物理層，到達物理層后會給傳輸塊添加一個CRC (循環冗余校驗)用于接收端檢測傳輸錯誤。再把添加CRC后的比特進行LDPC(低密度奇偶校驗)編碼，然后為了適配物理資源進行速率匹配以及根據HARQ調整發送比特，主要是根據傳輸序號對應的冗余版本選擇傳輸比特在環形緩沖區的起始位置。確定好傳輸的比特后再經過加擾、調制、層映射、預編碼、資源映射、天線映射等一系列操作到達空口，通過空口傳給用戶終端。
在數據到達終端前，包含NDI (New Data Indicator，新數據指示符)的DCI先到達終端。終端不知道當前的重傳次數，也不知道后續是否有重傳數據，只是根據基站的指示進行HARQ處理。對于接收到的傳輸塊和HARQ相關的控制信息，MAC的HARQ處理流程可以概括為如下描述。
首先MAC實體會判斷NDI，若接收到的傳輸塊為新傳數據，則清空緩存并利用GRC對數據嘗試解碼;若為重傳數據，如果這個傳輸塊還沒被解碼成功，就通知物理層將收到的數據與緩存器里的數據進行合并解碼。
如果定時器沒有停止或過期，則解碼成功就通知物理層產生ACK (Acknowledge，確認)，解碼失敗就通知物理層產生NACK （Negative Acknowledge )。一個比特即可指示是ACK還是NACK，這一個比特作為UCI的一種，接下來通過PUCCH把ACK/NACK傳輸給基站端，基站若解出NACK，且此時重傳次數小于最大重傳次數時，會觸發一次對該傳輸塊的重傳;若解出ACK，或重傳次數己經達到最大重傳次數時，基站端不再重傳，可以傳輸新的數據。
PUCCH DTX檢測及解調增強技術研究
DTX
在信道條件差等原因下，PDCCH可能沒有被UE （User Equipment，用戶設備)接收到或者DCI被解錯了，導致UE沒有在PUCCH上發送相應的UCI信號，這種情況被稱作DTX。
對于少于12個發送比特的PUCCH格式，接收端要多做一步判斷，即判斷此發送時隙是否為DTX，如果不是DTX再進行解調操作。?
因為虛警率也要達到一定指標，所以在LTE中檢測是否是DTX(Discontinuous Transmission，非連續發送)主要是基于閡值比較的方法。即在不發送信號、只有噪聲發送的情況下統計保證虛警率的閉值門限，在發送信號的情況下得到比較量與此門限比較，沒有超過閡值門限則視為漏檢。解調由估計的信道與接收信號進行信號檢測、軟解調等完成。?
得到比較量的方法也就是檢測算法，在LTE系統中主要有兩種:
- 一是利用RS ( Reference Signal，參考信號)估計信道的功率，以得到的功率為比較量的方法
- 二是用數據和RS共同估計的信道計算功率作為比較量，與此同時在此過程中完成解調。第二種方法被稱為半言檢測法，與第一種相比，半自檢測法使用聯合信道估計增強了信道估計的準確性
因為NR PUCCH與LTE的相似性，可以把常見的這兩種檢測算法引入NR中。?
系統模型
?
系統評估指標?
為了評估NR PUCCH的系統性能，對于少于12個發送比特的UCI，需要以下3個評估指標?：
? ? 在NR中，為了滿足通信的可靠性，通常要求DTX-to-ACK概率<1 % ，missed-ACK概率<1 % ， NACK-to-ACK概率<0.1 %。以這些數據指標為準，作為考察PUCCH檢測性能的基線。?
功率檢測方法
估計信道功率法?
PUCCH接收端通常所用的檢測方法為估計信道功率法，在NR PUCCH中亦可以應用此算法。
因為RS信號是接收端己知的，所以利用RS信號，可以估計出RS所在RE的信道系數。常用的信道估計算法有最小二乘估計算法(Least Square, LS) 、線性最小均方誤差算法(LinearMinimum Mean Square Error, ? LMMSE)等，為了與后面的檢測算法統一，此處使用LS信道估計算法，根據LS算法和接收系統模型，可以得到估計的信道系數
?
當發送端是DTX時，接收到的只有噪聲，此時估計出的信道僅包含噪聲，而沒有信號成分。
將估計出的信道系數求模方，即為估計信道的功率，用||表示取模運算。
當信道功率和P超過某一個閡值門限時，就可以判斷為發送端發送了PUCCH，而不是DTX。門限是判定DTX和PUCCH的分界線，功率和在門限以上為PUCCH，門限以下為DTX。通過選擇合適的門限值，就可以把虛警率控制在我們想要的數值。
?在仿真中，因為要保證虛警率即DTX-to-ACK概率不大于1%，則假設發送端為DTX接收端只有隨機的高斯噪聲，統計大量時隙的估計信道功率，把得到的所有功率從大到小排序，取1%處的功率作為上面所說的閾值門限。這樣就可以認為，有1%的是DTX的時隙的功率會超過這個門限而被判斷為發送了PUCCH，即保證虛警率為1%?。
有了統計的門限，接下來讓發送端發送PUCCH，小于這個門限的時隙被判斷為DTX。超過閩值門限的時隙即為DTX檢測成功，進入解調步驟。因為估計的信道不帶有數據信息，所以解調還是和數據信道的解調方法一樣，由RS估計出的信道進行插值運算，得到數據位置的信道系數，然后使用信號檢測完成解調。信號檢測就是讓接收信號經過具有一定濾波系數的濾波器，來還原出發送信號。根據還原信號和調制方式，就可以進行軟解調，完成UCI比特的還原。所以整體的算法流程可以由圖表示。
在仿真中，當發送PUCCH時接收功率估計小于閾值功率時，為DTX檢測失敗，即漏檢。DTX檢測成功進入解調后，將解調出的比特與發送UCI的比特比較，若不一樣證明解調失敗，這一時隙被判斷為解調錯誤。統計出漏檢時隙和解調錯誤時隙數，和仿真的總時隙數，即可計算出評估指標中的漏檢率(Missed-ACK概率)和BLER ( NACK-to-ACK概率)。
半盲檢測算法
? ? 當RS占的RE數量比較少時，信道估計的結果可能不是十分準確。發送的數據符號雖然對于接收端是未知的，但如前面所說，知道了發送比特數和調制方式后，接收端可以知道所有可能的發送符號是哪些。基于這種特點，在LTE系統中，有文章設計了一種接收端算法，因為既利用己知符號又利用未知符號，所以被稱為半盲檢測法。根據算法原理，半盲檢測法也可以應用在NR系統中，下面描述半盲檢測法應用在NR PUCCH的步驟。?
半盲檢測算法把數據符號也用作信道估計的參數，進而增加信道估計的準確性。
接下來把這些所有RE上估計出的信道求和，這樣的做法相當于降低了估計信道中包含的噪聲成分，從而提高信道估計的準確性。求和后得到一根接收天線上的信道估計和，每一個候選符號可以計算出一個信道估計和:?
?
?和估計信道功率法一樣，用這個U去和統計的閩值門限比較，若U小于門限，則被判斷為DTx;若U大于門限，則被判斷為發送了PUCCH，此時計算出U的符號的索引m'所對應的信息比特則為發送的UCI。這樣通過求最大值的一步操作，不僅得到了最大的信道功率，完成DTx檢測，同時也完成了解調。半盲檢測法的整體算法流程如圖所示。
?? ? 半盲檢測法利用了數據符號做信道估計，通過RS符號和數據符號估計出的信道求和，估計出發送信號，并提升了僅用RS做信道估計的準確性，解決RS映射RE數量少的缺點，所以會得到比傳統的估計信道功率法更好的檢測性能。但是半盲檢測法也有缺點，因為用于接收端檢測的是信道估計和的功率，在噪聲的影響下，遍歷到發送符號計算出的信道估計和的模值可能不是最大的。
從整個算法流程上看，雖然求信道估計和的步驟一定程度利用了相位信息，但最后判斷的步驟中僅利用了信號模值這一信息，導致算法有性能損失。所以，若能利用上信號相位，重新設計算法，就可以彌補這個損失。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的PUCCH（2）格式与DTX检测（源于5G上行控制信道增强技术研究）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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