備註：本文所有圖片均來自3GPP標準，包括3GPP TS 38.300 V15.0.0 (2017-12)和3GPP TS 38.202 V15.0.0 (2017-12)等。本文主要介紹截止目前（2018年1月25日），3GPP 5G NR相關的協議內容，後期可能會有更新。 本系列共分爲兩部分：
1. 5G NR協議棧及功能1 - 總體架構與物理層 http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160245
2. 5G NR協議棧及功能2 - MAC RLC PDCP SDAP http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/79160449
一 NR總體架構與功能劃分
1.1 總體架構
NG-RAN節點包含兩種類型：
l gNB：提供NR用戶平面和控制平面協議和功能
l ng-eNB：提供E-UTRA用戶平面和控制平面協議和功能
gNB與ng-eNB之間通過Xn接口連接，gNB/ng-eNB通過NG-C接口與AMF（Access and Mobility Management Function）連接，通過NG-U接口與UPF（User Plane Function）連接。
5G總體架構如下圖所示，NG-RAN表示無線接入網，5GC表示核心網。
1.2 功能劃分
5G網絡的功能劃分如下圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節點，5G-C一共包含三個功能模塊：AMF，UPF和SMF（Session Management Function）。
1.2.1gNB/ng-eNB
l 小區間無限資源管理Inter Cell Radio Resource Management（RRM）
l 無線承載控制Radio Bear（RB）Control
l 連接移動性控制 Connection Mobility Control
l 測量配置與規定Measurement Configuration and Provision
l 動態資源分配Dynamic Resource Allocation
1.2.2AMF
l NAS安全Non-Access Stratum（NAS） Security
l 空閒模式下移動性管理Idle State Mobility Handling
1.2.3UPF
l 移動性錨點管理 Mobility Anchoring
l PDU處理（與Internet連接）PDU Handling
1.2.4SMF
l 用戶IP地址分配 UE IP Address Allocation
l PDU Session控制
1.3 網絡接口
1.3.1NG接口
NG-U接口用於連接NG-RAN與UPF，其協議棧如下圖所示。協議棧底層採用UDP、IP協議，提供非保證的數據交付。
NG-C接口用於連接NG-RAN與AMF，其協議棧如下圖所示。在傳輸中，IP協議爲信令提供點對點傳輸服務。SCTP保證信令的可靠交付。NG-C接口有以下功能：
l NG接口管理
l UE上下文管理
l UE移動性管理
l NAS信令傳輸
l 尋呼
l PDU Session管理
l 更換配置
l 警告信息傳輸
1.3.2Xn接口
Xn-U接口用於連接兩個NG-RAN節點。Xn-U接口協議棧如下圖所示。GTP-U基於UDP、IP網絡之上，爲數據提供非保證服務。Xn-U主要包含兩個功能：
l 數據轉發
l 流控制
Xn-C接口用於連接兩個NG-RAN節點。IP協議爲信令提供點對點傳輸，SCTP爲信令提供可靠交付。Xn-C接口主要包含以下功能：
l Xn接口管理
l UE移動性管理，包括上下文傳輸和尋呼等
l 雙鏈接
1.4 無線協議棧
NR無線協議棧分爲兩個平面：用戶面和控制面。用戶面(User Plane, UP）協議棧即用戶數據傳輸採用的協議簇，控制面(Control Plane, CP)協議棧即系統的控制信令傳輸採用的協議簇。
NR用戶面和控制面協議棧稍有不同，下面詳細介紹。
1.4.1用戶面
NR用戶平面相比LTE協議棧多了一層SDAP層，用戶面協議從上到下依次是：
l SDAP層：Service Data Adaptation Protocol
l PDCP層：Packet Data Convergence Protocol
l RLC層：Radio Link Control
l MAC層：Medium Access Control
l PHY層：Physical
1.4.2控制面
NR控制面協議幾乎與LTE協議棧一模一樣，從上到下依次爲：
l NAS層：Non-Access Stratum
l RRC層：Radio Resource Control
l PDCP層：Packet Data Convergence Protocol
l RLC層：Radio Link Con trol
l MAC層：Medium Access Control
l PHY層：Physical
UE所有的協議棧都位於UE內；而在網絡側，NAS層不位於基站gNB上，而是在覈心網的AMF （Access and Mobility Management Function）實體上。還有一點需要強調的是，控制面協議棧不包含SDAP層。
二 物理層
2.1 波形、子載波&CP配置和幀結構
NR系統下行傳輸採用帶循環前綴的（CP）的OFDM波形；上行傳輸可以採用基於DFT預編碼的帶CP的OFDM波形，也可以與下行傳輸一樣，採用帶CP的OFDM波形。
NR與LTE系統都基於OFDM傳輸。兩者主要有兩點不同：
1. LTE只支持一種子載波間隔15KHz，而NR目前支持5種子載波間隔配置；
2. LTE上行採用基於DFT預編碼的CP-Based OFDM，而NR上行可以採用基於DFT預編碼的CP-Based OFDM，也可以採用不帶DFT的CP-Based OFDM。
NR支持的載波間隔、CP類型、對數據信道的支持如下表所示。NR一共支持5種子載波間隔配置：15KHz、30KHz、60KHz、120KHz和240KHz。一共有兩種CP類型，Normal和Extended（擴展型）。擴展型CP只能用在子載波間隔爲60KHz的配置下。其中，子載波間隔爲15KHz、30KHz、60KHz和120KHz可用於數據傳輸信道；而15KHz、30KHz、120KHz和240KHz子載波間隔可以用於同步信道。
NR中連續的12個子載波稱爲物理資源塊（PRB），在一個載波中最大支持275個PRB，即275*12=3300個子載波。
上下行中一個幀的時長固定爲10ms，每個幀包含10個子幀，即每個子幀固定爲1ms。同時，每個幀分爲兩個半幀（5ms）。每個子幀包含若干個時隙，每個時隙固定包含14個OFDM符號（如果是擴展CP，則對應12個OFDM符號）。因爲每個子幀固定爲1ms，所以對應不同子載波間隔配置，每個子幀包含的時隙數是不同的。具體的個數關係如下表所示。[下表相比之前表格多了一個u=5項，但在Rel-15中並不使用此選項]
NR的傳輸單位（TTI）爲1個時隙。如上所述，對於常規CP，1個時隙對應14個OFDM符號；對於擴展CP，1個時隙包含12個OFDM符號。
由於子載波間隔越大，對應時域OFDM符號越短，則1個時隙的時長也就越短。所以子載波間隔越大，TTI越短，空口傳輸時延越低，當然對系統的要求也就越高。
2.2 帶寬頻點
在NR中，3GPP主要指定了兩個頻點範圍。一個是我們通常稱爲Sub 6GHz，另一個是我們通常稱爲毫米波（Millimeter Wave）。Sub 6GHz稱爲FR1，毫米波稱爲FR2。FR1和FR2具體的頻率範圍如下表所示：
對於不同的頻點範圍，系統的帶寬和子載波間隔都所有不同。在Sub 6GHz，系統最大的帶寬爲100MHz而在毫米波中最大的帶寬爲400MHz。子載波間隔15KHz和30KHz只能用在Sub 6GHz，而120KHz子載波間隔只能用在毫米波中，60KHz子載波間隔可以同時在Sub 6GHz和毫米波中使用
2.3 物理層下行鏈路
2.3.1PDSCH
PDSCH處理流程
1. 傳輸塊CRC添加（如果傳輸塊長度大於3824，則添加24bit CRC；否則添加16bit CRC）
2. 傳輸塊分段，各段添加CRC（24bit）
3. 信道編碼：LDPC編碼
4. 物理層HARQ處理，速率匹配
5. 比特交織
6. 調製：QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM
7. 映射到分配的資源和天線端口
PDSCH處理模型如下圖所示：
PDSCH採用LDPC編碼，LDPC編碼時需要選擇相應的Graph：Graph 1或Graph 2。Graph的不同，簡單理解就是編碼時採用的矩陣不一樣。Graph的選擇規則如下（A爲碼塊長度，R爲碼率）：
1. 如果 A<=292；或者 A<=3824 並且 R<=0.67 ；或者 R<=0.25，選擇Graph 2
2. 其他情況選擇Graph 1.
2.3.2PDCCH
用戶專用物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）用於調度下行的PDSCH傳輸和上行的PUSCH傳輸。PDCCH上傳輸的信息稱爲DCI（Downlink Control Information），包含Format 0_0，Format 0_1，Format 1_0，Format 1_1，Format 2_0，Format 2_1，Format 2_2和Format 2_3共8中DCI格式。
1. Format0_0用於同一個小區內PUSCH調度
2. Format0_1用於同一個小區內PUSCH調度
3. Format1_0用於同一個小區內PDSCH調度
4. Format1_1用於同一個小區內PDSCH調度
5. Format2_0用於指示Slot格式
6. Format2_1用於指示UE那些它認爲沒有數據的PRB(s) and OFDM符號（防止UE忽略）
7. Format2_2用於傳輸TPC（Transmission Power Control）指令給PUCCH和PUSCH
8. Format2_3用於傳輸給SRS信號的TPC，同時可以攜帶SRS請求
各種DCI格式之間的差異及使用場景之後再詳細討論。
PDCCH信道採用Polar碼信道編碼方式，調製方式爲QPSK。
2.3.3PSS/SSS/PBCH
NR包含兩種同步信號：主同步信號（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號（Secondary Synchronization Signal, SSS）。PSS和SSS信號各自佔用127個子載波。PBCH信號橫跨3個OFDM符號和240個子載波，其中有一個OFDM符號中間127個子載波被SSS信號佔用。
NR系統中一共定義了1008個小區ID：
PSS信號產生時需要利用小區組內ID，產生公式如下圖所示：
SSS信號產生時需要小區組ID和小區組內ID，產生公式如下圖所示：
PSS/SSS/PBCH在時頻資源格上的位置關係如下圖所示：
PBCH信道編碼方式爲Polar編碼，調製方式爲QPSK。PBCH物理層處理模型如下圖所示：
2.4 物理層上行鏈路
2.4.1傳輸方案
NR 上行包含兩種傳輸方案：基於碼本的傳輸和非碼本傳輸。
基於碼本的傳輸：gNB在DCI攜帶一個預編碼矩陣指示PMI（Precoding Matrix Indicator）。UE使用PMI指示的矩陣對PUSCH進行預編碼。對於非碼本傳輸，UE根據DCI中的SRI確定對應的預編碼矩陣。
2.4.2PUSCH
PUSCH的處理流程如下圖所示：
傳輸塊添加CRC（TBS大於3824時添加24bit CRC；否則添加16bit CRC）
1. 碼塊分段及各段CRC添加
2. 信道編碼：LDPC編碼
3. 比特級交織
4. 調製方式：Pi/2 BPSK（僅當進行Transform Precoding時可採用）, QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM
5. 層映射，Transform Precoding（需上層配置確定是否進行），預編碼
6. 映射到相應的資源和天線端口
PUSCH處理模型如下圖所示：
PUSCH採用LDPC編碼，LDPC編碼時需要選擇相應的Graph：Graph 1或Graph 2。Graph的不同，簡單理解就是編碼時採用的矩陣不一樣。Graph的選擇規則如下（A爲碼塊長度，R爲碼率）：
1. 如果 A<=292；或者 A<=3824 並且 R<=0.67 ；或者 R<=0.25，選擇Graph 2
２. 其他情況選擇Graph 1.
2.4.3PUCCH
PUCCH攜帶上行控制信息（Uplink Control Link，UCI）從UE發送給gNB。根據PUCCH的持續時間和UCI的大小，一共有5種格式的PUCCH格式：
1. 格式1：1-2個OFDM，攜帶最多2bit信息，複用在同一個PRB上
2. 格式2：1-2個OFDM，攜帶超過3bit信息，複用在同一個PRB上
3. 格式3：4-14個OFDM，攜帶最多2bit信息，複用在同一個PRB上
4. 格式4：4-14個OFDM，攜帶中等大小信息，可能複用在同一個PRB上
5. 格式5：4-14個OFDM，攜帶大量信息，無法複用在同一個PRB上
不同格式的PUCCH攜帶不同的信息，對應的底層處理也有所差異，此處不展開介紹。
UCI攜帶的信息如下：
1. CSI（Channel State Information）
2. ACK/NACK
3. 調度請求（Scheduling Request）
PUCCH大部分情況下都採用QPSK調製方式，當PUCCH佔用4-14個OFDM且只包含1bit信息時，採用BPSK調製方式。PUCCH的編碼方式也比較豐富，當只攜帶1bit信息時，採用Repetition code（重複碼）；當攜帶2bit信息時，採用Simplex code；當攜帶信息爲3-11bit時，採用Reed Muller code；當攜帶信息大於11bit時，採用的便是著名的Polar編碼方式。
2.4.4隨機接入
NR支持兩種長度的隨機接入（Random Access ）前綴。長前綴長度爲839，可以運用在1.25KHz和5KHz子載波間隔上；短前綴長度爲139，可以運用在15KHz，30KHz，60KHz和120KHz子載波間隔上。長前綴支持基於競爭的隨機接入和非競爭的隨機接入；而短前綴只能在非競爭隨機接入中使用。
2.5 傳輸信道
傳輸信道描述“信息該怎麼傳輸”這個特性，下面我們會提到邏輯信道描述的則是“傳輸的是什麼信息”。每個傳輸信道規定了信息的傳輸特性。
下行傳輸信道包括：
1. 廣播信道（Broadcast Channel, BCH）
固定的，預先定義好的傳輸格式
在整個小區中廣播
2. 下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH）
支持HARQ
支持鏈路動態自適應，包括調整編碼、調製方式和功率等
支持在整個小區中廣播
可以使用波束賦形
UE支持非連續性接收（爲了節能）
3. 尋呼信道（Paging Channel）
UE支持非連續性接收（爲了節能）
需要在整個小區中廣播
映射到物理資源上（可能會動態地被其他業務和控制信道佔用）
上行傳輸信道包括：
1. 上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）
可以使用波束賦形
支持鏈路動態自適應，包括調整編碼、調製方式和功率等
支持HARQ
支持動態和半動態資源分配
2. 隨機接入信道（Random Access Channel，RACH）
僅限傳輸控制信息
有碰撞的風險