51学通信

深度解析 3GPP TS 38.300：5.3 Uplink (上行链路 Part 2 - 物理层程序与随机接入)

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好的，我们继续深入5.3节的后半部分，完成对5G上行链路物理层的全面剖析。在前一篇中，我们掌握了上行传输方案和核心信道的设计理念。现在，我们将聚焦于UE在上行传输过程中的具体“行为规范”，即上行物理层程序。

深度解析 3GPP TS 38.300：5.3 Uplink (上行链路 Part 2 - 物理层程序与随机接入)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.300 V18.5.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.3 Uplink”的核心章节，具体涵盖5.3.4至5.3.6节。本文旨在为读者详细解读5G上行链路的四大关键物理层程序：随机接入、链路自适应、功率控制与时序控制、HARQ机制，以及面向定位服务的上行参考信号。

前言：从“敲门”到“对话”的艺术

我们的主角小明，他的手机从开机入网，到与网络进行高速数据交互，其上行行为并非随心所欲，而是遵循着一套严谨的“礼仪规范”。这套规范确保了成千上万的用户能够在共享的无线信道上，井然有序地与基站“对话”。

这套“礼仪规范”就是上行物理层程序，它规定了：

  • 当一个“陌生人”（UE）初次到达小区时，应该如何“敲门”并报上名号？（随机接入）
  • 在“对话”过程中，如何根据对方（gNB）的“听力”状况，自动调整自己的“音量”和“语速”？（功率控制与链路自适应）
  • 如何确保自己的每一句话，都能精准地在对方“耳朵”边响起，而不是与他人的声音“撞车”？（时序控制）
  • 当对方表示没听清时，如何优雅而快速地“再说一遍”？（HARQ机制）

今天，我们将跟随小明手机的上行行为轨迹，逐一揭秘这些确保上行通信秩序与效率的关键程序。

1. “敲门”的仪式：随机接入 (5.3.4 Random access)

随机接入（Random Access, RACH）是UE与网络建立初始连接的第一步，是所有上行业务的起点。它就像一个新访客在公司前台的“登记”过程，目标是获得网络的注意，并建立初步的上行同步。

Random access preamble sequences, of four different lengths are supported. Sequence length 839 is applied with subcarrier spacings of 1.25 and 5 kHz, sequence length 139 is applied with subcarrier spacings of 15, 30, 60, 120, 480, and 960 kHz…

NR的随机接入在前导码（Preamble）设计上比LTE更加灵活，以适应不同的小区半径和部署场景：

  • 多种前导码长度：支持长短两种主要的前导码格式。
    • 长前导码（序列长度839）：配合小的子载波间隔（1.25/5 kHz），适用于覆盖范围广的宏小区，可以支持更大的小区半径。
    • 短前导码（序列长度139）：配合NR数据传输的SCS（15/30/60… kHz），适用于中、小小区，传输时延更短。
  • 多种PRACH格式：定义了多种PRACH（物理随机接入信道）的时域格式，具有不同的CP和保护时间（Guard Time），以适应不同的部署场景。

For IAB additional random access configurations are defined. These configurations are obtained by extending the random access configurations defined for UEs via scaling the periodicity and/or offsetting the time domain position of the RACH occasions.

规范还特别提到，为了支持IAB节点（IAB-MT）的接入，可以为其配置专属的、周期更长或时间偏移的RACH资源。这避免了IAB-MT这个“超级用户”与大量普通UE在同一个RACH资源池中发生碰撞，体现了网络资源配置的灵活性。

The system information provides information for the UE to determine the association between the SSB and the RACH resources.

gNB会在系统信息（SIB1）中广播SSB与RACH资源之间的关联关系。UE在检测到一个SSB波束后，就能知道应该使用哪个对应的RACH时频资源来发送前导码，从而实现了波束化的随机接入。

2. “随机应变”的对话技巧：上行物理层程序 (5.3.5)

一旦UE通过随机接入与网络建立了连接，它的每一次上行传输，都需要根据gNB的指令和信道的变化，动态调整传输参数。

上行链路自适应与下行类似，都是为了在保证可靠性的前提下最大化吞吐率。

Four types of link adaptation are supported as follows:

  • Adaptive transmission bandwidth;
  • Adaptive transmission duration;
  • Transmission power control;
  • Adaptive modulation and channel coding rate.

相比下行，上行的链路自适应维度更丰富：

  • 自适应调制与编码（AMC）：这是最核心的。gNB根据测量到的上行信道质量，在UL Grant（上行授权）的DCI中，为UE指定本次PUSCH传输应使用的MCS（调制编码方案）。
  • 自适应传输带宽与时长：gNB的调度器可以根据UE的业务需求和缓冲区状态（通过BSR获知），为其分配不同大小的传输带宽（PRB数量）和不同的传输时长（OFDM符号数）。
  • 功率控制：见下一节。

For channel state estimation purposes, the UE may be configured to transmit SRS that the gNB may use to estimate the uplink channel state and use the estimate in link adaptation.

gNB实现上行链路自适应的“眼睛”，就是SRS（Sounding Reference Signal，探测参考信号）。UE会按照gNB的配置，周期性或非周期性地发送SRS。gNB通过测量SRS，就能实时地掌握上行信道的质量，从而为UE做出最精准的AMC、带宽和时长分配决策。

上行功率控制是移动通信中最关键也最复杂的技术之一，其目标是在保证gNB能可靠接收信号的同时，最大限度地减少对邻近小区的干扰，并节省UE的电量。

The gNB determines the desired uplink transmit power and provides uplink transmit power control commands to the UE. The UE uses the provided uplink transmit power control commands to adjust its transmit power.

NR的上行功率控制采用开环+闭环结合的方式：

  • 开环功控（粗调）：UE根据gNB在系统信息中广播的一组参数（如目标接收功率P0、路径损耗补偿因子alpha），以及自己测量的下行路径损耗（Path Loss），计算出一个基础的发射功率。这个过程UE自主完成，称为开环。其基本思想是“离得越远，声音越大”。
  • 闭环功控（精调）：gNB会持续测量UE上行信号的实际接收功率，并与期望值进行比较。然后，gNB通过PDCCH或DCI，向UE发送**TPC（Transmit Power Control）**指令，告诉UE是该“调高一点”还是“调低一点”。UE收到TPC指令后，在开环计算的基础上进行微调。

这个“开环打基础，闭环做微调”的机制，使得UE的发射功率能够被精确地控制在一个“恰到好处”的水平。

为了让来自不同远近的UE的上行信号，能够“同时”到达gNB的天线，避免相互干扰，必须对每个UE的发送时间进行精确控制。

The gNB (…) determines the desired Timing Advance setting and provides that to the UE (…). The UE/IAB-MT uses the provided TA to determine its uplink transmit timing relative to the UE’s/IAB-MTs observed downlink receive timing.

  • 时间提前量（TA）：gNB通过测量UE的随机接入前导码或SRS，可以精确地计算出信号的往返时间（RTT），从而得出UE需要“提前”多少时间发送信号才能与gNB的上行接收窗对齐。
  • TA命令：gNB通过MAC CE消息，将这个TA值下发给UE。
  • TA定时器：UE在收到TA命令后，会启动一个timeAlignmentTimer。只要这个定时器在运行，UE就认为自己是“上行同步”的，可以随时进行上行传输。如果定时器超时，UE就认为自己“失步”了，此时除了发起随机接入，不能进行任何其他的上行传输。

An IAB-node may support additional modes for uplink timing…

规范还特别为IAB节点定义了额外的时序控制模式，例如，IAB-MT可以根据父节点的指示，额外增加一个时序偏移，或者使其上行发送时序与本地IAB-DU的下行发送时序对齐，以解决MT和DU之间的同频干扰和收发转换问题。

2.4 上行的“快速补发”机制：HARQ (5.3.5.4 HARQ)

上行同样支持高效的HARQ机制，以保证数据传输的可靠性。

Asynchronous Incremental Redundancy Hybrid ARQ is supported. The gNB schedules each uplink transmission and retransmission using the uplink grant on DCI.

这里需要注意，尽管规范文本写的是”Asynchronous”，但在实际协议中，NR上行HARQ通常被认为是同步的（尤其是在早期定义中），或者更准确地说是“半同步”的。

  • 同步非自适应重传：当一次上行传输失败，gNB反馈NACK后，UE会在一个预定义的时间点（k个slot之后）自动进行重传，无需gNB再次下发DCI调度。这种方式反馈快，信令开销小。
  • 异步自适应重传：gNB也可以在反馈NACK后，在任意时间点，通过一个新的DCI（UL Grant），显式地为这次重传分配新的时频资源和MCS。这种方式更灵活，可以根据信道变化调整重传参数。

NR的上行HARQ机制结合了同步和异步的优点，gNB可以根据场景灵活配置采用哪种方式。

Up to two HARQ-ACK codebooks corresponding to a priority (high/low) can be constructed simultaneously.

为了支持URLLC和eMBB业务的共存，UE可以同时维护两套HARQ实体/码本，一套用于高优先级业务，一套用于低优先级业务，确保关键业务的HARQ过程不受普通业务的影响。

3. 上行定位的“回声”：上行定位参考信号 (5.3.6)

与下行定位相对应，上行链路也定义了专门的参考信号来支持高精度定位。

The periodic, semipersistent and aperiodic transmission of (…) SRS is defined for gNB UL RTOA, UL SRS-RSRP, UL-AoA measurements to facilitate support of UL TDOA and UL AoA positioning methods…

  • 用于定位的SRS (SRS for Positioning)：除了用于信道探测的SRS，NR还定义了专门为定位设计的SRS。这种SRS通常具有更宽的带宽和更特殊的序列设计，以便gNB（以及网络中的多个LCS - Location Measurement Unit）能够更精确地测量。
  • 上行定位方法：网络中的多个接收点（gNB/LMU）通过精确测量UE发送的定位SRS，可以计算出：
    • UL-TDOA (上行到达时间差)：不同接收点收到同一信号的时间差。
    • UL-AoA (上行到达角)：每个接收点利用天线阵列测量信号的到达角度。
  • Multi-RTT：结合下行DL-PRS，可以实现UE与多个gNB之间的往返时间测量。

通过融合这些上行和下行的测量信息，定位服务器就能够解算出UE的高精度三维坐标。

总结：一个自治而有序的上行系统

通过对5.3节后半部分的深入学习，我们揭示了5G上行链路能够实现高效、有序运行的秘密。它并非一个简单的“你呼我应”系统，而是一个在gNB宏观调控下，具备高度“自主学习”和“实时适应”能力的智能系统。

  1. 随机接入是UE进入网络的“敲门砖”，其灵活的设计适应了从宏覆盖到IAB的各种场景。
  2. 链路自适应、功率控制和时序控制构成了上行传输的“自适应铁三角”，确保UE的每一次“发声”都恰到好处——既清晰、又节能、且同步。
  3. HARQ机制为上行数据提供了快速可靠的“补发”保险。
  4. 用于定位的SRS则为上行链路增添了“被导航”的能力，赋能了丰富的LBS应用。

至此，我们已经对NR物理层的上下行核心机制有了全面的了解。在下一篇文章中，我们将探讨5.4节的载波聚合（Carrier Aggregation），看看5G是如何通过“捆绑”多个载波，将数据传输的“单车道”升级为“超级立交桥”的。

FAQ

Q1：随机接入有哪几种触发场景？

A1：随机接入（RACH）是上行同步的唯一手段，其触发场景非常多，主要包括：1）初始接入：UE从RRC_IDLE状态发起连接时。2）RRC连接重建：发生无线链路失败（RLF）后。3）切换（Handover）：UE需要与目标小区建立上行同步时。4）上行数据到达：当处于RRC_CONNECTED但上行失步时（timeAlignmentTimer超时），或者处于RRC_INACTIVE状态有上行数据要发送时（SDT）。5）下行数据到达：当UE处于RRC_INACTIVE状态，网络寻呼UE后，UE需要发起RACH来恢复连接。6）波束失锁恢复（Beam Failure Recovery）。

Q2：上行功率控制和下行功率控制的目标有什么根本不同？

A2：根本目标不同。下行功率控制的主要目标是在保证UE接收性能的同时，控制对邻小区的干扰。gNB作为“能量中心”，功率相对充裕，更关心的是整个系统的频谱效率。而上行功率控制的核心目标更加严苛：1）保证gNB的接收性能；2）严格控制对邻小区的干扰（上行干扰是系统容量的主要限制因素）；3）最大限度地节省UE的电池电量。因此，上行功控的设计比下行更精细、更复杂。

Q3：什么是SRS？它在上行链路中扮演了哪些角色？

A3：SRS（Sounding Reference Signal）是UE发送的一种上行参考信号，gNB对其是已知的。它扮演了多个关键角色：1）上行信道状态探测：gNB通过测量SRS来了解上行信道的质量，从而为UE进行链路自适应（选择MCS）和调度。2）上行波束管理：gNB通过测量不同SRS资源（可能对应UE的不同天线端口），来为UE选择最佳的上行传输波束（预编码）。3）上行时序测量：gNB可以测量SRS的到达时间，用于时序提前（TA）的计算和维护。4）定位：专用的定位SRS是实现UL-TDOA、UL-AoA等上行高精度定位的基础。可以说，SRS是gNB感知上行信道的“全能探针”。

Q4：NR上行HARQ的“同步”体现在哪里？

A4：“同步”主要体现在HARQ进程ID的分配和重传时机上。在一个HARQ进程中，当gNB在时隙n调度了一次PUSCH初传后，如果需要重传，UE通常会在一个固定的、由协议规定的时间点（如n+k个时隙）进行重传。并且，该HARQ进程ID在后续一段时间内会被“锁定”，不能用于新的数据传输，直到当前的数据包被成功确认（ACK）或达到最大重传次数。这种可预测的重传时机和进程ID的循环使用，就是所谓的“同步”特性，它简化了UE和gNB的HARQ状态管理。

Q5：5.3.5.5节提到的“Prioritization of overlapping transmissions”是什么意思？

A5：这意味着当UE被调度或配置的多个上行传输在时间上发生重叠时（例如，一个PUCCH传输和一个PUSCH传输撞到了一起），UE必须有一套明确的规则来决定“谁让谁”。规范定义了一套优先级规则：通常，承载HARQ-ACK或SR的PUCCH具有较高的优先级。如果一个高优先级的PUCCH与一个PUSCH重叠，根据配置，UE可能会放弃PUSCH的传输（Puncturing），或者将PUCCH上的UCI信息与PUSCH数据复用在一起发送。这套优先级机制对于保证URLLC等关键业务的反馈不被eMBB等大流量业务阻塞至关重要。

关系图谱