51学通信

深度解析 3GPP TS 38.300：5.5 Transport Channels (传输信道)

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好的，在学习了如何通过载波聚合技术“拓宽道路”之后，我们现在需要回过头来，深入理解道路上行驶的“车辆”本身是如何分类和组织的。MAC层是如何将来自上层的各种数据（用户数据、信令、广播信息等）进行分类，并交给物理层去不同类型的“车道”上传输的呢？这就引出了传输信道（Transport Channel）的概念。

深度解析 3GPP TS 38.300：5.5 Transport Channels (传输信道)

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“5.5 Transport Channels”的核心章节，旨在为读者清晰地区分逻辑信道、传输信道和物理信道的概念，并详细阐述5G NR中定义的各类传输信道的特性与用途。

前言：“数据快递”的分类与打包服务

在之前的章节中，我们多次提到MAC层将数据打包成“传输块（TB）”交给物理层。但MAC层并非一个简单的打包工，它更像一个智能的“快递分拣中心”。上层（RLC层）送来的包裹（RLC PDU）类型各异，有的需要全城广播（系统信息），有的需要定点寻呼，有的是海量的用户数据。MAC层的职责，就是根据这些包裹的“内容性质”和“投递要求”，将它们分拣到不同的“传输信道”上，并告诉物理层该如何处理这些不同类型的“货物”。

The physical layer offers information transfer services to MAC and higher layers. The physical layer transport services are described by how and with what characteristics data are transferred over the radio interface. An adequate term for this is “Transport Channel”.

导师老王解释道：“传输信道是MAC层与物理层之间的服务接口。它定义了‘如何传’（how），即数据传输的特性，比如是否支持HARQ，是否支持动态链路自适应等。这与我们之前接触的**逻辑信道（Logical Channel）**不同，逻辑信道定义的是‘传什么’（what），即数据的类型，比如是控制信息还是业务数据。”

今天，我们将化身为这个“快递分拣中心”的运营主管，深入理解5G NR中定义的各种传输信道，看看它们各自承担着怎样的“运输使命”。

1. 下行传输信道：从gNB到UE的“花式快递”

下行业务类型繁多，因此下行传输信道也相应地被划分为三种主要类型。

1.1 全城公告：广播信道 (BCH - Broadcast Channel)

BCH (Broadcast Channel) 是网络中最基本、最重要的“全城公告”系统。它的使命只有一个：将最核心的系统信息——主信息块（MIB），可靠地广播到整个小区的每一个角落。

  1. Broadcast Channel (BCH) characterised by:
  • fixed, pre-defined transport format;
  • requirement to be broadcast in the entire coverage area of the cell…

BCH的特性就像古代城楼上的“告示”：

  • 固定、预定义的传输格式：BCH的“字体”、“字号”（传输格式，如MCS、编码方式）是固定的、全网统一的。这样做是为了让任何一部刚开机的手机，哪怕对这个小区一无所知，也能毫无障碍地“阅读”这份告示。

  • 全小区广播：这份“告示”必须确保小区覆盖范围内的任何UE都能收到。因此，它通常以较低的MCS和强大的信道编码进行传输，并通过波束扫描（Beam Sweeping）的方式，确保在所有方向上都有广播。

在物理层，BCH最终被映射到**PBCH（物理广播信道）**上进行传输。UE通过BCH获取MIB，才能知道如何去寻找更详细的系统信息（SIB1），从而开启入网的第一步。BCH是UE与网络建立联系的“第一道光”。

1.2 共享高速公路：下行共享信道 (DL-SCH - Downlink Shared Channel)

DL-SCH (Downlink Shared Channel) 是5G下行数据传输的“主动脉”和“共享高速公路”。绝大多数的用户数据和高层信令，都通过这条信道进行传输。

  1. Downlink Shared Channel (DL-SCH) characterised by:
  • support for HARQ;
  • support for dynamic link adaptation by varying the modulation, coding and transmit power;
  • possibility to be broadcast in the entire cell;
  • possibility to use beamforming;
  • support for both dynamic and semi-static resource allocation;
  • support for UE discontinuous reception (DRX) to enable UE power saving.

DL-SCH的特性集成了5G物理层的几乎所有“黑科技”，使其成为一条高效、灵活、智能的“高速公路”：

  • 支持HARQ：为DL-SCH上的传输提供了快速的物理层重传保障，确保了数据的可靠性。

  • 支持动态链路自适应：gNB可以根据信道质量，为每个在DL-SCH上传输的数据包动态选择最合适的MCS，实现了频谱效率的最大化。

  • 支持波束赋形：可以为每个UE在DL-SCH上的传输定制专属的窄波束，提升信号质量，降低用户间干扰。

  • 支持动态与半静态调度：gNB既可以通过PDCCH进行毫秒级的动态调度，也可以为VoNR等周期性业务配置半静态调度（SPS）资源。

  • 支持广播：除了点对点传输，DL-SCH也承担了广播其他系统信息（如SIB1、SIB2等）的任务。此时，它会以全小区可接收的方式进行传输。

  • 支持DRX：UE在没有数据接收时，无需持续监听DL-SCH，可以通过不连续接收（DRX）机制进入休眠，大大节省了电量。

在物理层，DL-SCH最终被映射到**PDSCH（物理下行共享信道）**上。小明观看的4K视频、收到的微信消息、以及网络下发的RRC信令，千军万马都行驶在DL-SCH这条宽阔的道路上。

1.3 全城寻人：寻呼信道 (PCH - Paging Channel)

PCH (Paging Channel) 是网络用来“唤醒”处于空闲（IDLE）或非活跃（INACTIVE）状态UE的“全城寻呼广播”系统。

  1. Paging Channel (PCH) characterised by:
  • support for UE discontinuous reception (DRX) to enable UE power saving (DRX cycle is indicated by the network to the UE);
  • requirement to be broadcast in the entire coverage area of the cell…

PCH的特性与BCH有相似之处，但核心使命不同：

  • 支持DRX：这是PCH与BCH最大的不同。UE不需要时刻监听寻呼广播。每个UE都会根据自己的ID，计算出自己专属的“寻呼时刻（Paging Occasion, PO）”。它只需要在每个DRX周期中，短暂地醒来，在自己的PO时刻监听PCH即可。这极大地降低了待机功耗。

  • 全小区广播：寻呼消息同样需要在整个小区范围内广播，以确保无论UE移动到小区的哪个角落，都能被成功“唤醒”。

在物理层，PCH的数据同样在PDSCH上传输，但其调度信息则通过PDCCH上一种特殊的P-RNTI来指示。当小明的手机处于IDLE状态，他女朋友给他发来微信时，正是通过PCH信道，网络才找到了他，并唤醒他的手机来接收数据。

2. 上行传输信道：从UE到gNB的“双轨制”

相比下行，上行业务的发起方式更为集中，因此传输信道也更为精简，主要分为两种。

2.1 用户专属通道：上行共享信道 (UL-SCH - Uplink Shared Channel)

UL-SCH (Uplink Shared Channel) 是上行数据传输的“主动脉”，与下行的DL-SCH遥相呼应。所有UE的上行用户数据和RRC信令，都通过UL-SCH传输。

  1. Uplink Shared Channel (UL-SCH) characterised by:
  • possibility to use beamforming;
  • support for dynamic link adaptation…;
  • support for HARQ;
  • support for both dynamic and semi-static resource allocation.

UL-SCH的特性与DL-SCH高度对称，同样支持**波束赋形、链路自适应、HARQ、动态与半静态调度（Configured Grant）**等高级功能，以保证上行传输的高效与可靠。

在物理层，UL-SCH被映射到**PUSCH（物理上行共享信道）**上传输。小明视频通话时上传的音视频数据，就承载在UL-SCH上。

2.2 公共的“敲门砖”：随机接入信道 (RACH - Random Access Channel)

RACH (Random Access Channel) 是UE在与网络建立连接之前，用于发送“第一声问候”的特殊信道。它的主要任务是发送随机接入前导码（Preamble）。

  1. Random Access Channel(s) (RACH) characterised by:
  • limited control information;
  • collision risk.

RACH的特性决定了它是一个“竞争激烈”的信道：

  • 有限的控制信息：RACH只能传输非常有限的信息，主要是前导码序列本身，有时也可能包含一些小的信息载荷（如2-step RACH）。

  • 碰撞风险 (Collision Risk)：RACH是 contention-based（基于竞争）的。在同一时刻，多个UE可能会选择相同的前导码在相同的时频资源上发送，从而导致碰撞。网络需要设计一套完整的随机接入流程（如RAR响应、冲突解决）来处理这种碰撞。

在物理层，RACH被映射到**PRACH（物理随机接入信道）**上传输。当小明的手机开机，或者从失步状态恢复时，它发送的第一个上行信号，就是在RACH上传输的前导码。

3. Sidelink传输信道：UE之间的“悄悄话”

除了与gNB通信（Uu接口），5G NR还支持UE与UE之间的直接通信，即Sidelink（SL）。为此，规范也定义了专用的Sidelink传输信道。

  • SL-BCH (Sidelink Broadcast Channel)：用于在Sidelink链路上广播一些基本的同步和系统信息。

  • SL-SCH (Sidelink Shared Channel)：用于在UE之间传输用户数据和控制信令，是Sidelink通信的“主动脉”。它同样支持HARQ、链路自适应等高级特性。

总结：从“内容”到“通道”的映射

通过对5.5节的深入学习，我们理清了5G空口中“信道”这一核心概念的三个层次：

  1. 逻辑信道 (L2上层)：定义“传什么”，根据信息内容的类型划分。如BCCH（广播控制）、PCCH（寻呼控制）、DCCH（专用控制）、DTCH（专用业务）。

  2. 传输信道 (L2下层)：定义“如何传”，根据传输特性划分。如BCH（固定格式全区广播）、PCH（支持DRX的全区广播）、DL/UL-SCH（支持HARQ/AMC的共享信道）、RACH（有碰撞风险的接入信道）。

  3. 物理信道 (L1)：是传输信道的物理承载，定义了数据在具体的时频物理资源上的形态。如PBCH、PDSCH、PUSCH、PRACH。

它们之间的关系是：MAC层负责将逻辑信道映射到传输信道，而物理层则负责将传输信道映射到物理信道。这个清晰的映射关系，构成了NR协议栈分层设计、有序工作的核心。

在下一篇文章中，我们将探讨5.6节 Access to Shared Spectrum，看看NR是如何在Wi-Fi等使用的“共享/免授权频谱”上运行的，这又会引入哪些新的“游戏规则”。

FAQ

Q1：为什么BCH的传输格式是固定的，而DL-SCH是动态可变的？

A1：这是由它们的使命决定的。BCH承载的MIB是UE入网的“第一份说明书”，UE在读到它之前，对网络一无所知。因此，BCH的格式必须是全局预定义、固定不变的，就像一本所有人都认识的“新华字典”，这样任何UE都能无障碍地解码它。而DL-SCH承载的是UE入网后的数据和信令，此时gNB已经和UE建立了连接，可以实时地了解UE的信道状况（通过CSI反馈）。因此，DL-SCH的传输格式（MCS）可以也必须是动态可变的，以实现链路自适应，最大化频谱效率。

Q2：寻呼信道（PCH）和下行共享信道（DL-SCH）都承载在物理层的PDSCH上，UE如何区分它们？

A2：UE通过监听PDCCH来区分。虽然PCH和普通的DL-SCH数据都使用PDSCH传输，但调度它们的PDCCH是不同的。1）RNTI不同：调度PCH的PDCCH，其CRC校验位是用一个所有UE都知道的公共RNTI——**P-RNTI（Paging-RNTI）来加扰的。而调度普通用户数据的PDCCH，是用该UE专属的C-RNTI（Cell-RNTI）**来加扰的。2）监听时机不同：处于IDLE/INACTIVE状态的UE，只会在自己特定的寻呼时刻（PO）醒来，在公共搜索空间（CSS）中尝试用P-RNTI来解码PDCCH。而处于CONNECTED状态的UE，则会根据其DRX配置，在自己的监听时刻，在UE特定搜索空间（USS）中用C-RNTI来解码PDCCH。

Q3：UL-SCH和DL-SCH都是共享信道，“共享”体现在哪里？

A3：“共享”主要体现在时频资源的动态复用上。SCH（Shared Channel）的资源不是为任何一个用户静态预留的，而是构成了一个巨大的资源池。gNB的MAC层调度器，在每个调度周期（如每个时隙），都会根据所有在线用户的瞬时需求（BSR）、信道质量（CSI）和业务优先级（QoS），动态地将这个资源池中的一部分资源块（PRB）分配给不同的用户。这一时刻，这块资源属于小明；下一时刻，它可能就属于小丽了。这种时频域上的高效、动态的“分时共享”，是现代移动通信系统高容量的核心。

Q4：为什么随机接入信道（RACH）会有碰撞风险？网络如何解决碰撞？

A4：碰撞风险源于其“随机性”和资源的有限性。一个小区只配置了有限的前导码序列（Preamble）和PRACH时频资源。当多个UE在同一时间、选择了相同的PRACH资源、发送了相同的前导码时，gNB就无法区分它们，这就是碰撞。网络通过一个称为“基于竞争的随机接入（Contention-Based Random Access, CBRA）”的四步流程来解决：

  1. Msg1 (UE): 发送随机选择的前导码。

  2. Msg2 (gNB): 发送随机接入响应（RAR），RAR中包含了对它检测到的前导码的响应（时序调整、临时C-RNTI、上行授权）。如果多个UE碰撞，它们都会收到同一个RAR。

  3. Msg3 (UE): 收到RAR的UE们，使用其中的上行授权发送一条包含自己唯一ID（如SAE-TMSI）的消息。

  4. Msg4 (gNB): gNB成功解码其中一个UE的Msg3后，会发送一条“冲突解决”消息，该消息用该UE的唯一ID进行寻址。只有这个“获胜”的UE能成功解码Msg4，它就认为随机接入成功。其他失败的UE在Msg4窗口超时后，会退避一个随机时间，然后从Msg1重新开始。

Q5：Sidelink传输信道和Uu接口的传输信道有什么关系？

A5：它们是完全独立的。Uu接口的传输信道（BCH, SCH, PCH, RACH）定义了UE与gNB之间的通信服务。而Sidelink传输信道（SL-BCH, SL-SCH）定义了UE与UE之间通过PC5接口直接通信的服务。两者使用不同的物理信道、不同的协议栈和不同的资源分配方式。一个支持Sidelink的UE，其内部会同时运行两套相对独立的协议栈，一套用于Uu接口通信，另一套用于PC5接口通信。

关系图谱