Uplink

Uplink Control Information(UCI)

Uplink Control을 위한 UCI는 3가지로 볼 수 있다. 단말이 수신한 DL-SCH 전송 블록에 대한 응답인 HARQ Ack/Nack, 단말이 UL-SCH 전송을 위해 Uplink 자원을 요청할 때 보내는 Scheduling Request(SR), 단말이 기지국으로 보내는 Downlink 채널에 대한 채널 상태 보고(CSI Report)가 그것이다.

<b>[Fig. 1]</b> Types of UCI, (a) HARQ Ack/Nack (b) Scheduling Request (c) CSI Report <a href='#Reference'>[1]</a>.

UCI는 PUCCH 또는 PUSCH를 통해 전송된다. DCI의 경우에는 오로지 PDCCH를 통해서만 전송이 되었는데, 단말의 성능이 제한되어 있기 때문에 이미 할당받은 Uplink 자원이 있어서 PUSCH를 보낼 경우에는 UCI를 PUSCH를 통해 전송을 하고, 그 외에는 PUCCH를 통해 전송한다. PUSCH로 보내는 UCI에는 SR을 제외한 HARQ Ack/Nack, CSI Report가 해당이 되는데, PUSCH를 보낸다는 말은 이미 스케줄링이 되어있다는 것이기 때문에 SR을 보낼 필요가 없다.

PUCCH

PUCCH를 위한 자원할당은 Payload 크기와 채널 상태에 따라 적합한 PUCCH format을 선택하여 이루어지게 된다.

<b>[Fig. 2]</b> PUCCH formats <a href='#Reference'>[2]</a>.
<b>[Fig. 3]</b> PUCCH formats <a href='#Reference'>[3]</a>.

2 bits 이하의 payload의 경우 PUCCH format 0과 1을 사용하게 된다. HARQ Ack/Nack이나 SR을 보낼 때 사용된다. CSI Report는 보통 bit 수가 많기 때문에(2 bits 초과) PUCCH format 2~4를 사용해 보낸다. PUCCH format 0은 OFDM 심볼 최대 2개까지만 사용할 수 때문에 채널 상태가 좋지 않거나 먼 거리에 있을 경우에는 OFDM 심볼 4~14개를 사용하는 PUCCH format 1을 사용한다.

Payload가 2 bits를 초과하는 경우 PUCCH format 2와 3을 사용하는데 마찬가지로 채널 상태가 좋지 않거나 먼 거리에 있을 경우에는 PUCCH format 3를 사용한다. OFDM 심볼을 최대 2개까지만 사용하는 PUCCH format 0, 2를 short PUCCH format이라고 하고 심볼 4~14개를 사용하는 PUCCH format 1, 3, 4를 long PUCCH format이라고 한다.

PUCCH format 2와 3은 2 bits를 초과하는 payload에 대한 UE multiplexing을 지원하지 않는다. 그에 대한 대안으로 PUCCH format 4는 FDM을 통해 4대 이상의 UE multiplexing을 지원한다.

<b>[Fig. 4]</b> General description of NR PUCCH <a href='#Reference'>[4]</a>.
<b>[Fig. 5]</b> PUCCH formats <a href='#Reference'>[4]</a>.

Long PUCCH format은 frequency hopping이 적용돼 할당된 대역폭 양 극단에 위치하고, short PUCCH format은 보통 슬롯의 마지막에 전송되는데 꼭 그런건 아니고 저지연이 중요한 경우나 스케줄링 요청이 빈번한 경우, 더 큰 서브캐리어 간격이 필요한 경우에는 다른 위치에서 보낼 수 있다.

PUCCH format 별로 리소스 매핑 과정이 다르다.

PUCCH format 0

우선 PUCCH format 0의 기본 시퀀스로는 base 시퀀스를 사용한다. 이 기본 시퀀스에 12가지의 위상 회전(phase rotation)에 정보를 싣는다. 즉 base 시퀀스 자체에는 정보가 없는데 이 시퀀스에 서로 다른 12개의 orthogonal한 직교 시퀀스가 존재해서 정보에 의해 시퀀스의 위상이 결정된다. 이를 ‘cyclic shift’라고 부른다.

<b>[Fig. 6]</b> HARQ와 SR을 이용한 위상 회전의 예 <a href='#Reference'>[5]</a>.

12개의 위상 회전 중에서 HACK Ack/Nack이 1 bit일 경우에는 위상 차이가 $2 \pi \cdot 6/12$이고, 2 bits일 경우 $2 \pi \cdot 3/12$인 것이다.

다수의 단말이 같은 시간-주파수 자원을 사용할 경우 서로 다른 기준 위상 회전을 가질 수 있다. 예를 들어 한 단말은 0, $2 \pi \cdot 6/12$를 사용하고, 다른 단말은 $2 \pi \cdot 3/12$ 및 $2 \pi \cdot 9/12$를 사용할 수 있다.

위상 오프셋의 경우 슬롯마다 호핑되도록 설정할 수 있는데, 오프셋의 경우 pseudo random 시퀀스에 의해 결정된다.

<b>[Fig. 6]</b> PUCCH format 0 <a href='#Reference'>[5]</a>.

PUCCH format 1

PUCCH는 4~14 심볼을 이용해 2 bit 까지 전송하는데, control information용 OFDM 심볼과 reference signal용 심볼이 분리되어 있다. CI 심볼과 RS 심볼을 반반 정도 배치하는게 좋은 절충선이라 본다.

1 bit 일 때는 BPSK, 2 bits 일 때는 QPSK를 사용하는데 변조된 신호에 PUCCH format 0에서와 같이 12 길이의 low-PAPR 시퀀스가 곱해지고 sequnece hopping이 적용된다. 그 후 orthogonal DFT 코드가 곱해진다. 직교 코드를 곱하는 것은 다수의 단말이 같은 기준 시퀀스와 위상을 사용할 때도 코드를 통해 분리하겠다는 것이다.

추가로 long PUCCH format의 경우 frequency hopping을 적용할 수 있다고 했는데, hopping을 할지의 여부는 PUCCH 리소스 설정에 의해 결정되고 hopping 위치는 심볼 길이에 의해 결정된다.

<b>[Fig. 7]</b> PUCCH format 1 <a href='#Reference'>[5]</a>.

PUCCH format 2

PUCCH format 2부터는 2 bits 보다 큰 payload를 가지는 CSI Report나 많은 수의 HARQ Ack/Nack, 또는 두 가지를 동시에 보낼 때의 경우인데 인코딩 해야 할 비트가 너무 크면 CSI Report는 누락시킬 수 있다.

Payload가 크기 때문에 CRC와 채널 코딩 과정을 거친다. 무조건 CRC를 붙이는 건 아니고 payload가 큰 경우에 붙인다. CRC 포함 11 bits 이하면 Reed-Muller를 사용하고 11 bits보다 많으면 polar 코딩을 사용한다. 이후 scramblig 과정이 있는데, scrambling sequence는 C-RNTI와 Cell ID를 이용해 생성한다[7].

\[\begin{align} \widetilde{b}(i) &= (b(i) + c(i)) \, \text{mod} \, 2 \quad &(1) \\ c_{\text{init}} &= n_{\text{RNTI}} \cdot 2^{15} + n_{\text{ID}} \quad &(2) \end{align}\]

그 뒤에는 마찬가지로 QPSK 변조 과정을 거친다. PUCCH format 2부터는 RB의 개수를 가변적으로 사용하는데, 이 개수는 payload 크기와 code rate의 최곳값에 의해 결정된다. PUCCH format 2도 format 0과 마찬가지로 일반적으로는 슬롯의 맨 뒤에 전송되지만, 필요한 경우 바뀔 수 있다.

<b>[Fig. 8]</b> PUCCH format 2 <a href='#Reference'>[5]</a>.

PUCCH format 3

PUCCH format 3는 할당되는 리소스가 가장 많은 format이다. 전송 구조는 format 2와 거의 동일하고, modulation의 경우 QPSK가 default로 사용되지만 cubic metric을 낮추기 위해 π/2-BPSK를 사용할 수 있고, OFDM 심볼에 매핑 시 DFT-precoding을 적용할 수 있다. 중요한 정보일수록 DMRS에 가깝게 매핑시킨다.

<b>[Fig. 9]</b> PUCCH format 3 <a href='#Reference'>[5]</a>.

PUCCH format 4

전반적인 구조는 format 3와 동일하나 format 4의 경우는 말했듯이 다수의 단말에 multiplexing을 하기 위해 하나의 resource block을 사용한다.

<b>[Fig. 10]</b> PUCCH format 4 <a href='#Reference'>[5]</a>.

PUCCH resource set

Reference

  1. “5G Physical Uplink Control Channel (PUCCH) and Uplink Control Information (UCI).” Youtube, MATLAB, 9 Sept. 2019, https://www.youtube.com/watch?v=Tc_ECMWSH30.
  2. “PUCCH Formats in 5G.” Youtube, Wireless Explained, 4 May 2023, https://www.youtube.com/watch?v=g6IjHANJ180.
  3. MathWorks, “5G NR Uplink with PUCCH Vector Waveform Generation,” [Online]. Available: https://kr.mathworks.com/help/5g/ug/uplink-with-pucch-carrier-waveform-generation.html. [Accessed: 26- Feb- 2024].
  4. NTT DOCOMO, INC., “WI Summary of New Radio Access Technology,” 3GPP TDocs (written contributions) at meeting, RP-180990, 2018.
  5. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld,Chapter 10 - Physical-Layer Control Signaling, Editor(s): Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld, 5G NR (Second Edition), Academic Press, 2021, Pages 197-241.
  6. ShareTechnote, 5G/NR - PUCCH.
  7. 3GPP, “TS 38.211 v17.6.0”.
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