5. 物理レイヤ (Physical Layer)

この章では、NRの物理レイヤ（レイヤ1）の主要な特徴と機能について概説します。物理レイヤは、上位レイヤ（MACレイヤ）へのトランスポートチャネルサービス提供を担当します。

5.1 波形、Numerology、フレーム構成 (Waveform, numerology and frame structure)

NRの物理レイヤの基本設計要素です。

• 波形 (Waveform):
  • ダウンリンク (DL): CP-OFDM (Cyclic Prefix OFDM) が使用されます。
  • アップリンク (UL): CP-OFDM および DFT-s-OFDM (DFT-spread-OFDM) が使用されます。DFT-s-OFDMはPUSCH送信でオプションとして有効/無効化でき、PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) を低減する効果があります。
  • FR1共有スペクトラム運用時: UL送信は複数のPRBインターレースにマッピングされることがあります。

  graph LR A[Input Bits] --> B{DFT Spreading
  (Optional for UL)}; B --> C{Sub-carrier
  Mapping}; C --> D{IFFT}; D --> E{Add Cyclic Prefix}; E --> F[Output Signal]; classDef default fill:#252525,stroke:#ccc,stroke-width:1px,color:#eee;

• Numerology (サブキャリア間隔 SCS):
  • サブキャリア間隔 ($\Delta f$) は $15 \times 2^\mu$ kHz で定義されます。
  • サポートされる $\mu$ の値はチャネルタイプによって異なります。

  表5.1-1 サポートされる伝送Numerology

  $\mu$	$\Delta f = 15 \times 2^\mu$ [kHz]	CPタイプ	データチャネルサポート	同期信号サポート (PSS/SSS/PBCH)
  0	15	Normal	Yes	Yes
  1	30	Normal	Yes	Yes
  2	60	Normal, Extended	Yes	No
  3	120	Normal	Yes	Yes
  4	240	Normal	No	Yes
  5	480	Normal	Yes	Yes
  6	960	Normal	Yes	Yes

  注記: Extended CP は $\mu=2$ (60kHz) でのみサポートされます。

• フレーム構成:
  • **無線フレーム:** 10 ms。
  • **サブフレーム:** 1 ms (1フレームあたり10サブフレーム)。
  • **スロット:** 1スロットは14 OFDMシンボル（Normal CP）または12 OFDMシンボル（Extended CP）。
  • **スロット長:** スロット長はSCS ($\mu$) に依存し、$\mu$ が大きくなるほど短くなります ($1 / 2^\mu$ ms)。1サブフレームあたりのスロット数は $2^\mu$ となります。
  • **BWP (Bandwidth Part):** UEはキャリア帯域幅全体ではなく、設定されたBWP内で動作します（7.8節, 6.10節参照）。Initial Access時はシステム情報で検出されたInitial BWPを使用します。
  • **TA (Timing Advance):** ULフレームタイミングをDLフレームタイミングに対して調整するために使用されます。
• 周波数帯: ペアバンド (FDD) と不ペアバンド (TDD) の両方をサポートします。

5.2 ダウンリンク (Downlink)

5.2.1 DL伝送スキーム (Downlink transmission scheme)

• PDSCH (DL-SCH) ではDMRSベースの空間多重がサポートされます。
• SU-MIMOでは最大8レイヤ、MU-MIMOではUEあたり最大4レイヤ。
• DMRSとPDSCHは同じプリコーディング行列を使用。
• 周波数選択的プリコーディングが可能（PRG: Precoding Resource Block Group 単位）。
• 伝送期間 (Transmission duration) は 2～14シンボル（スロット内）。
• 複数スロットにわたるTB繰り返し送信（Slot aggregation）をサポート。

5.2.2 DL共有チャネル (DL-SCH) の物理レイヤ処理

トランスポートチャネル (DL-SCH) のデータは以下の物理レイヤ処理を経てPDSCHで送信されます。

1. TB CRC (Cyclic Redundancy Check) 付与
2. Code Block Segmentation と Code Block CRC付与
3. チャネル符号化: LDPC (Low Density Parity Check) 符号
4. 物理レイヤHARQ処理
5. レートマッチング
6. スクランブル
7. 変調: QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM, 1024QAM
8. レイヤマッピング
9. リソースマッピングとアンテナポートへのマッピング

PDSCH送信レイヤごとに少なくとも1シンボルのDMRSが存在し、追加DMRS（最大3つ）も設定可能。Phase Tracking RS (PTRS) も送信可能。

5.2.3 DL制御チャネル (PDCCH)

PDCCHはDCI (Downlink Control Information) を伝送し、主に以下の目的で使用されます。

• DL-SCH (PDSCH) のDL割り当て (DL assignment)
• UL-SCH (PUSCH) のULグラント (UL grant)
• その他制御情報:
  • Configured Grant PUSCHのアクティベーション/ディアクティベーション
  • Semi-Persistent PDSCHのアクティベーション/ディアクティベーション
  • スロットフォーマット通知
  • プリアンブルインデックス通知（オンデマンドSI用）
  • PUCCH/PUSCH/SRSのTPC (Transmit Power Control) コマンド
  • アクティブBWP切り替え
  • RA手順開始指示
  • DRXオン期間監視指示 (PS-RNTI)
  • IAB用ソフトシンボル利用可能性指示
  • 1ショットHARQ-ACKコードブックフィードバックトリガー
  • 共有スペクトラムアクセス用: Search Space Set Group切り替えトリガー、利用可能RBセット・チャネル占有時間通知
  • Configured Grant PUSCH用DLフィードバック情報指示 (CG-DFI)

UEは設定されたCORESET (Control Resource Set) 内のPDCCH候補を監視します。CORESETは時間軸で1～3シンボル、周波数軸で複数PRBで構成されます。PDCCHはCCE (Control Channel Element) の集合で構成され、符号化率はCCE数で調整されます。Polar符号を使用し、自身のDMRSを持ちます。

5.2.4 同期信号とPBCHブロック (SSB: Synchronization Signal/PBCH block)

SSBはPSS (Primary Synchronization Signal), SSS (Secondary Synchronization Signal), PBCHで構成されます。

• PSS/SSS: セルサーチと同期に使用。各1シンボル、127サブキャリア占有。
• PBCH: MIBを伝送。3シンボル、240サブキャリア占有 (中央部はSSS用)。自身のDMRSを持つ。Polar符号を使用。
• SSBは特定の時間・周波数位置（SSBバーストセット）で送信され、異なるビームで送信されることがあります。
• キャリア内に複数のSSBを送信可能。
• CD-SSB (Cell-Defining SSB): RMSI (SIB1) に関連付けられたSSB。PCellは常にCD-SSBを持つ。
• NCD-SSB (Non-Cell Defining SSB): RMSIに関連付けられていないSSB。アクティブBWPがCD-SSBを含まない場合のRLM/BFD/RRM測定やRAリソース選択に使用可能。

5.2.5 物理レイヤ手順 (Physical layer procedures)

• Link adaptation: AMC (適応変調符号化)。UEはCSI-RSを測定し、チャネル状態をgNBにフィードバック可能。
• Power Control: DL電力制御が可能。
• Cell search: PSS/SSSとPBCH DMRSに基づいて同期とセルID (PCI) を検出。
• HARQ: 非同期型HARQ。ACK/NACKフィードバックタイミングはDCIまたはRRCで設定。SPS PDSCH（PDCCHなし）のHARQ-ACKは遅延可能。Code Block Groupベースの再送をサポート。
• SIB1 受信: MIB内の情報に基づき、SIB1を運ぶPDSCHのためのPDCCHを監視。

5.2.6 DL測位用RSと測定 (Downlink Reference Signals and Measurements for Positioning)

DL PRS (Positioning Reference Signals) は、DL-TDOA, DL-AoD, multi-RTTなどの測位方式をサポートするために定義されています。UEは以下の測定を行います (TS 38.305 [42]参照)。

• DL RSTD (Reference Signal Time Difference)
• DL PRS-RSRP / DL PRS-RSRPP
• UE Rx-Tx time difference

DL PRSはキャリア位相測位 (DL-RSCP, DL-RSCPD) もサポート。SSBとCSI-RSもE-CIDタイプの測位のためのRRM測定に使用できます。

5.3 アップリンク (Uplink)

5.3.1 UL伝送スキーム (Uplink transmission scheme)

PUSCH (UL-SCH) では、コードブックベース伝送と非コードブックベース伝送の2種類がサポートされます。

• コードブックベース伝送: gNBがDCI内で送信プリコーディング行列指示を提供し、UEはその指示に基づいてコードブックからPUSCH送信プリコーダを選択します。
• 非コードブックベース伝送: UEはDCI内の広帯域SRI (Sounding Reference signal Resource Indicator) フィールドに基づいてPUSCHプリコーダを決定します。
• DMRSベースの空間多重がサポートされます。最大8レイヤ（UEあたり最大4または8レイヤ）がサポートされます。
• DFT-s-OFDM使用時は1レイヤのみサポートされます。
• 伝送期間は1～14シンボル（スロット内）。
• 複数スロットにわたるTB繰り返し送信（Slot aggregation）をサポート。
• 周波数ホッピング: スロット内ホッピングと、スロットアグリゲーション時のスロット間ホッピングの両方をサポート（PRBインターレースUL波形使用時を除く）。
• PUSCHはPDCCH上のDCIでスケジュールされるか、RRCで半静的に設定されるConfigured Grant (CG) で割り当てられます。

5.3.2 UL共有チャネル (UL-SCH) の物理レイヤ処理

トランスポートチャネル (UL-SCH) のデータは以下の物理レイヤ処理を経てPUSCHで送信されます。

1. TB CRC付与
2. Code Block Segmentation と Code Block CRC付与
3. チャネル符号化: LDPC符号
4. 物理レイヤHARQ処理
5. レートマッチング
6. スクランブル
7. 変調: $\pi/2$ BPSK (DFT-s-OFDM時のみ), QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM
8. レイヤマッピング、DFT拡散 (Transform precoding, 設定により有効/無効)、プリコーディング
9. リソースマッピングとアンテナポートへのマッピング

PUSCH送信レイヤごとに、各周波数ホップで少なくとも1シンボルのDMRSが送信され、追加DMRS（最大3つ）も設定可能。Phase Tracking RS (PTRS) も送信可能。

共有スペクトラムアクセスでのConfigured Grant (CG) 操作時、CG-UCI (Configured Grant Uplink Control Information) をPUSCHで送信可能 (10.3節参照)。

5.3.3 UL制御チャネル (PUCCH)

PUCCHはUEからgNBへUCI (Uplink Control Information) を伝送します。5つのフォーマットがあります。

• Short PUCCH (Format 0, 2) はシーケンス選択または周波数多重を使用。Long PUCCH (Format 1, 3, 4) はUCIとDMRSを時間多重。
• Long PUCCHとShort PUCCH(2シンボル)は周波数ホッピングをサポート。
• Short/Long PUCCHは複数スロット/サブスロットでの繰り返し送信が可能。
• 共有スペクトラムFR1運用時、Format 0, 1, 2, 3 はPRBインターレースを使用可能。Format 2, 3 は多重化能力が拡張される。
• FR2-2運用時、Format 0, 1, 4 は連続PRB（最大16）を使用可能。
• 最大2つのPUCCH設定（低優先度/高優先度）が可能。UCI多重化は同一優先度内、または特定条件で優先度間でも可能。
• PUCCHとPUSCHの同時送信は、異なる優先度を持つ場合や、同一優先度を持つ場合（異なるバンド）にサポートされる。
• UCIはCSI, ACK/NACK, SRを含む。
• Format 3, 4 はDFT拡散を使用。

5.3.4 ランダムアクセス (RA)

ランダムアクセス手順は、UEがネットワークとの初期同期や接続確立/再確立を行うために使用されます。

• プリアンブルシーケンス: 4種類の長さ（839, 139, 571, 1151）をサポート。長さはSCSに依存。FR1/FR2-1/FR2-2、Licensed/Shared Spectrumでサポートされる長さが異なる。
• PRACHフォーマット: 複数のPRACH OFDMシンボル数、CP長、ガードタイムを持つフォーマットが定義され、システム情報で設定される。
• IAB用RA設定: IAB-MT用に、通常のRACH設定を周期スケーリングや時間オフセットで拡張した設定が可能。IAB-MTとUEで異なるRACH設定が可能。
• PRACH送信電力: パスロス推定とパワーランピングカウンタに基づいて計算される。
• SSB-PRACHリソース関連付け: システム情報で提供される。

5.3.5 物理レイヤ手順 (Physical layer procedures)

• Link adaptation: 送信帯域幅、送信期間、送信電力、変調符号化レートの適応が可能。SRS (Sounding Reference Signal) を送信し、gNBがULチャネル状態推定に使用可能。
• Uplink Power control: gNBが目標UL送信電力を決定し、TPCコマンドをUEに提供。UEはコマンドに基づき送信電力を調整。
• Uplink timing control: gNBが目標TA設定を決定しUE/IAB-MTに提供。UE/IAB-MTは受信DLタイミングに対してULタイミングを調整。IAB-nodeは追加のタイミング調整モードをサポート可能。
• HARQ: 非同期型HARQ。gNBが各UL送信/再送信をULグラント(DCI)でスケジュール。共有スペクトラムアクセスではConfigured Grantでの再送も可能（設定時）。Code Block Groupベースの送信をサポート。
• Overlapping transmission prioritization: PUSCHとPUCCHは優先度（高/低）を持つことができる。PUCCH送信がPUSCHまたは他のPUCCHと時間的に重複する場合、高優先度の送信のみが行われる。

5.3.6 UL測位用RSと測定 (Uplink Reference Signals and Measurements for Positioning)

SRSの周期的、半永続的、非周期的送信が、以下のgNB測定のために定義されています (TS 38.305 [42]参照)。

• UL RTOA (Relative Time of Arrival)
• SRS-RSRP / SRS-RSRPP
• UL-AoA (Angle of Arrival)
• gNB Rx-Tx time difference

これらはUL-TDOA, UL-AoA, multi-RTT測位方式をサポートします。キャリア位相測位 (UL-RSCP) も可能です。

5.4 キャリアアグリゲーション (CA: Carrier aggregation)

CAでは2つ以上のコンポーネントキャリア(CC)が集約されます。UEは能力に応じて同時に複数CCで送受信可能です。

• TAG (Timing Advance Group): 同じTAを持つサービングセルのグループ。
  • 単一TA能力UE: 1つのTAG内の複数CCで送受信可能。
  • 複数TA能力UE: 異なるTAを持つ複数TAG内の複数CCで送受信可能。各TAGは少なくとも1つのサービングセルを含む。
  • 非CAUE: 1つのCCで送受信 (1TAG内の1サービングセル)。
• 隣接/非隣接CCの両方をサポート。
• フレームタイミングとSFNは集約可能なセル間で同期しているか、SpCellとSCell間のスロットオフセットが設定されます。

5.4.2 SUL (Supplementary Uplink)

SULキャリアは、UL/DLペアキャリア(FDD)または双方向キャリア(TDD)と組み合わせて設定できます。UEは、SULキャリアか元のキャリアのULのどちらかで送信するようスケジュールされますが、同時に両方では送信しません。

5.4.3 UL Tx スイッチング (Uplink Tx switching)

CAまたはSUL設定時、UL Txスイッチングが設定されたUEは、送信チェーンを動的に1つまたは2つのULバンドから別の1つまたは2つのULバンドへ切り替え、最大2TxのUL送信を可能にします。

5.5 トランスポートチャネル (Transport Channels)

物理レイヤが上位レイヤ(MAC)に提供する情報転送サービスです。

5.6 共有スペクトラムへのアクセス (Access to Shared Spectrum)

共有スペクトラムでのNR運用では、gNB/UEはLBT (Listen-Before-Talk) を実行して送信前にチャネルが空いているか確認します。

• LBT失敗: UEが一貫したUL LBT失敗を検出した場合、特定の対策（RLF宣言、他BWPへの切り替えなど）をとります (TS 38.321 [6]参照)。
• Channel Access Priority Classes (CAPC): 無線ベアラやMAC CEに優先度クラスが設定され、LBTパラメータ（待機時間など）が決定されます。QoSフローの5QIに基づいてDRBのCAPCが決定されます。

5.7 Sidelink

SidelinkはUE間直接通信を可能にします。

• リソース割り当てモード: Mode 1 (ネットワークスケジュール) と Mode 2 (UE自律選択) があります。
• 物理チャネルと信号: PSCCH (制御情報), PSSCH (データ), PSFCH (HARQフィードバック), PSBCH (同期/報知), S-PSS/S-SSS (同期信号), SL PRS (測位用)。
• 物理レイヤ手順: HARQフィードバック、電力制御、CSIレポート。
• 測位用測定: PSBCH RSRP, PSSCH RSRP, PSCCH RSRP, SL RSSI, SL CR, SL CBR。