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NR PUCCH五格式选择决策与UCI三级复用博弈

一、为什么PUCCH需要五种格式

5G NR的设计哲学与LTE截然不同——LTE仅定义了Format 1/1a/1b/2/2a/2b/3七种子格式，全部是长格式（1ms子帧边界传输）。NR面对的场景远比LTE复杂：

URLLC场景：1-2符号极短PUCCH，HARQ-ACK必须在slot尾部立即反馈
eMBB场景：聚合载波下HARQ-ACK比特数可能超过100bit，需要大容量PUCCH
mMTC场景：覆盖受限UE需要4-14符号长PUCCH通过重复获得覆盖增益
多UE复用：同一PRB上需要复用多个UE的UCI，降低上行开销

这五种格式不是随意定义的，而是沿两个维度交叉设计的结果：

graph TB
    A[UCI载荷大小] --> B["≤2 bit"]
    A --> C[">2 bit"]
    B --> D{"符号数"}
    C --> E{"符号数"}
    D -->|"1-2符号"| F["Format 0<br/>序列选择/调制"]
    D -->|"4-14符号"| G["Format 1<br/>OCC扩频+序列调制"]
    E -->|"1-2符号"| H["Format 2<br/>OFDM DMRS+数据复用"]
    E -->|"4-14符号"| I{"是否需要UE复用"}
    I -->|"单UE"| J["Format 3<br/>OFDM 无扩频"]
    I -->|"多UE"| K["Format 4<br/>Block-wise扩频"]

    style F fill:#4CAF50,color:#fff
    style G fill:#2196F3,color:#fff
    style H fill:#FF9800,color:#fff
    style J fill:#9C27B0,color:#fff
    style K fill:#F44336,color:#fff

TS 38.213 Section 9.2.1给出了明确的格式选择判定规则：UE首先根据UCI比特数确定PUCCH资源集索引，然后在对应资源集中根据DCI的PUCCH Resource Indicator字段选择具体PUCCH资源，资源的格式由RRC配置隐含确定。

二、PUCCH资源集三级配置体系

2.1 资源集划分逻辑

3GPP定义了最多4个PUCCH Resource Set，按UCI载荷大小分级：

资源集编号	UCI载荷范围	最大资源数	典型格式	配置参数
Set 0	≤2 bit	32	F0/F1	无maxPayloadSize
Set 1	>2 bit 且 ≤N₁	32	F2/F3/F4	maxPayloadSize=N₁
Set 2	>N₁ 且 ≤N₂	32	F2/F3	maxPayloadSize=N₂
Set 3	>N₂ 且 ≤1706	32	F2/F3	maxPayloadSize=1706

关键设计意图：Set 0是"轻量通道"，承载最关键的HARQ-ACK和SR反馈（1-2bit），gNB可以为大量UE配置不同的Format 0/1资源实现复用。Set 1-3是"大容量通道"，当聚合载波数增多、码本变大时自动升级到更高阶资源集。

Set 0的UCI比特数上限固定为2，不需要maxPayloadSize参数（TS 38.331 PUCCH-Config IE定义）。Set 1-3通过maxPayloadSize显式声明各自承载的比特上限。

2.2 RRC配置全链路

PUCCH的完整配置链路涉及三个层次的IE嵌套：

graph TD
    A["BWP-Config<br/>(TS 38.331)"] --> B["PUCCH-Config<br/>per BWP"]
    B --> C["resourceSetToAddModList<br/>最多4个PUCCH-ResourceSet"]
    B --> D["resourceToAddModList<br/>最多128个PUCCH-Resource"]
    B --> E["spatialRelationInfoToAddModList<br/>最多8个Spatial Relation"]
    C --> F["PUCCH-ResourceSet"]
    F --> G["resourceIdList<br/>引用PUCCH-Resource ID"]
    F --> H["maxPayloadSize<br/>UCI比特上限"]
    D --> I["PUCCH-Resource"]
    I --> J["formatType: F0/F1/F2/F3/F4"]
    I --> K["startingPRB / nrofPRBs"]
    I --> L["startingSymbolIndex / nrofSymbols"]
    I --> M["initialCyclicShift / timeDomainOCC"]

    style C fill:#E3F2FD
    style D fill:#FFF3E0
    style E fill:#E8F5E9

一个典型的PUCCH-Resource配置示例（TS 38.331 ASN.1）：

PUCCH-Resource ::= SEQUENCE {
    pucch-ResourceId          PUCCH-ResourceId,
    startingPRB               INTEGER (0..maxNrofPhysicalResourceBlocks-1),
    secondHopPRB              INTEGER (0..maxNrofPhysicalResourceBlocks-1) OPTIONAL,
    format                    ENUMERATED {format0, format1, format2, format3, format4},
    -- Format 0/1 specific
    initialCyclicShift        INTEGER (0..11)     OPTIONAL,  -- m0
    nrofSymbols               INTEGER (1..2)      OPTIONAL,  -- Format 0/2
    startingSymbolIndex       INTEGER (0..13)     OPTIONAL,
    -- Format 1 specific
    timeDomainOCC             INTEGER (0..6)      OPTIONAL,
    -- Format 2/3 specific
    nrofPRBs                  INTEGER (1..16)     OPTIONAL,
    -- Format 4 specific
    occ-Length                ENUMERATED {n1,n2,n4} OPTIONAL,
    occ-Index                 INTEGER (0..n4-1)   OPTIONAL
}

2.3 DCI动态指示PUCCH资源

gNB在调度PDSCH的DCI Format 1_0/1_1中通过PUCCH Resource Indicator (PRI) 字段动态指示UE使用哪个PUCCH资源。

PRI字段比特数 = ⌈log₂(N_PUCCH)⌉，其中N_PUCCH是当前激活资源集中的PUCCH资源数。

决策时序如下：

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE
    Note over UE: Step 1: 计算UCI总比特数<br/>O_ACK + O_SR + O_CSI
    gNB->>UE: DCI 1_1 (含PRI=3, K1=4)
    Note over UE: Step 2: 根据UCI比特数<br/>确定Resource Set索引
    Note over UE: Step 3: 在对应Resource Set中<br/>PRI=3 → 第4个PUCCH Resource
    Note over UE: Step 4: 查询PUCCH-Resource配置<br/>确定Format/PRB/Symbol
    Note over UE: Step 5: 确定PUCCH发送时机<br/>slot n + K1
    UE->>gNB: PUCCH (指定格式/资源)

运营商成本博弈点：PUCCH资源越多，PRI字段越宽，DCI开销越大。运营商需要在"PUCCH灵活性"和"DCI开销"之间取舍。实际部署中，Set 0通常配置8-16个资源（PRI=3-4bit），Set 1配置4-8个资源。

三、五种格式物理层结构深度对比

3.1 Format 0：序列选择的极简设计

Format 0是NR独有的创新设计——不传任何数据符号，UCI信息完全通过序列选择编码。

参数	取值
符号数	1或2
PRB数	1
DMRS	无
UCI容量	1-2 bit
序列长度	12（1PRB的子载波数）
多UE复用	通过不同initialCyclicShift（最多12个）

HARQ-ACK到序列循环移位的映射（TS 38.211 Table 9.2.3-3/4）：

HARQ-ACK比特	值	m_cs（循环移位索引）
1 bit	NACK	m₀
1 bit	ACK	m₀ + 6
2 bit	NACK/NACK	m₀
2 bit	ACK/NACK	m₀ + 3
2 bit	NACK/ACK	m₀ + 6
2 bit	ACK/ACK	m₀ + 9

SR复用机制：当HARQ-ACK和Positive SR同时发送时，Format 0通过选择不同的循环移位来区分： - Negative SR + HARQ-ACK：使用上表映射 - Positive SR + HARQ-ACK：循环移位索引额外偏移 Δ_shift = N_CS，其中N_CS由高层参数配置

3.2 Format 2：短格式大容量管道

Format 2是短PUCCH中唯一支持大UCI载荷的格式，采用OFDM结构，DMRS和数据在不同子载波上频分复用。

graph TB
    subgraph "Format 2 时频结构（2符号示例）"
        direction LR
        subgraph "Symbol 0"
            D1["DMRS: 每4个子载波插入1个DMRS<br/>Pattern: DMRS-Data-Data-Data"]
        end
        subgraph "Symbol 1"
            D2["DMRS: 同样Pattern<br/>与Symbol 0频域交错"]
        end
    end

参数	取值范围
符号数	1或2
PRB数	1-16
DMRS	频分复用，密度1/4
UCI容量	最大约1400+ bit（取决于PRB数）
调制方式	QPSK（当UCI+CRC > 11bit时用PI/2 BPSK可选）
多UE复用	FDM（不同UE分配不同PRB）

Format 2的PRB数由PUCCH-Resource中的nrofPRBs显式配置。gNB根据预期UCI比特数选择合适的PRB数。经验公式（近似）：

O_UCI ≤ nrofPRBs × nrofSymbols × 3 × Rate_matching_ratio

其中Rate_matching_ratio通常取0.8-0.9（考虑DMRS开销和编码率限制）。

3.3 五格式全景对比

维度	Format 0	Format 1	Format 2	Format 3	Format 4
符号数	1-2	4-14	1-2	4-14	4-14
PRB数	1	1	1-16	1-16	1
DMRS	无	TDM	FDM	TDM	TDM
UCI容量	≤2 bit	≤2 bit	>2 bit	>2 bit	>2 bit
波形	DFT-s-OFDM	DFT-s-OFDM	CP-OFDM	CP-OFDM/DFT-s-OFDM	DFT-s-OFDM
UE复用	CS（12个）	CS+OCC（84个）	FDM	无	Block-spreading（2/4个）
覆盖	弱	强（长符号）	弱	强（长符号+多PRB）	中等
典型场景	单CC HARQ-ACK	单CC远端UE	多CC HARQ-ACK	大码本	中等码本+复用

Format 1的84个UE复用：由12个initialCyclicShift × 7个timeDomainOCC = 84个正交资源。当符号数≥7时，OCC长度为7；符号数4-6时，OCC长度为符号数-3（DMRS占3个符号）。

四、UCI三级复用决策全链路

4.1 复用场景分类

当多种UCI在同一个PUCCH时机碰撞时，UE必须按TS 38.213 Section 9.2.5的规则进行复用或丢弃。

三大UCI类型及其优先级（从高到低）：

HARQ-ACK：最高优先级，不可丢弃（除非低优先级业务）
SR（Scheduling Request）：与HARQ-ACK同级复用
CSI（Channel State Information）：最低优先级，可被丢弃

4.2 复用决策完整流程

flowchart TD
    A["UCI碰撞检测<br/>同一slot有多种UCI"] --> B{"HARQ-ACK + SR?"}
    B -->|Yes| C{"UCI总比特 ≤ 2?"}
    C -->|Yes| D["Format 0/1: 序列选择编码<br/>Positive SR通过循环移位偏移表示"]
    C -->|No| E["Format 2/3: 载荷拼接<br/>HARQ-ACK + 1bit SR指示"]
    B -->|No| F{"HARQ-ACK + CSI?"}
    F -->|Yes| G{"UCI总比特 ≤ PUCCH容量?"}
    G -->|Yes| H["复用传输<br/>HARQ-ACK + CSI Part1 + CSI Part2"]
    G -->|No| I["丢弃CSI<br/>仅发HARQ-ACK"]
    F -->|No| J{"SR + CSI?"}
    J -->|Yes| K{"有Positive SR?"}
    K -->|Yes| L["仅发SR<br/>丢弃CSI"]
    K -->|No| M["丢弃SR<br/>仅发CSI"]
    J -->|No| N["各UCI独立发送"]

    style D fill:#4CAF50,color:#fff
    style H fill:#2196F3,color:#fff
    style I fill:#FF9800,color:#fff
    style L fill:#9C27B0,color:#fff

4.3 HARQ-ACK + SR复用详解

Format 0场景（UCI ≤ 2 bit）： - HARQ-ACK通过循环移位编码 - Positive SR通过额外偏移N_CS个循环移位表示 - Negative SR不改变HARQ-ACK映射

Format 2/3场景（UCI > 2 bit）： - SR用1bit表示（0=Negative，1=Positive） - HARQ-ACK和SR在编码前直接拼接：[HARQ-ACK bits] + [SR bit] - 总比特数 = O_ACK + O_SR

4.4 HARQ-ACK + CSI复用：Part1/Part2的分层编码

CSI报告在Rel-15/16/17中被分为Part 1和Part 2，这是一个精妙的设计：

CSI部分	内容	特点
Part 1	RI（Rank Indicator）+ CQI + CRC	固定载荷大小，gNB可直接解码
Part 2	PMI（Precoding Matrix Indicator）	载荷大小取决于Part 1中的RI值

设计意图：Part 2的载荷大小依赖于Part 1的RI值。gNB先解码Part 1获得RI，然后才能确定Part 2的比特长度并解码Part 2。这种"两阶段解码"避免gNB盲检CSI载荷大小。

当UCI总比特超过PUCCH容量时，丢弃顺序： 1. 首先丢弃CSI Part 2 2. 如果仍然超载，丢弃CSI Part 1 3. HARQ-ACK永不丢弃

4.5 高低优先级UCI碰撞（Rel-16/17增强）

TS 38.213 Section 9.2.5.0引入了增强的优先级机制，支持URLLC和eMBB业务的UCI差异化处理：

碰撞场景	处理规则	TS参考
HP HARQ-ACK vs LP HARQ-ACK	HP HARQ-ACK优先，LP被丢弃	38.213 §9.2.5.0
HP HARQ-ACK vs LP CSI	HP HARQ-ACK优先，LP CSI丢弃	38.213 §9.2.5
LP HARQ-ACK vs HP CSI	如果能复用则复用，否则LP HARQ-ACK丢弃	38.213 §9.2.5.0
HP PUSCH vs LP PUCCH	丢弃LP PUCCH上的UCI	38.213 §9.2.5

HP=High Priority（URLLC），LP=Low Priority（eMBB）。这种机制确保URLLC的HARQ-ACK始终能及时反馈，不受eMBB业务干扰。

五、PUCCH空间关系与波束管理

5.1 Spatial Relation三层配置

PUCCH的波束方向通过Spatial Relation信息确定（TS 38.213 Section 9.2.3）：

graph TB
    A["PUCCH Spatial Relation"] --> B["参考源选择"]
    B --> C["SSB Index"]
    B --> D["CSI-RS Index<br/>(NZP CSI-RS)"]
    B --> E["SRS Index"]

    A --> F["配置方式"]
    F --> G["RRC静态配置<br/>spatialRelationInfo"]
    F --> H["MAC CE动态激活<br/>PUCCH Spatial Relation<br/>Activation/Deactivation MAC CE"]

    A --> I["激活路径"]
    I --> J["最多8个候选<br/>通过MAC CE选择1个激活"]

    style G fill:#E3F2FD
    style H fill:#FFF3E0

MAC CE激活流程（TS 38.321 Section 6.1.3.29）：

字段	大小	含义
Serving Cell ID	5 bit	目标服务小区
BWP ID	2 bit	目标BWP
PUCCH Resource ID	n bit	目标PUCCH资源
Spatial Relation Info ID	3 bit	从RRC配置的8个候选中激活哪一个

Rel-17多TRP增强：TS 38.321 Section 6.1.3.45定义了支持多TRP的PUCCH Spatial Relation Activation/Deactivation MAC CE，允许PUCCH重复（Repetition）时在不同TRP方向上轮转发送。

六、实战：抓包识别PUCCH格式与UCI复用

6.1 Wireshark/OAI抓包识别要点

识别维度	抓包字段	判断方法
PUCCH格式	RRC Reconfiguration中的formatType	直接读取PUCCH-Resource IE
资源集	PUCCH-ResourceSet ID	根据maxPayloadSize推算承载范围
UCI比特数	DCI中的PRI + HARQ-ACK码本大小	PRI索引映射到PUCCH-Resource
波束方向	MAC CE中激活的Spatial Relation ID	关联到对应SSB/CSI-RS/SRS

6.2 常见故障点

故障1：PUCCH Resource Set 0资源不足 - 现象：UE在多载波聚合时HARQ-ACK丢失 - 根因：UCI比特数超过Set 0的2bit上限，但Set 1未配置或PRI指向错误 - 定位：检查PUCCH-Config中resourceSetToAddModList是否包含Set 1

故障2：CSI被频繁丢弃 - 现象：gNB CSI报告缺失，下行调度MCS偏低 - 根因：HARQ-ACK码本过大，挤占了CSI的PUCCH容量 - 定位：检查PUCCH-Resource的nrofPRBs是否足够承载O_ACK + O_CSI

故障3：Format 0循环移位碰撞 - 现象：gNB解码HARQ-ACK出现大面积错误 - 根因：多个UE的initialCyclicShift配置冲突 - 定位：检查同小区UE的PUCCH-Resource配置，确保m₀ + Δ_mcs不重叠

七、Release 18/19增强方向

7.1 Rel-18 PUCCH增强（TS 38.213 V18.x）

PUCCH重复增强：支持跨时隙的PUCCH Repetition（Type B），提升远端UE可靠性
Inter-UE优先级复用：增强多UE场景下的PUCCH资源冲突解决
Enhanced PDCCH monitoring：减少PUCCH与PDCCH的碰撞概率

7.2 Rel-19预期方向

AI辅助PUCCH格式选择：基于UE历史行为预测UCI载荷大小，预配置最优资源集
NTN场景PUCCH增强：卫星通信长时延下的HARQ-ACK时序适配
RedCap PUCCH简化：降低RedCap UE的PUCCH格式复杂度

常见问题

Q1: Format 0和Format 1都承载≤2bit UCI，何时用哪个？ A: 关键区别在于符号数和覆盖。Format 0用1-2符号（短PUCCH），适合时延敏感场景（URLLC）；Format 1用4-14符号（长PUCCH），适合覆盖受限场景（小区边缘UE）。Format 1还支持更多UE复用（84 vs 12）。

Q2: PUCCH Resource Set 0为什么最多32个资源？ A: 这是PRI字段开销和资源灵活性的折中。32个资源需要5bit PRI，与DCI Format 1_0的字段设计对齐。32个资源足以覆盖典型8x8 PRB网格中的Format 0/1跳频资源分配。

Q3: CSI Part 1/Part 2分离编码的核心价值是什么？ A: Part 1固定大小，gNB可以无歧义解码获得RI；Part 2大小依赖RI值，gNB根据已解码的RI推算Part 2长度再解码。这避免了gNB盲检所有可能的PMI组合，大幅降低了解码复杂度。

Q4: UCI超过PUCCH容量时为什么先丢CSI Part 2而不是Part 1？ A: 因为Part 1包含RI和CQI，这些是下行调度的关键输入。Part 2的PMI是"锦上添花"——即使没有PMI，gNB仍可根据CQI用开环MIMO调度。丢失RI会导致整个MIMO维度错乱，代价远大于丢失PMI。

Q5: 为什么Format 4最多只支持4个UE复用？ A: Format 4使用Block-wise spreading（pre-DFT扩频），扩频因子只有2和4两种。扩频因子受限于单PRB内的子载波数（12个）和DMRS开销。更大的扩频因子会导致序列正交性恶化。

参考来源

3GPP TS 38.213 V18.7.0 — Section 9.2 UCI reporting procedures, Section 9.2.1 PUCCH resource sets, Section 9.2.5 UCI multiplexing
3GPP TS 38.211 V18.x — Section 6.3 PUCCH physical channel structure, Table 9.2.3-3/4 HARQ-ACK to sequence mapping
3GPP TS 38.331 V18.x — PUCCH-Config IE, PUCCH-Resource IE, PUCCH-ResourceSet IE definition
ShareTechnote - 5G PUCCH — PUCCH format overview and resource allocation tutorial
srsRAN Project - PUCCH and UCI Scheduling — Open-source PUCCH implementation reference
PUCCH Format 2/3/4 Bit Processing — Detailed bit processing chain for large-payload PUCCH formats

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

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