LTE物理层学习（一）

LTE物理层协议

在LTE中，物理层涉及的协议主要有：

TS 36.201 物理层概述
TS 36.211 物理信道与调制
TS 36.212 复用与信道编码
TS 36.213 物理层过程
TS 36.214 物理层测量

物理层规范与高层协议之间的关系，可用图1概括。

图1 物理层规范与高层协议之间的关系

物理层功能

物理层向高层提供数据传输服务，可通过MAC子层并使用传输信道来接入这些服务，为提供数据传输服务，物理层提供如下功能：

传输信道错误检测，并向高层提供指示
传输信道前向纠错编解码
混合自动重传请求（HARQ）软合并
编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配
编码的传输信道与物理信道之间的映射
物理信道的功率加权
物理信道的调制与解调
频率与时间同步
射频特性测量并向高层提供指示
MIMO无线处理
传输分集
波束赋形
射频处理

LTE-PUSCH处理过程

信道复用与信道编码

（一）物理信道映射

上行

上行传输信道与物理信道映射关系

传输信道(TrCH)	物理信道(Physical Channel)
上行共享信道（UL-SCH）	物理上行共享信道（PUSCH）
随机接入信道（RACH）	物理随机接入信道（PRACH）

上行控制信道与物理信道映射关系

控制信息（Control information）

物理信道(Physical Channel)

上行控制信息（UCI）

物理上行控制信道（PUCCH）、

物理上行共享信道（PUSCH）

下行

下行传输信道与物理信道映射关系

传输信道(TrCH)	物理信道(Physical Channel)
下行共享信道（DL-SCH）	物理下行共享信道（PDSCH）
广播信道（BCH）	物理广播信道信道（PBCH）
寻呼信道(PCH)	物理下行共享信道(PDSCH)
多播信道(MCH)	物理多播信道(PMCH)

下行控制信道与物理信道映射关系

控制信息（Control information）	物理信道(Physical Channel)
控制格式指示（CFI）	物理控制格式指示信道（PCFICH）
HARQ指示(HI)	物理HARQ指示信道（PHICH）
下行控制信息（DCI）	物理下行控制信道（PDCCH）

（二）信道编码、复用和交织

来自MAC层/向MAC层输出的数据和控制流经过编/解码，通过无线传输链路提供传输和控制服务。
信道编码方案是错误检测、错误纠正、速率匹配、交织以及传输信道或控制信息向物理信道映射/从物理信道到传输信道控制信息解析或分离的组合方案。

信道编码与复用通用流程，如图2所示。

图2 信道编码与复用通用流程

（三）上行共享信道编码流程

ØCRC计算
nCRC24用于下行共享信道（PDSCH）、寻呼信道（PCH）、多播信道（MCH）和上行共享信道（UL-SCH）。分A、B两种生成多项式。

nCRC16

用于多播信道（MCH）和下行控制信息（DCI）。

nCRC8

用于上行控制信息（UCI）在PUSCH上传输时的CRC计算。一个传输块（TB）在物理层中的信道编码过程，如图3所示。

图3 TB物理层信道编码过程

Ø信道编码

nTurbo编码 LTE物理层Turbo编码器由2个并行子编码器和1个内交织器组成，码率1/3。Turbo编码器结构如图4所示。

图4 Turbo编码器

内交织器：采用二次置换多项式（QPP）算法。输入：c0, c1,…, c(k-1),输出c0′, c1′,…, c_(k-1)′，关系：ci′=c(II(i))前后元素序号对应关系：II(i)=(f1 i+f2 i^2)mod K，其中参数f1 和f2参见36.212 协议5.1.3.2.3节列表。n咬尾卷积编码LTE物理层采用限制长度位7的咬尾卷积码进行广播信道/物理上下行控制信息信道编码，码率1/3，编码多项式为G_0=133、G_1=171、G_2=165。6个寄存器初始状态设置为编码数据块最后6个比特的数值，这样卷积编码的起始和结束是相同的，省去普通卷积码方案中用于将结束状态归0的尾比特。卷积码编码器结构如图5所示。

图5 卷积码编码器

Ø速率匹配对信道编码后的比特流进行选取，形成不同的编码速率，以匹配最终实际应用的物理资源，以码块为单位进行速率匹配。速率匹配的作用是确保在传输信道复用后总的比特率与所分配的专用物理信道的总比特率是相同的。如果码字的长度超过信道的承载能力，则需要进行速度匹配，删除一些冗余，确保在TrCH后复用的总的比特率与所分配的专用物理信道的总比特率是相同的。在这个过程中，以信道编码的每个码块为单位进行速率匹配的操作。速率匹配示意图如图5所示。

图5 速率匹配示意图Turbo码与咬尾卷积码的速率匹配过程基本类似，不同之处在于子码块交织器的列输出顺序以及最终比特选择和修剪有所不同。速率匹配过程如图6所示。

图6 速率匹配过程nTurbo速率匹配Turbo编码后的数据进行速率匹配的过程，包括以每个码块为单位进行“3个分量码的子块交织”、“形成circular buffer”以及“按照RV(Redundancy Version)和比特数目选取本次发送的比特序列”。根据冗余版本RV和比特数目进选择输出，可以通过图7所示的示意图进行理解。图7 冗余版本示意图
图中绿色表示信息bit，蓝色表示冗余bit。当RV为0（第一次传输）会传输较多的系统bit，当本次传输失败，第二次重传时，取RV=1，会传输较多的冗余bit，上次失败的数据接收端并没有丢弃，二是会结合重传的更多冗余bit进一步解码，如果再出错，则取RV为2，传输更多的冗余bit。Turbo码基于CB的速率匹配过程，如图8所示。图8 Turbo基于CB的速率匹配3个分量码经过子块交织后形成3个长度为Kπ的数据流vk^0、vk^1、vk^2，将3个数据流进行连接，形成长度K_w=3Kπ的Circular Buffer: W，连接规则：wk=vk^((0)) 、w(k(π+k) )=vk^((1)) 、w(k(π+2k+1) )=vk^((2))，k=0,…,kπ-1
在每次数据发送过程中，根据本次HARQ传输中对应的RV(Redundancy Version)和比特数目选取本次发送的比特序列。RV的数值rvidx={0,1,2,3}描述了比特序列在Circular Buffer中的起始位置k_0，数学表达式：k0=Rsubblock^TC (2[Ncb/(8Rsubblock^TC )] rvidx+2)
其中，Turbo编码器的子块交织器，其列间置换模式如表1所示。表1 Turbo子块交织器列间置换模式

列数

C_subblock^TC

列间置换模式

<0,16 ,8,24,4,20,12,28,2,18,10,26,6,22,14,30,1,17,9,25,5,21,13,29,3,19,11,27,7,23,15,31>

n咬尾卷积码速率匹配
卷积编码的3个分量码各自经过子块交织后形成长度为Kπ的数据流v^((0))、v^((1))、v^((2))，进行连接后，形成长度Kw=3Kπ的Circular Buffer。
连接规则：Wk=Vk^((0))、W(kπ+k)=Vk^((1))、W(2kπ+k)=Vk^((2))，k=0,1,2…,kπ-1基于CB的咬尾卷积码速率匹配如图9所示，子块交织器的列间置换模式如表2所示。

图9 基于CB的咬尾卷积码速率匹配表2 咬尾卷积码子块交织器列间置换模式

列数

C_subblock^TC

列间置换模式

<1,17 ,9,25,5,21,13,29,3,19,11,27,7,23,15,31,0,16,8,24,4,20,12,28,2,18,10,26,6,22,14,30>

物理信道和调制（一）帧结构在LTE协议规范中，各种域的时域大小均为时间单位Ts的倍数，Ts定义为：T_s=1/(1500×2048)秒。LTE在空中接口上可支持两种帧结构：FDD模式和TDD模式，两种无线帧的长度均为10ms。，帧结构分别如图10、11所示。

图10 FDD模式帧结构

图11 TDD模式帧结构（二）物理上行共享信道（PUSCH）物理上行共享信道基带信号处理过程，如图12所示。

图12 上行物理信道处理过程加扰：为了使传输的比特随机化，提高传输性能，对传输的数据进行比特级的加扰。具体方法：采用伪随机序列与要传输的比特序列进行模2加，从而达到传输数据随机化的目的。

调制：PUSCH中，扰码比特块b(0),...,b(Mbit-1)通过调制，得到d(0),...,d(Msymb-1)的复值符号块。对于用户数据，采用QPSK、16QAM和64QAM进行调制；对于控制信息，采用QPSK进行调制。

传输预编码：预编码过程实质上是进行DFT变换，完成频域插值。RE映射：RE映射即为预编码后的频域符号映射至分配给PUSCH传输的物理资源块进行传输。SC_FDAM信号生成：为每个天线端口生成复值时域的SC_FDAM符号，经过上变频和DAC转换发射。主要操作是进行IFFT变换，添加循环前缀CP,以及避开直流的半载波偏移。