01

LTE物理層協(xié)議

在LTE中，物理層涉及的協(xié)議主要有：

• TS 36.201 物理層概述

• TS 36.211 物理信道與調(diào)制

• TS 36.212 復(fù)用與信道編碼

• TS 36.213 物理層過(guò)程

• TS 36.214 物理層測(cè)量

物理層規(guī)范與高層協(xié)議之間的關(guān)系，可用圖1概括。

圖1 物理層規(guī)范與高層協(xié)議之間的關(guān)系

02

物理層功能

物理層向高層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，可通過(guò)MAC子層并使用傳輸信道來(lái)接入這些服務(wù)，為提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，物理層提供如下功能：

• 傳輸信道錯(cuò)誤檢測(cè)，并向高層提供指示

• 傳輸信道前向糾錯(cuò)編解碼

• 混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）軟合并

• 編碼的傳輸信道與物理信道之間的速率匹配

• 編碼的傳輸信道與物理信道之間的映射

• 物理信道的功率加權(quán)

• 物理信道的調(diào)制與解調(diào)

• 頻率與時(shí)間同步

• 射頻特性測(cè)量并向高層提供指示

• MIMO無(wú)線處理

• 傳輸分集

• 波束賦形

• 射頻處理

03

LTE-PUSCH處理過(guò)程

信道復(fù)用與信道編碼

（一）物理信道映射

• 上行

上行傳輸信道與物理信道映射關(guān)系

傳輸信道(TrCH)	物理信道(Physical Channel)
上行共享信道（UL-SCH）	物理上行共享信道（PUSCH）
隨機(jī)接入信道（RACH）	物理隨機(jī)接入信道（PRACH）

上行控制信道與物理信道映射關(guān)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

下行傳輸信道與物理信道映射關(guān)系

傳輸信道(TrCH)	物理信道(Physical Channel)
下行共享信道（DL-SCH）	物理下行共享信道（PDSCH）
廣播信道（BCH）	物理廣播信道信道（PBCH）
尋呼信道(PCH)	物理下行共享信道(PDSCH)
多播信道(MCH)	物理多播信道(PMCH)

下行控制信道與物理信道映射關(guān)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）信道編碼、復(fù)用和交織

來(lái)自MAC層/向MAC層輸出的數(shù)據(jù)和控制流經(jīng)過(guò)編/解碼，通過(guò)無(wú)線傳輸鏈路提供傳輸和控制服務(wù)。
信道編碼方案是錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤糾正、速率匹配、交織以及傳輸信道或控制信息向物理信道映射/從物理信道到傳輸信道控制信息解析或分離的組合方案。

信道編碼與復(fù)用通用流程，如圖2所示。

圖2 信道編碼與復(fù)用通用流程

（三）上行共享信道編碼流程

?CRC計(jì)算
nCRC24用于下行共享信道（PDSCH）、尋呼信道（PCH）、多播信道（MCH）和上行共享信道（UL-SCH）。分A、B兩種生成多項(xiàng)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上傳輸時(shí)的CRC計(jì)算。一個(gè)傳輸塊（TB）在物理層中的信道編碼過(guò)程，如圖3所示。

圖3 TB物理層信道編碼過(guò)程

?信道編碼

nTurbo編碼 LTE物理層Turbo編碼器由2個(gè)并行子編碼器和1個(gè)內(nèi)交織器組成，碼率1/3。Turbo編碼器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Turbo編碼器

內(nèi)交織器：采用二次置換多項(xiàng)式（QPP）算法。輸入：c0, c1,…, c(k-1),輸出c0′, c1′,…, c_(k-1)′，關(guān)系：ci′=c(II(i))前后元素序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系：II(i)=(f1 i+f2 i^2)mod K，其中參數(shù)f1 和f2參見(jiàn)36.212 協(xié)議5.1.3.2.3節(jié)列表。n咬尾卷積編碼LTE物理層采用限制長(zhǎng)度位7的咬尾卷積碼進(jìn)行廣播信道/物理上下行控制信息信道編碼，碼率1/3，編碼多項(xiàng)式為G_0=133、G_1=171、G_2=165。6個(gè)寄存器初始狀態(tài)設(shè)置為編碼數(shù)據(jù)塊最后6個(gè)比特的數(shù)值，這樣卷積編碼的起始和結(jié)束是相同的，省去普通卷積碼方案中用于將結(jié)束狀態(tài)歸0的尾比特。卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 卷積碼編碼器

?速率匹配對(duì)信道編碼后的比特流進(jìn)行選取，形成不同的編碼速率，以匹配最終實(shí)際應(yīng)用的物理資源，以碼塊為單位進(jìn)行速率匹配。速率匹配的作用是確保在傳輸信道復(fù)用后總的比特率與所分配的專用物理信道的總比特率是相同的。如果碼字的長(zhǎng)度超過(guò)信道的承載能力，則需要進(jìn)行速度匹配，刪除一些冗余，確保在TrCH后復(fù)用的總的比特率與所分配的專用物理信道的總比特率是相同的。在這個(gè)過(guò)程中，以信道編碼的每個(gè)碼塊為單位進(jìn)行速率匹配的操作。速率匹配示意圖如圖5所示。

圖5 速率匹配示意圖Turbo碼與咬尾卷積碼的速率匹配過(guò)程基本類似，不同之處在于子碼塊交織器的列輸出順序以及最終比特選擇和修剪有所不同。速率匹配過(guò)程如圖6所示。

圖6 速率匹配過(guò)程nTurbo速率匹配Turbo編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行速率匹配的過(guò)程，包括以每個(gè)碼塊為單位進(jìn)行“3個(gè)分量碼的子塊交織”、“形成circular buffer”以及“按照RV(Redundancy Version)和比特?cái)?shù)目選取本次發(fā)送的比特序列”。根據(jù)冗余版本RV和比特?cái)?shù)目進(jìn)選擇輸出，可以通過(guò)圖7所示的示意圖進(jìn)行理解。圖7 冗余版本示意圖
圖中綠色表示信息bit，藍(lán)色表示冗余bit。當(dāng)RV為0（第一次傳輸）會(huì)傳輸較多的系統(tǒng)bit，當(dāng)本次傳輸失敗，第二次重傳時(shí)，取RV=1，會(huì)傳輸較多的冗余bit，上次失敗的數(shù)據(jù)接收端并沒(méi)有丟棄，二是會(huì)結(jié)合重傳的更多冗余bit進(jìn)一步解碼，如果再出錯(cuò)，則取RV為2，傳輸更多的冗余bit。Turbo碼基于CB的速率匹配過(guò)程，如圖8所示。圖8 Turbo基于CB的速率匹配3個(gè)分量碼經(jīng)過(guò)子塊交織后形成3個(gè)長(zhǎng)度為Kπ的數(shù)據(jù)流vk^0、vk^1、vk^2，將3個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行連接，形成長(zhǎng)度K_w=3Kπ的Circular Buffer: W，連接規(guī)則：wk=vk^((0)) 、w(k(π+k) )=vk^((1)) 、w(k(π+2k+1) )=vk^((2))，k=0,…,kπ-1
在每次數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，根據(jù)本次HARQ傳輸中對(duì)應(yīng)的RV(Redundancy Version)和比特?cái)?shù)目選取本次發(fā)送的比特序列。RV的數(shù)值rvidx={0,1,2,3}描述了比特序列在Circular Buffer中的起始位置k_0，數(shù)學(xué)表達(dá)式：k0=Rsubblock^TC (2[Ncb/(8Rsubblock^TC )] rvidx+2)
其中，Turbo編碼器的子塊交織器，其列間置換模式如表1所示。表1 Turbo子塊交織器列間置換模式

列數(shù) C_subblock^TC	列間置換模式
32	<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咬尾卷積碼速率匹配
卷積編碼的3個(gè)分量碼各自經(jīng)過(guò)子塊交織后形成長(zhǎng)度為Kπ的數(shù)據(jù)流v^((0))、v^((1))、v^((2))，進(jìn)行連接后，形成長(zhǎng)度Kw=3Kπ的Circular Buffer。
連接規(guī)則：Wk=Vk^((0))、W(kπ+k)=Vk^((1))、W(2kπ+k)=Vk^((2))，k=0,1,2…,kπ-1基于CB的咬尾卷積碼速率匹配如圖9所示，子塊交織器的列間置換模式如表2所示。圖9 基于CB的咬尾卷積碼速率匹配表2 咬尾卷積碼子塊交織器列間置換模式

列數(shù) C_subblock^TC	列間置換模式
32	<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>

物理信道和調(diào)制 （一）幀結(jié)構(gòu)在LTE協(xié)議規(guī)范中，各種域的時(shí)域大小均為時(shí)間單位Ts的倍數(shù)，Ts定義為：T_s=1/(1500×2048)秒。LTE在空中接口上可支持兩種幀結(jié)構(gòu)：FDD模式和TDD模式，兩種無(wú)線幀的長(zhǎng)度均為10ms。，幀結(jié)構(gòu)分別如圖10、11所示。
圖10 FDD模式幀結(jié)構(gòu)圖11 TDD模式幀結(jié)構(gòu)（二）物理上行共享信道（PUSCH）物理上行共享信道基帶信號(hào)處理過(guò)程，如圖12所示。
圖12 上行物理信道處理過(guò)程加擾：為了使傳輸?shù)谋忍仉S機(jī)化，提高傳輸性能，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行比特級(jí)的加擾 。具體方法：采用偽隨機(jī)序列與要傳輸?shù)谋忍匦蛄羞M(jìn)行模2加，從而達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)隨機(jī)化的目的。

調(diào)制：PUSCH中，擾碼比特塊b(0),...,b(Mbit-1)通過(guò)調(diào)制，得到d(0),...,d(Msymb-1)的復(fù)值符號(hào)塊。對(duì)于用戶數(shù)據(jù)，采用QPSK、16QAM和64QAM進(jìn)行調(diào)制；對(duì)于控制信息，采用QPSK進(jìn)行調(diào)制。

傳輸預(yù)編碼：預(yù)編碼過(guò)程實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行DFT變換，完成頻域插值。RE映射：RE映射即為預(yù)編碼后的頻域符號(hào)映射至分配給PUSCH傳輸?shù)奈锢碣Y源塊進(jìn)行傳輸。SC_FDAM信號(hào)生成：為每個(gè)天線端口生成復(fù)值時(shí)域的SC_FDAM符號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻和DAC轉(zhuǎn)換發(fā)射。主要操作是進(jìn)行IFFT變換，添加循環(huán)前綴CP,以及避開(kāi)直流的半載波偏移。