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 復用與信道編碼

• TS 36.213 物理層過程

• TS 36.214 物理層測量

物理層規(guī)范與高層協(xié)議之間的關系，可用圖1概括。

圖1 物理層規(guī)范與高層協(xié)議之間的關系

02

物理層功能

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

• 傳輸信道錯誤檢測，并向高層提供指示

• 傳輸信道前向糾錯編解碼

• 混合自動重傳請求（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

• 物理信道的調(diào)制與解調(diào)

• 頻率與時間同步

• 射頻特性測量并向高層提供指示

• MIMO無線處理

• 傳輸分集

• 波束賦形

• 射頻處理

03

LTE-PUSCH處理過程

信道復用與信道編碼

（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）
隨機接入信道（RACH）	物理隨機接入信道（PRACH）

上行控制信道與物理信道映射關系

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、復用和交織

來自MAC層/向MAC層輸出的數(shù)據(jù)和控制流經(jīng)過編/解碼，通過無線傳輸鏈路提供傳輸和控制服務。
信道編碼方案是錯誤檢測、錯誤糾正、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。

信道編碼與復用通用流程，如圖2所示。

圖2 信道編碼與復用通用流程

（三）上行共享信道編碼流程

?CRC計算
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上傳輸時的CRC計算。一個傳輸塊（TB）在物理層中的信道編碼過程，如圖3所示。

圖3 TB物理層信道編碼過程

?信道編碼

nTurbo編碼 LTE物理層Turbo編碼器由2個并行子編碼器和1個內(nèi)交織器組成，碼率1/3。Turbo編碼器結構如圖4所示。

圖4 Turbo編碼器

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

圖5 卷積碼編碼器

?速率匹配對信道編碼后的比特流進行選取，形成不同的編碼速率，以匹配最終實際應用的物理資源，以碼塊為單位進行速率匹配。速率匹配的作用是確保在傳輸信道復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。如果碼字的長度超過信道的承載能力，則需要進行速度匹配，刪除一些冗余，確保在TrCH后復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。在這個過程中，以信道編碼的每個碼塊為單位進行速率匹配的操作。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。速率匹配過程如圖6所示。

圖6 速率匹配過程nTurbo速率匹配Turbo編碼后的數(shù)據(jù)進行速率匹配的過程，包括以每個碼塊為單位進行“3個分量碼的子塊交織”、“形成circular buffer”以及“按照RV(Redundancy Version)和比特數(shù)目選取本次發(fā)送的比特序列”。根據(jù)冗余版本RV和比特數(shù)目進選擇輸出，可以通過圖7所示的示意圖進行理解。圖7 冗余版本示意圖
圖中綠色表示信息bit，藍色表示冗余bit。當RV為0（第一次傳輸）會傳輸較多的系統(tǒng)bit，當本次傳輸失敗，第二次重傳時，取RV=1，會傳輸較多的冗余bit，上次失敗的數(shù)據(jù)接收端并沒有丟棄，二是會結合重傳的更多冗余bit進一步解碼，如果再出錯，則取RV為2，傳輸更多的冗余bit。Turbo碼基于CB的速率匹配過程，如圖8所示。圖8 Turbo基于CB的速率匹配3個分量碼經(jīng)過子塊交織后形成3個長度為Kπ的數(shù)據(jù)流vk^0、vk^1、vk^2，將3個數(shù)據(jù)流進行連接，形成長度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)送過程中，根據(jù)本次HARQ傳輸中對應的RV(Redundancy Version)和比特數(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)學表達式：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個分量碼各自經(jīng)過子塊交織后形成長度為Kπ的數(shù)據(jù)流v^((0))、v^((1))、v^((2))，進行連接后，形成長度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）幀結構在LTE協(xié)議規(guī)范中，各種域的時域大小均為時間單位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構：FDD模式和TDD模式，兩種無線幀的長度均為10ms。，幀結構分別如圖10、11所示。
圖10 FDD模式幀結構圖11 TDD模式幀結構（二）物理上行共享信道（PUSCH）物理上行共享信道基帶信號處理過程，如圖12所示。
圖12 上行物理信道處理過程加擾：為了使傳輸?shù)谋忍仉S機化，提高傳輸性能，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行比特級的加擾 。具體方法：采用偽隨機序列與要傳輸?shù)谋忍匦蛄羞M行模2加，從而達到傳輸數(shù)據(jù)隨機化的目的。

調(diào)制：PUSCH中，擾碼比特塊b(0),...,b(Mbit-1)通過調(diào)制，得到d(0),...,d(Msymb-1)的復值符號塊。對于用戶數(shù)據(jù)，采用QPSK、16QAM和64QAM進行調(diào)制；對于控制信息，采用QPSK進行調(diào)制。

傳輸預編碼：預編碼過程實質(zhì)上是進行DFT變換，完成頻域插值。RE映射：RE映射即為預編碼后的頻域符號映射至分配給PUSCH傳輸?shù)奈锢碣Y源塊進行傳輸。SC_FDAM信號生成：為每個天線端口生成復值時域的SC_FDAM符號，經(jīng)過上變頻和DAC轉(zhuǎn)換發(fā)射。主要操作是進行IFFT變換，添加循環(huán)前綴CP,以及避開直流的半載波偏移。