LTE下行物理信道与物理信号
“好的文章总是结构严谨，一气呵成。掩卷时齿留余香，意犹未尽。重读《LTE轻松进阶》的第八章——LTE的信道，辅以个人理解，完成本文。请读者多多指教”
1. 信道与信号
首先我们区分一下信道和信号的概念，
1）信道(Channel)，就是信息的通道。不同信息类型需要经过不同的处理过程。在LTE中，信道就是信息处理流程，层一、二、三相互配合支撑。信道强调的是LTE各个层之间不同信息类型的处理过程。
2）信号(Signal)，物理信号时物理层产生并使用的、有特定用途的一些列无线资源粒(RE)。物理信号不携带从高层而来的任何信息，它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的直接映射关系。
2. LTE的信道分类
LTE采用UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。上一道工序把自己处理完的信息交给下一道工序时，要有一个双方都认可的标准，这个标准就是业务接入点(Service Access Point, SAP)。信道的含义也可理解为下一层向它的上层提供服务的标准接口，即业务接入点SAP。从协议栈角度来看，逻辑信道是MAC层和RLC层之间的，传输信道是物理层和MAC层之间的，物理信道是物理层的，如图1所示。
图1. 无线信道结构
这三类信道的侧重点是不一样的：
1)逻辑信道, 关注的是传输什么内容，什么类别的信息。信息首先要被分为两种类型：控制消息（控制平面的信令，如广播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。逻辑信道是高层信息传到MAC层的SAP。
2)传输信道, 关注的是怎样传？形成怎样的传输块（TB）？不同类型的传输信道对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，如调制编码方式、交织方式、冗余校验方式、空间复用方式等内容。根据对资源占有的程度不同，传输信道还可以分为共享信道和专用信道。前者就是多个用户共同占用信道资源，而后者就是由某一个用户独占信道资源。与MAC层强相关的信道有传输信道和逻辑信道。传输信道是物理层提供给MAC层的服务，MAC可以利用传输信道向物理层发送和接受数据；而逻辑信道则是MAC层向RLC层提供的服务，RLC层可以使用逻辑信道向MAC层发送和接受数据。MAC层一般包括很多功能模块，如传输调度模块、MBMS功能模块、传输块TB产生模块等。经过MAC层处理的消息向上传给RLC层的业务接入点，要变成逻辑信道的消息；向下传送到物理层的业务接入点，要变成传输信道的消息。
3)物理信道, 就是信号在无线环境中传送的方式，即空中接口的承载媒体。物理信道对应的是实际的射频资源，如时隙（时间）、子载波（频率）、天线口（空间）。物理信道就是确定好编码交织方式、调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道。根据物理信道所承载的上层信息不同，定义了不同类型的物理信道。
抛开逻辑信道和传输信道，本文主要关注的是物理信道。物理信道主要用来承载传输信道来的数据，但是也有一类物理信道无需传输信道的映射，直接承载物理层本身产生的控制信令或者物理信令。
3. LTE物理信道
物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载。在LTE中，物理信道是由一个特定的子载波、时隙、天线口确定的。即在特定的天线口上，对应的是一系列无线时频资源（Resource Element，RE）。一个物理信道是有开始时间、结束时间、持续时间的。物理信道在时域上可以是连续的，也可以是不连续的。连续的物理信道持续时间由开始时刻到结束时刻，不连续的物理信道则须明确指示清楚由哪些时间片组成。LTE含有六个下行物理信道，他们分别是：
1)物理广播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH), 辖区内的大喇叭，但并不是所有广而告之的消息都从这里广播（映射关系在下一节介绍），部分广而告之的消息是通过下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。
2)物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH), 踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，不偷懒，略有闲暇就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。
3)物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH), 发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的PDSCH需要它的协调。PDCCH传送用户数据的资源分配的控制信息。
4)物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH), 类似藏宝图，指明了控制信息（宝藏）所在的位置。PCFICH是LTE的OFDM特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM符号中的位置信息。
5)物理HARQ指示信道(Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，PHICH)，主要负责点头摇头的工作，下属以此来判断上司对工作是否认可。PHICH承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。
6)物理多播信道(Physical Multicast Channel，PMCH)，类似可点播节目的电视广播塔，PMCH承载多播信息，负责把高层来的节目信息或相关控制命令传给终端。
4. LTE下行物理信号
下行方向上定义了两种物理信号：
1) 参考信号(Reference Signal，RS)，本质上是一种伪随机序列，不含任何实际信息。这个随机序列通过时间和频率组成的资源单元RE发送出去，便于接收端进行信道估计，也可以为接收端进行信号解调提供参考，为保证RS能够充分且必要反映信道时频特性，RS在天线口的时、频单元上必须有一定规则。RS分布越密集，则信道估计越准确，但开销会很大，占用过多无线资源会降低系统传递有用信号的容量。RS分布不宜过密，也不宜过分散。 RS在时、频域上的分布遵循以下准则：
（1）RS在频域上的间隔为6个子载波。
（2）RS在时域上的间隔为7个OFDM符号周期。
（3）为最大程度降低信号传送过程中的相关性，不同天线口的RS出现位置不宜相同。
2) 同步信号(Synchronization Signal，SS)，用于小区搜索过程中UE和eUTRAN的时、频同步。UE和eUTRAN做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。同步信号包含两部分：
主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）：用于符号时间对准，频率同步以及部分小区的ID侦测。
从同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）：用于帧时间对准，CP长度侦测及小区组ID侦测。
5. 信道映射关系
信道映射就是指逻辑信道、传输信道、物理信道之间的对应关系，这种关系包括底层信道对高层信道的服务支撑关系，高层信道对底层信道的控制命令关系。LTE信道映射关系如图2.所示。
图2.LTE下行信道映射关系
从图2可以看出，LTE信道映射的关系有如下几个规律
（1）高层一定需要底层的支撑，工作需要落地；
（2）底层不一定都和上面有关系，只要干好自己分内的活，无须全部走上层路线；
（3）无论传输信道还是物理信道，共享信道干的活种类最多；
（4）由于信道简化、信道职能加强，映射关系变得更加清晰，传输信道DL/UL-SCH功能强大，物理信道PUSCH、PDSCH比UMTS干活的信道增强了很多。
图3.举例说明了不同的消息的处理流程：
图3.不同消息处理信道
6. 下行物理信道和物理信号时频资源映射图
LTE下行链路子帧通常被分为由几个OFDM符号构成的控制区以及有其余部分构成的数据区组成。控制区承载控制上行链路和下行链路数据所需要的L1/L2信令。
时频资源图与RB
一个RB内的资源映射图
图4. 时频资源映射图
6.1. 下行物理参考信号
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图5 下行物理参考信号映射图
6.2. 下行物理同步信号
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图6. 下行物理同步信号时频资源映射图
6.3. 物理广播信道
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图7. 下行广播信道映射图
6.4. 物理下行共享信道
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图8. 物理下行共享信道时频资源映射图
6.5.物理控制信道
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图9. 物理控制信道时频资源映射图
6.6. 物理控制格式指示信道
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图10. 物理控制格式指示信道时频资源映射图
6.7. 物理HARQ指示信道
整体资源映射图
一个RB内的资源映射图
图11. 物理HARQ指示信道时频资源映射图
7. LTE 峰值速率计算
计算LTE下行峰值速率，首先假设如下三个前提：
-
系统带宽分配给一个UE；
-
采用最高阶的调制与编码策略(Modulation and Coding Scheme)；
-
采用可支持的最大天线数。
在如上的三个前提下计算LTE的峰值速率，以FDD下行峰值速率为例。
1) 首先1modulation symbol = 6bits（64QAM调制）；
2) 1slot 包涵 7modulation symbols (正常长度的循环前缀CP)；
3) 1slot = 0.5ms;
4) 计算单个子载波的下载速率为：
5）20M带宽，一共包涵100个RB，每个RB包涵12个子载波，所以20M带宽的系统共有1200个子载波，于是单天线下行峰值速率为：
6）在前文我们已经讲过，只有物理下行共享信道才能承载数据业务，其他的物理信道和信号都占用时频资源，我们假设在25%的开销情况下，下行速率可以得到：
7）如果采用2×2MIMO天线，峰值速率为单天线的2倍，如果采用4×4MIMO，峰值速率是单天线的4倍，下行速率分别为：
完
2019/1/1
