网络数据传输流程系列（4）—物理层OFDM、MIMO实现

上回书讲到网络物理层处理共11个步骤（Bob小编看一个小视频的背后发生了这么多事…），并且详细介绍第一部分：第一步到第五步，从传输块到码字的处理流程，重点是信道编码和速率匹配。今天，小编要说说第二部分：第六步到第十一步，重点讲4G网络哼哈二将MIMO和OFDM在物理层如何实现，同时本文也是4G数据传输流程的收官之战。

来吧，和小编一起继续物理层之战。第六步~第十一步依次是加扰、调制、层映射、预编码、资源映射、OFDM符号生成，其中第八步层映射和第九步预编码实现MIMO，第十一步OFDM符号生成实现另一关键技术OFDM。

第六步：加扰。输入是一串称为码字的比特流，与一串已知的码序列，称为扰码，进行异或运算就得到输出比特流。

A：这么折腾为啥？

B：加扰的目的是为了避免干扰，下行方向避免小区间干扰，上行方向避免用户间干扰。

A：怎么就避免干扰了？

B：看图说话。以下行为例，Bob手机所属基站叫eNB X，旁边一个基站eNB Y发射的信号对于Bob手机来说就是干扰；基站X发送的数据采用扰码1数据加扰，这是有用数据；基站Y发送的数据采用扰码2加扰，这是干扰数据；两个扰码1和2是正交的。

B：Bob手机接收到两个基站的信号后，用扰码1和接收到的数据做运算，把基站X发送的数据还原出来；而基站Y的数据采用扰码2加扰，并且扰码1和扰码2正交，所以运算后干扰数据就被抵消掉了。这样Bob手机相当于没收到干扰基站Y的信号，从而避免小区间干扰。

第七步：调制。输入是加扰后的一串比特流；输出是I路和Q路两路数据。调制的目的很简单，使无线资源，即一个载波，承载更多的信息bit，提高频谱利用率，增加传输速率和小区容量。怎么使一个载波承载更多的信息bit呢？信息bit就是0101的一串数据，载波上某些参数的变化就能反映出01的信息来，这些参数包括幅度、相位、频率等。比如，对于一个载波，幅度高代表1，幅度低代表0，相位0度代表1，相位90度代表0，这样幅度和相位两个参数就有四种组合，分别代表11,10,01,00四种信息bit。

4G网络中，数据传输采用的是QAM调制方式，就是用一个载波的幅度和相位来表示信息bit。输入数据，按照调制方式星座图，将若干个信息bit映射成一个调制符号，调制符号从数学表达上看是一个复数S=I+j*Q，其实部和虚部分别对应输出的I路和Q路信号值，利用欧拉公式可以计算出幅度和相位。具体映射方式在36.211 7.1中有详细介绍。

举个栗子，输入的一串数据为01011000，采用16QAM调制方式，这8个比特将被映射为两个调制符号，查36.211 Table 7.1.3-1可以得到映射后的I，Q取值，如下图。也就是说01011000这串数据通过16QAM调制器后，输出两路信号，其中I路取值XX和XX，Q路取值XX和XX（看下图吧，不知道怎么打根号。。。），对应两个调制符号。工程实现上当然无法输出一个复数，只需要把I路、Q路信号的取值保存成一张表，后续处理直接从表中取数就OK。

第八步：层映射，第九步：预编码。 4G网络一项关键技术是多天线，这里第七步和第八步就是为了实现多天线技术。多天线在移动通信史有重要地位，移动通信发展史就是与无线资源做斗争的血泪史，而多天线就是一个重要武器，它发现了除频率、时间等无线资源外另一片新的资源，就是空间资源。2G、3G中已经开发利用了频域、时域、码域，4G要好好开发利用空域资源，就像在拓宽车道的基础上架立交桥。

想利用空域资源，至少得能在空间中区分出不同的路呀，不然肯定撞车，靠什么区分？怎么区分？哈哈，就是靠多天线，发送端多天线，就收端也是多天线，这样从发送端到接收端连线，就得到一条一条的路，天线越多，路越多，我们的新天地越广阔。既然这样，使劲的加天线，岂不更好？用膝盖想想也是不对的。

天线越多，设计越复杂，越贵啊，对比下带8根天线长得像蜘蛛的路由器和普通2根天线的路由器价格就知道啦；

天线越多，道路越密，有些路就不好区分了，既然路都分不开了，要多天线有毛线用啊。

所以目前4G网络的基站一般最多8天线，4G手机一般两天线。当然，现在大规模天线也如火如荼，成为5G的关键技术，小编也会在后续天线系列中说说大规模天线是什么鬼，记得关注呦~

铺垫了这么多，到底第七、八步是怎么处理的呢？看图。

还得继续铺垫…先说说上图里层/流、天线端口、物理天线。

物理天线数，就是基站和手机上实际的天线，这是硬件基础设施，决定了多天线性能的理论上限。现在绝大部分手机有两根天线，基站最多有八根天线（像某动的TD-LTE基站）。

天线端口：小编编在第二段（自己找哈~）中提到了，多天线技术核心是利用不同天线创造出不同的路，这些路必须得能区分开，不然如果两条路离得很近，我们也只能把它们当成一条来看了。翻译成通信汪的话，就是不同天线信道环境要不相关。这里天线端口就是指不相关的物理天线数，那么当然，天线端口<=物理天线数，天线端口数决定了多天线实际最高性能。

层/流：这两其实是一个意思，但好像在国内大家都叫流，翻译成E文就成了layer，经常说的下行双流，上行双流，以及近期比较火热的下行四流就是dual layers，four layers。第七步层映射输出的数据就叫层，层映射输出几个layer，就称为几流。

终于铺垫完了，开始说层映射和预编码哈。我们知道4G 下行最多可以同时处理2个TB，对应两个CW；上行只能处理一个TB，对应一个CW。而我们上面提到的天线数、层数/流数动不动就4呀，8呀的，显然比2大，所以存在这么个关系：TB数=CW数<=层数<=天线端口数<=物理天线数，而层映射和预编码这两货就是把CW数、层/流数、天线端口数匹配起来。数学上看，层映射就是串并转换，预编码就是和一个矩阵做乘法。层映射串并转换规则参考TS36.211 6.3.3节，预编码乘的那个矩阵叫预编码矩阵，取值参考TS36.211 6.3.4节。

简单讲，通过层印射、预编码首先将CW变成多层并行数据，进而再与多天线匹配，获得多天线不同增益，包括复用、分集、波束赋形。当然，具体CW映射到多少层，选择哪个预编码矩阵都是由物理层的上层MAC层资源调度器决定的，物理层仍然是个干活的。这其中，也需要手机的参与，包括反馈信道状态信息（CSI）、预编码矩阵指数（PMI）、RI等，具体过程说来话长，所以就不说了。

举个栗子，看下图。第一个码字调制后得到4个符号，记为矩阵S；要把它映射到两层，按照TS36.211 6.3.3规则，串并转换后得到两层数据（也就是两流），数学上看就是个两行矩阵，第一层是[S0，S2]，第二层是[S1，S3]；假设天线端口数为2，则两层数据分别乘以一个22的预编码矩阵W，仍然得到一个22的矩阵Y，Y的两行[Y0，Y2]和[Y1，Y3]就是每个天线端口的数据。层数、预编码矩阵、天线端口数是由基站资源调度器根据手机反馈上来的一些关键信息（如RI、CSI、PMI）决定的。

最后，说明一点，层映射和预编码处理的数据都是复数信号，也就是同时处理I路和Q路。输出仍然是复信号，对应I和Q两路，并且每一个天线端口输出的数据都是如此。

第十步：资源映射， 第十一步：OFDM信号生成。把第十步和第十一步一起讲的目的是，在逻辑上，资源映射和OFDM信号生成是分开的，没什么关系；但在实现上，可以认为二者是同时进行的。这两个步骤功能很简单，就是把每一个天线端口对应的数据（I和Q路）映射到二维时频资源，然后生成OFDM波形，但是不容易理解。这里小编将通过具体工程实现来说明白，下图是OFDM信号生成器。

一个天线端口输出的I路和Q路调制数据经过OFDM波形发生器，输出两路OFDM信号，I-OFDM和Q-OFDM，完了。

A：完了？这么简单…你逗我吧？

B：流程和实现就是这样的，玄妙都在那个专用的DSP信号发生器。

A：说说呗…

B：OFDM的原理和好处都被嚼烂了，就不说了，小编重点说OFDM的实现。

B：OFDM其实就是一系列正交正弦或余弦信号（子载波）的叠加，从数学表达式上看更清晰：OFDM=Σa(k)*cos(kft)，也就是说，在某一个时刻（已知t），如果知道k阶子载波的取值cos(kft)，把它和输入的信号a(k)乘起来，在对k求和，就得到OFDM在t时刻的值。

A：输入信号a(k)肯定是已知的，只要能产生k阶子再波cos(kft)就OK了呗。

B：对，过去产生载波信号使用本振，一个本振产生一个频率的载波信号，k阶载波就需要k个本振。4G网路中，20MHz带宽时大概有1300多个子载波。

A：那就要用1300多个本振？？受的了吗…

B：受不了啊，所以这也是OFDM技术原理早就出现了，但一直没能得到应用的原因之一。直到随着集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，采用专用的DSP来实现OFDM，子载波通过软件生成，其数量与硬件没有关系，OFDM才开始迈向高速移动通信领域。

A：这就是上图“OFDM波形发生器”中DSP的来龙去脉吧！

A：那“复数IFFT算法”又是神马?

B：现在实现OFDM硬件已经不是问题了，但光有硬件还不行，还要有实现的算法，复数IFFT就是一种算法。

A：一种？这么说有好多可以实现OFDM的算法喽？

B：当然，刚才说了，某一时刻的OFDM信号实际上就是输入信号a(k)和k阶子载波乘积的叠加，本质就是输入一个序列a(k)，输出另一个相同长度的序列。所以只要能满足这个要求的算法都可以生成OFDM信号。像离散余弦变换、反向离散哈特莱变换、实数IDFT变换等，还有就是复数IFFT变换。

A：为什么选复数IFFT变换呢？

B：小编认为有两个原因：（1）子载波数量相同时，复数IFFT能传递的参数最多，提高带宽利用率；（2）QAM调制后的信号也是复信号，复数IFFT输入也是复数，二者一拍即合。

A：明白！

A：还有一个问题…OFDM波形发生的硬件和算法都有了，到底怎么工作呢？

B：复数IFFT算法同时处理I路和Q路，处理流程完全相同，以I路处理为例。

B：首先，基站和手机里要存一张表，这张表是1~k阶子载波（正弦或余弦）在0~N-1这N个采样点的幅值，即函数C(k, n) = cos(k*n*2π/N)取值，k是载波阶数，在4G中最大取2048；n是采样点序号，取值0~N-1。

B：其次，取I路数据的k个值a(1)~a(k)，分别与C(k,n)，即1~k子载波幅值相乘，得到k个值，再把k个值相加，得到采样点n的OFDM信号幅值，即OFDM(n)=Σa(k)*C(k, n)=Σa(k)*cos(k*n*2π/N)。

B：这样依次计算出一个采样周期OFDM信号的幅值：OFDM(0)，OFDM(1)~OFDM(N-1)，再通过D/A转换就得到OFDM信号波形。

B：放一张时域的OFDM信号波形直观感受下。

A：这是I路的数据，Q路同理，最后也得到这样一张图？

B：聪明。

B：这两张图最后通过上变频/下变频、功放、合路、滤波变成射频信号，通过天线发射出去。

A：最后一个问题…上面讲辣么多，好像没有提到资源映射吧？

B：其实已经提到了，我们在说OFDM生成的时候，讲到要用子载波幅值和输入信号做运算，选择用哪些子载波就是资源映射。这也是由基站资源调度器决定，不是物理层决定。

A：酱紫啊！

B：当然，资源映射也没这么简单。还涉及到虚拟资源块概念，以及集中映射还是分布映射。另外，上行由于采用SC-OFDM，所以一个用户分配的资源在频域上是连续的，这点与下行不同。

A：Soga！

至此，4G物理层之战就大获全胜，数据传输流程也已收官，后续小编将开启4G速率分析模式，敬请期待~

作者：读万卷行万里
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来源：简书
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