LTE的信道

前言

       信道是不同类型的信息，按照不同传输格式、用不同的物理资源承载的信息通道。根据信息类型的不同、处理过程的不同可将信道分为多种类型。

       本文重点介绍LTE的逻辑信道、传输信道、物理信道等常见的信道类型，并和3G相应的信道类型作了比较，通过比较可以加深LTE信道结构的理解。最后给出LTE从逻辑信道到传输信道，再到物理信道的映射关系。依据不同的货物类型，采用不同的处理工艺，选择相应的运送过程，最后保证接收方及时正确地接受货物。

1.信道结构

1.1 信道的含义

信道就是信息的通道。不同的信息类型需要经过不同的处理过程。

广义地讲，发射端信源信息经过层三、层二、物理层处理，在通过无线环境到接收端，经过物理层、层二、层三的处理被用户高层所识别的全部环节，就是信道。

信道就是信息处理的流水线。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撑的关系。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）。

协议的层与层之间要有许多这样的业务接入点，以便接收不同类别的信息。狭义的讲，不同协议之间的SAP就是信道。

1.2 三类信道

LTE采用UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。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，如图所示。

       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。

       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。

       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。

1.3 LTE与UMTS信道总体比较

和UMTS的信道结构相比，LTE的信道结构做了很大简化。传输信道从原来的9个减为现在的5个，物理信道从20个信道简化为LTE的上行3个，下行6个，再加上2个参考信号。

 

2.逻辑信道

根据传送消息的不同类型，逻辑信道分为两类：控制信道、业务信道。

2.1 五个控制信道

MAC层提供的控制信道有以下五个：

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）是广而告之的消息入口，面向辖区内的所有用户广播控制信息。BCCH是网络到用户的一个下行信道，他传送的信息是在用户实际工作开始之前，做一些必要的通知工作。他是协调、控制、管理用户行为的重要信息。虽不干业务上的活，但没有它业务信道就不知如何开始工作。

寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）是寻人启事类消息的入口。当不知道用户具体处在哪个小区的时候，用于发送寻呼消息。PCCH也是一个网络到用户的下行信道，一般用于被叫流程（主叫流程比被叫流程少一个寻呼消息）。

公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）类似主管和员工之间协调工作时信息交互的入口，用于多人干活时，协调彼此动作的信息渠道。CCCH是上、下行双向和点对多点的控制信息传送信道，在UE和网络没有建立RRC连接的时候使用。

专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）类似领导和某个亲信之间面授机宜的信息入口，是两个建立了亲密关系的人干活时，协调彼此动作的信息渠道。DCCH是上、下行双向和点到点的控制信息传送信道，是在UE和网络建立了RRC连接以后使用。

多播控制信道（MultiCast Control Channel，MCCH）类似领导给多个下属下达搬运一批货物命令的入口，是领导指挥多个下属干活时协调彼此工作的信息渠道。MCCH是点对多点的从网络侧到UE侧（下行）的MBMS控制信息的传送信道。一个MCCH可以支持一个或多个MTCH（MBMS业务信道）配置。MCCH在UMTS的信道结构中没有相关定义。网络侧类似一个电视台节目源，UE则是接收节目的电视机，而MCCH则是为了顺利发送节目电视台给电视机发送的控制命令，让电视机做好相关接受准备。

2.2 两个业务信道

MAC层提供的业务信道有以下两个：

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）是待搬运货物的入口，这个入口按照控制信道的命令或指示，把货物从这里搬到那里，或从那里搬到这里。DTCH是UE和网络之间的点对点和上、下行双向的业务数据传送渠道。

多播业务信道（Multicast Traffice Channel，MTCH）类似要搬运的大批货物，也类似一个电视台到电视机的节目传送入口。MTCH是LTE中区别于以往制式的一个特色信道，是一个点对多点的从网络侧到UE（下行）传送多播业务MBMS的数据传送渠道。

2.3 LTE与UMTS逻辑信道的比较

LTE逻辑信道和UMTS中定义的逻辑信道，BCCH、PCCH、CCCH、DCCH这四个控制信道，DTCH业务信道是两者共有的。控制信道MCCH、业务信道MTCH是LTE为了支持MBMS而设立的逻辑信道，在UMTS中没有定义。

3.传输信道

传输信道定义了空中接口中数据传输的方式和特性。传输信道可以配置物理层的很多实现细节，同时物理层可以通过传输信道为MAC层提供服务。传输信道关注的不是传什么，而是怎么传。

UMTS的传输信道分为两类：专用信道和公共信道。公共信道资源是小区内的所有用户或一组用户共同分配使用的；而专用信道是由单个用户使用的资源。

LTE的传输信道没有定义专用信道，都属于公共信道（大家都可以用）或共享信道（大家可以同时用）。

LTE传输信道只有公共信道，一个可行的分类方法是将LTE传输信道分为上行和下行信道。但LTE的共享信道（SCH）支持上、下行两个方向，为了区别，将SCH分为DL-SCH和UL-SCH。

3.1 四个下行信道

LTE下行传输信道有以下四个：

广播信道（Broadcast Channel，BCH），为广而告之消息规范了预先定义好的固定格式、固定发送周期、固定调制编码方式，不允许灵活机动。BCH是在整个小区内发射的、固定传输格式的下行传输信道，用于给小区内的所有用户广播特定的系统消息。

寻呼信道（Paging Channel，PCH）规定了寻人启示传输的格式，将寻人启示贴在公告栏之前（映射到物理信道之前），要确定寻人启示的措辞、发布间隔等。寻呼信道是在整个小区内进行发送寻呼信息的一个下行传输信道。为了减少UE的耗电，UE支持寻呼消息的非连续接收（DRX）。为支持终端的非连续接收，PCH的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是前后相随的。

下行共享信道（DL-SCH）规定了待搬运货物的传送格式。DL-SCH是传送业务数据的下行共享信道，支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调制（AMC）；支持传输功率的动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

多播信道（Multicast Channel，MCH）规定了给多个用户传送节目的传送格式，是LTE的规定区别于以往无线制式的下行传送信道。在多小区发送时，支持MBMS的同频合并模式MBSFN。MCH支持半静态的无线资源分配，在物理层上对应的是长CP的时隙。

3.2  两个上行信道

LTE上行传输信道有以下两个：

随机接入信道（Random Access Channel，RACH）规定了终端要接入网络时的初始协调信息格式。RACH是一个上行传输信道，在终端接入网络开始业务之前使用。由于终端和网络还没有正式建立链接，RACH信道使用开环功率控制。RACH发射信息时是基于碰撞（竞争）的资源申请机制（有一定的冒险精神）。

上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）和下行共享信道一样，也规定了带搬运货物的传送格式，只不过方向不同。UL-SCH是传送业务数据的从终端到网络的上行共享信道，同样支持混合自动重传HARQ，支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

上述传输信道所采用的编码方案如图。

4.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。

       在LTE中，度量时间长度的单位是采样周期Ts。UMTS中度量时间长度的单位则是码片周期Tchip。物理信道主要用来承载传输信道来的数据，但还有一类物理信道无须传输信道的映射，直接承载物理层本身产生的控制信令或物理信令（下行：PDCCH、RS、SS；上行：PUCCH、RS）。这些物理信令和传输信道映射的物理信道一样，是有着相同的空中载体的，可以支持物理信道的功能。

4.1 两大处理过程

物理信道一般要进行两大处理过程：比特级处理和符号级处理。

从发射端角度看，比特级处理是物理信道数据处理的前端，主要是在二进制比特数据流上添加CRC校验；进行信道编码、交织、速率匹配以及加扰。

加扰之后进行的是符号级处理，包括调制、层映射、预编码、资源块映射、天线发送等过程。

在接收端先进性的是符号级处理，然后是比特级处理，处理顺序与发射端不同。

4.2 六个下行物理信道

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。

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。

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。

举例来说，UMTS中，UE在预定时刻监听物理层寻呼指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接受寻呼消息；在LTE中因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量有限，所以没有PICH，寻呼指示依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH。同样UMTS有随机接入响应信道（AICH），指示UE随机接入成功；在LTE中，也没有物理层的随机接入响应信道，随机接入响应同样依靠PDCCH。

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。

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。

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。

每一种物理信道根据其承载的信息不同，对应着不同的调制方式。

PCSCH和PMCH可根据无线环境好坏，选择合适的调制方式。当信道质量好时选择高阶调制方式，如64QAM；质量差时选择低阶，如QPSK。其他信道不可变更调制方式。

4.3 三个上行物理信道

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门才能进行下面的事，如果叩门失败后面的事就没法干了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦答应了，UE便可进一步和网络沟通信息。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：上行方向发号施令的嘴巴，但干实活的PUSCH需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道质量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

PUSCH可根据信道质量好坏选择相应的调制方式。PRACH则采用Zadoff-Chu随机序列。ZC序列是自相关特性较好的一种序列（在一点处自相关值最大，在其他处自相关值为0；具有恒定幅值的互相关特性，较低的峰均比特性），在LTE中，发送端和接收端的子载波频率容易出现偏差，接收端需要对这个频偏进行估计，使用ZC序列可以进行频偏的粗略估计。

5.物理信号

       物理信号是物理层产生并使用的、有特定用途的一系列无线资源单元（Resource Element）。物理信号并不携带从高层来的任何信息，类似没有高层背景的底层员工，配合其他员工工作时，彼此约定好使用的信号。它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的映射关系，但从系统观点来讲是必须的。

下行方向上定义了两种物理信号：参考信号（Reference Signal，RS）和同步信号（Synchronization Signal，SS）。

上行方向上，只定义了一种物理信号：参考信号（RS）。

5.1 下行参考信号

       下行参考信号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，类似CDMA系统中的导频信道。

       RS信号如同潜藏在人群中的特务分子，不断把一方的重要信息透露给另一方，便于另一方对这一方的情况进行判断。

频谱、衰落、干扰等因素都会使得发送端信号与接收端收到的信号存在一定偏差。信道估计的目的就是使接收端找到这个偏差，以便正确接收信息。

信道估计并不需要时时刻刻进行，只需关键位置出现一下即可。即RS离散的分布在时、频域上，它只是对信道的时、频域特性进行抽样而已。

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：

• RS在频域上的间隔为6个子载波。
• RS在时域上的间隔为7个OFDM符号周期。
• 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。

 

5.2下行同步信号

       同步信号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。

补充：LTE的物理层小区ID（Physical Cell ID，PCI）分为两部分：小区组ID（Cell Group ID）和组内ID。LTE物理层小区组有168个，每个小区组由3个组内ID组成。于是共有168×3=504个独立的小区ID。

在频域里，不管系统带宽是多少，主/从同步信号总是位于系统带宽的中心（中间的64个子载波上，协议版本不同，数值不同），占据1.25MHz的频带宽地。这样的好处是即使UE在刚开机的情况下还不知道系统带宽，也可以在相对固定子载波上找到同步信号，方便进行小区搜索，如图所示。时域上同步信号的发送也须遵循一定规则，为了方便UE寻找，要在固定的位置发送，不能过密也不能过疏。

时域里，同步信号在FDD-LTE和TDD-LTE的帧结构里的位置略有不同。协议规定FDD帧结构传送的同步信号，位于每帧（10ms）的第0个和第5个子帧的第1个时隙中；主同步信号位于该传送时隙的最后一个OFDM符号里；次同步信号位于该传送时隙的倒数第二个OFDM符号里，如图所示。

时域中TDD-LTE的同步信号位置与FDD不一样。TDD中，主同步信号位于特殊时隙DwPTS里，位置与特殊时隙的长度配置有一定关系；次同步信号位于0号子帧的1#时隙的最后一个符号里，如图所示。

5.3 上行参考信号

       上行参考信号RS类似下行参考信号的实现机制。也是在特定的时频单元中发送一串伪随机码，类似TD-SCDMA里的上行导频信道（UpPCH），用于eUTRAN与UE的同步以及eUTRAN对上行信道进行估计。

上行参考信号有两种情况：

（1）UE和eUTRAN已建立业务连接

PUSCH和PUCCH传输时的导频信号，是便于eUTRAN解调上行信息的参考信号，这种上行参考信号称为解调参考信号（Demodulation Reference Signal，DM RS）。DM RS可以伴随PUSCH传输，也可以伴随PUCCH传输，占用的时隙位置及数量两者不同。

（2）UE和eUTRAN未建立业务连接

处于空闲态的UE，无PUSCH和PUCCH可以寄生。这种情况下UE发送的RS信号，不是某个信道的参考信号，而是无线环境的一种参考导频信号，称做环境参考信号（Sounding Reference Signal，SRS）。这时UE没有业务连接，仍然给eUTRAN汇报一下信道环境，是一种高尚的品质。

既然是参考信号，就需要方便被参考。要做到容易被参考，就需要在约定好的固定位置出现。

如图所示，伴随PUSCH传输的DM RS约定好的出现位置是每个时隙的第4个符号。PUCCH携带不同的信息时DM RS占用的时隙数不同。

SRS由多少个UE发送，发送周期、带宽是多大可由系统调度配置。SRS一般在每个子帧的最后一个符号发送。

6.信道映射

       信道映射是指逻辑信道、传输信道、物理信道之间的对应关系，这种对应关系包括底层信道对高层信道的服务支撑关系及高层信道对底层信道的控制命令关系。

LTE的信道映射关系如图所示。

从图中可以看出LTE信道映射的关系有以下几个规律：

• 高层一定需要底层的支撑，工作需要落地；
• 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；
• 无论传输信道还是物理信道，共享信道干的活种类最多；
• 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。