LTE学习笔记3之物理层信道与信号

1、下行物理信道


下行物理信道一般处理流程:


LTE学习笔记3之物理层信道与信号_第1张图片

  • 这个过程与TD-SCDMA是不同的。在物理层传输的信号都是OFDM符号,从传输信道映射到物理信道的数据,经过一系列的底层的处理,最后把数据送到天线端口上,进行空口的传输。
1、加扰:这个加扰放在调制的前面,是对BIT进行加扰,每个小区使用不同的扰码,是小区的干扰随机化。减小小区间的干扰。
2、调制:是吧BIT变为复值符号,(应该是为QPSK这类做准备)。
3、层映射:每一个码字中的复值调制符号被映射到一个或者多个层上;根据选择的天线技术不同,而采用不同的层映射。
    a、 单天线端口层映射:选择单天线接受或者采用波束赋性技术,只对应一个天线端口的传输;
b、空间复用的层映射:天线端口有4个可用,那么就是把2个码字的复值符号映射到4个天线端口上;
  c、传输分集映射:是把一个码字上的复制符号映射到多个层上,一般选择两层或四层。
4、预编码:就是把层映射后的矩阵映射到对应的天线端口上,理所当然预编码对应也有3中类型
a、单天线端口的预编码:物理信道只能在天线端口序号为0、4、5的天线上进行传输;
b、空间复用的预编码:两端口,使用天线序列号为0、1.4端口的为0-3;
c、传输分集预编码:同上。
5、资源粒子映射:就是把预编码后的复值符号映射到虚拟资源块上没有其他用途的的资源例子上。
可以发现采用层映射和预编码的技术就是我们所谓的MIMO技术的核心。


2、PBCH信息
PBCH携带系统关键信息:系统带宽,系统帧号,PHICH周期、组数,天线信息(通过PBCH编码的CRC加掩码实现)。
#of TX antennas PBCH CRC Mack
1 <0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0>
2 <1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1>
4 <0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1>
PBCH传MIB(主信息块),MIB里有帧号、频宽、PHICH配置;
PBCH占用第一时隙的前4个OFDM符号,占用72个子载波;
PBCH每40ms传不同的值,每40ms里每10ms传的内容是一样,也就是说,40ms里正确接收到一个10ms就可以了。

PBCH传送的系统广播信息包括下行系统带宽(4bit)、SFN(系统帧号)子帧号(8bit)、PHICH(3bit)指示信息等。

PBCH的RE映射:
LTE学习笔记3之物理层信道与信号_第2张图片 LTE学习笔记3之物理层信道与信号_第3张图片

PBCH上面发送的主要是广播信息(Master Information Block),PBCH采用单天线或者发射分集方式发送,PBCH 采用 盲解

PBCH映射到每1帧的第一个子帧的第二个时隙的前四个符号,根据CP长度不同,PBCH对应的编码之后的信息比特为1920或1728比特。

PBCH映射的时候都假设基站有4天线,其中,PBCH的发送周期为40ms。

MIB信息为24bit,经过CRC(包括CRCmask)之后为40bit,再经过1/3CC后为120bit,速率匹配后为1920bit/s(normal CP,extended CP为1728bit/s),这些比特加扰后通过4个无线帧发射出去。

关于一个无线帧的RE数目,在normalCP时为240RE,extendedCP时为216RE,两种情况下导频开销不同。


PBCH不会和PDCCH冲突,因为两者是时分的,永远不会冲突。

SFN的高8bit通过PBCH传输,低2bit通过盲检测PBCH40ms定时获得。

dl-bandwidth,3位,表示6,,1,25,50,75,100六种带宽。

PHICH-duration,1为,表示Normal或Extend。

PHICH-resource,2位,对应PHICH的参数Ng, 等于{1/6,1/2,1,2}。

对Normal CP而言,40ms的物理资源共4*(4*72-4*12)=960个子载波,每个子载波上传输一个QPSK符号,因此传输1920比特。


3、物理控制格式指示信道PCFICH

PCFICH用于指示在一个子帧中传输PDCCH所使用的OFDM个数:

CFI:2bit信息

1/16编码,QPSK调制

PCFICH映射到控制区域的第一个OFDM4个REG上

4个REG之间相差1/4带宽

REG的位置与小区ID有关


PCFICH放置在第1个OFDM符号中,PCFICH的2bit信息通过4个每个长16个QPSK符号的序列承载。CFICH承载的信息非常重要,实际上划分了每个子帧中控制信令区域和数据区域的边界,所以必须采用可以有效抑制干扰的传输方式。因此,一个PCFICH序列的16个符号被分散到整个系统带宽,不同小区放置在不同的子载波组上。另外,PCFICH也进行小区特定加扰(Cell-specificScrambling)。PCFICH采用和PDCCH相同的发射分集技术。


TD-LTE中子帧1,6中的PDCCH最多只能占用2个OFDM符号。


4、PHICH——ACK/NACK传输


PHICH信息含义:eNodeB是否成功解析PUSCH的反馈,ACK/NACK,1bit。

PHICH编码过程:重复3倍,编码输出为3bit。

PHICH调制映射过程:主要有几个参数:

PHICH_duration:这个可以是Normal or extended,在MIB中指示,用来表示PHICH持续多少个OFDM符号,取值可以是1,2,3。

PHICH_group:这个由CP模式,Ng和N_RB_DL决定,在MIB中指示。

mi:这是TDD特有的参数,由上下行配置模式决定在STB1中指示。

PHICH_seq:由于PHICH有扩频操作,NormalCP扩频码长度为4,支持8组复数扩频码,ExtendCP扩频码长度为2,支持4组复数扩频码。

具体调制映射过程是将编码输出的3bit进行BPSK调制,加扰和扩频,以NormalCP为例,经过调制加扰扩频后,输出为12个符号,然后进行分层和Precoding,其中4天线的Precoding在ExtendCP模式下和PBCH略有不同。接下来将不同PHICH_Seq的序列相加,并根据上述几个参数计算物理资源映射的具体位置,最后将相加的结果放入相应的物理资源中。

PHICH接收过程:这里主要存在一个鸡生蛋或蛋生鸡的问题的解决——因为解PHICH需要已知mi,而mi又在SIB1中,SIB1又在PDDSCH中,而解析PDSCH之前,需要先解析对应的PDCCH,在解PDCCH之前,又需要排除PHICH所占用的资源,这又需要知道mi。

解决方法是mi一共有0,1,2三种,因此在解析SIB1之前的第一次解PDCCH可以尝试解三种可能。

HARQ的确认消息也很重要,而且情况多种多样,所以要单独设置一条信道。

PHICH是复用的,给不同的UE的确认消息可以同时发,一个信道可以同时发8个确认消息。

给多个UE的确认消息PHICH是一个组,组内的确认消息的个数是可变的,有四种情况:上行多个PRB给一个HARQ时(2种情况)、上行一个PRB给一个HARQ时,上行MU-MIMO时一个PRB给多个HARQ时。


Multiple ACK/NACK:

由于TDD系统并非在希望反馈ACK/NACK时总能碰到合适的“时隙”,因此需要在将多个ACK/NACK一并发送。

两种方式:ACK/NACK multiplexing

    ACK/NACK Bundling

一个PHICH里可能有多个UE的确认消息,也有可能有一个UE的多个HARQ的确认消息。

当用了MU-MIMO时一个PHICH时间会要同时发多个确认,如果一个HARQ要多个PRB承载,那PHICH里的确认消息可以较少。



PHICH占用的OFDM符号数可能采用两种配置:一是将PHICH固定在第一个OFDM符号,但这种方法可能影响PHICH的覆盖性能;

二是采用半静态可配的PHICH长度。经过研究决定采用两种长度半静态可配的方式:

对MBSFN(多播广播单频网)子帧,PHICH长度在1个和2个OFDM符号之间半静态选择;

对非MBSFN子帧,PHICH长度在1个和3个OFDM符号之间半静态选择。


PHICH包含3个REG,采用QPSK调制。对于2天线情况,一个ACK/NACK比特采用Walsh序列经过4倍扩频行程一个REG,然后重复3次,形成一个ACK/NACK信道。由于采用4倍正交码扩频,再加上QPSK的I、Q两路,共可以在一个PHICH内复用8个ACK/NACK信道。在4天线情况下,仍然采用4倍扩频,但要对相应的4天线发送分集方法做一些调整。

和PCFICH一样,PHICH也尽可能均匀分布在6个PRB所在的分别位于3个符号。如带宽内,两个相邻PHICH REG之间相隔6个REG,另外,在时域上,PHICH也尽可能分散到控制区域所在的所有符号,PHICH长度为3,因此3个PHICH REG有一个位于第一符号,有两个位于第二符号。


PHICH信令是和上一周期上行数据紧密联系的,因此PHICH需要占用的资源与一个周期内的上行数据信道资源有一定关联,这就为隐性地表示PHICH资源创造了可能。最后决定,将PHICH使用的资源位置和上行资源分配的第一个PRB之间建立联系。


由于采用了独立的PHICH和PCFICH信道,而且这两个信道使用的资源是相对固定的(PCFICH资源是静态的,PHICH资源是半静态的),因此系统会首先分配PHICH和PCFICH信道使用的RE,然后将剩下的RE分配给PDCCH,PDCCH将在这些剩下的RE内进行交织。


PCFICH占用的RE是静态的,不会对PDCCH的资源指示造成影响,但PHICH占用的RE是半静态变化的,占用哪些RE应该由系统信息指示。如果这个系统信息放在PDCCH中,就带来了“鸡生蛋,蛋生鸡”的问题:PDCCH需要获知PHICH占用的RE才能解调,而PHICH反过来需要PDCCH通知它使用了哪些RE。为解决这个问题,最终决定在PBCH中对PHICH格式进行指示,虽然PBCH的开销本来应该是严格控制的。在PBCH中使用1bit指示PHICH的长度,2bit指示PHICH使用的频域资源,即PHICH组的数量(每个组包含8个PHICH)。在频域上,PHICH采用等间距放置,即每隔固定数量的子载波放置一个PHICH的REG。为了抑制不同小区PHICH之间的干扰,还采用循环位移的方法使相邻小区在错开的频域资源上发送PHICH。某个小区的PHICH位移可以和它的小区ID对应,因此不需要 额外的信令传输。


PHICH占用的时域位置(符号位置),由胶片中的表来决定,或MIB来决定,目的是要在时域上尽可能地离散。

PHICH占用的频域位置(子载波位置),由胶片中的项目来决定,其中PHICH_group序号代表着和上行承载HARQ的RB的起始标号有关。


5、物理下行控制信道PDCCH

PDCCH用于承载资源分配信息,包括功率控制等;

逻辑映射:

一个PDCCH是一个或者几个连续CCE的集合;

根据PDCCH中包含CCE的个数,可以将PDCCH分为如下四种格式。

PDCCH格式

CCE个数

REG个数

PDCCH比特数目

0

1

9

72

1

2

18

144

2

4

36

288

3

8

72

576

TDM方式的优点是可以降低延迟、减小缓存需求,并有效支持微睡眠(Micro Sleep)。FDM方式可以实现数据和控制信令之间的功率平衡(即可以节省部分数据发射功率,增大控制信道的发射功率),从而获得更大的小区覆盖。

经过研究,决定采用TDM方式复用下行信令。具体地说,物理下行控制信道(PDCCH)放置在一个子帧的前n个(n<=3)OFDM符号。数据最早可以在PDCCH的最后一个OFDM符号开始。

接下来的问题是如何指示PDCCH的内部结构。PDCCH中包含的下行信令是指导UE正确接收和发送数据的信息,但PDCCH本身包含给小区众多用户的下行控制信令,结构也较复杂,如何使每个UE都能够快速地找到并准确地解调自己的控制信令,同时保持PDCCH具有较低的开销,也是一个难题。因此,首先应该定义PDCCH内部的资源分配单位,然后再设计指示PDCCH内部结构的方法。


一条PDCCH只能携带一个用户的信息,用户是根据CRC上的RNTI(无线网络临时鉴定:在UE 和UTRAN 之间的信号信息内部作为UE 的标识)来识别的。

UE在盲检前,只知道CCE的个数,PDCCH的时间范围,或者说只知道PDCCH所拥有的时域和频域的范围,以及PDCCH的最大个数。UE不知道PDCCH的具体个数,更不知道哪个PDCCH是我的。


一个PDCCH对应一个UE标示(RNTI),UE标示长度为16比特,与上图中CRC的长度相同,采用与CRC异或的方式在PDCCH中传输。

根据不同的DCI format(下行控制信息格式),PDCCH的内容大小可能是26,43,46,56,72比特,系统不支持码率大于3/4的“PDCCh内容大小”和“占用的CCE个数”的组合。


UE specific的搜索空间的起点有“hashing 函数”给出,函数的输入包括:UE_ID、Aggregation Level、number of CCEs in this subframe,subframe number。


DCI下行控制信息的量是不确定的,就是同一种DCI编号,它的数据量也是不定的,受频宽和天线数目影响,3/3A是功控信息。


UE一般不知道当前的DCI传送石什么Format的信息,也不知道自己需要的信息在哪个位置,但是UE知道自己当前在期待什么信息,例如在Idle态UE期待的信息是paging,SI;发起RandomAccess后期待的是RACH Response;在有上行数据等待发送的时候期待UL Grant等。对于不同的期望信息UE用相应的X-RNTI去和CCE信息做CRC校验,如果CRC校验成功,那么UE就知道这个信息是自己需要的,也知道相应的DCI format,调制方式,从而进一步解出DCI内容,这就是所谓的“盲检”过程。

协议首先划分了CCE公共搜索空间(Common Search Space)和UE特定搜索空间(UE-specific Search Space),对于不同的信息在不同的空间里搜索。

另外对于某些format信息,一个CCE是不够承载的,可能需要多个CCE,因此协议规定了所谓的CCE Aggregation Level取值为1,2,4,8。例如对于位于公共空间里的信息Aggregation Level只有4,8两种取值,那么UE搜索的时候就先按4CCE为粒度搜索一遍,再按8CCE为粒度搜索一遍。


盲检的次数不是22二是44,是因为对于每种transmission  mode,都有需要检测两种不同size的DCI format,比如对于transmission mode 1,UE需要检测DCI0/1A,和DCI1。0/1A是相同的size,而DCI1与DCI 0/1A的size是不一样的,所以UE这两种size都要检测一次,才能确定到底收到的是DCI0/1A,还是DCI1。而DCI0/1A可以用一个flag来区别,所以因为是两种size,22就需要乘以2。


为了减少format 1C带来的额外盲检测数目,对它在Common Space中的起始位置进行了限制:

对于PBCH的调度总是从CCE0开始(包括Aggregation Level等于4或8);

对于RACH response的调度信息总是从CCE8开始(包括Aggregation Level等于4或8)。


在资源分配信令中,使用“5bits MCS指示”结合“分配的RB数目”,即可得到传输块大小(TBS)。


下行使用单独的表项是因为重传不改变码率,只是可能因为信道情况而使用不用的调制方式。

上行使用同步HARQ机制,重传与初传使用想用的调制方式。


胶片中不是22次而是44次的原因大概是:根据不同的资源分配方式,UE要收两遍。



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