LTE下行物理层传输机制-PCFICH信道

1.PCFICH信道的作用

PCFICH信道即物理控制格式指示信道，英文全称是Physical control format indicator channel，该信道中承载的内容CFI是当前子帧中控制区域（或PDCCH信道）占用的OFDM符号个数。终端对PCFICH的正确解码非常重要，如果解码不正确，终端就不知道怎么处理控制信道，也不知道数据区域是从子帧的哪个OFDM符号开始。

控制区域占用的OFDM符号个数，其取值范围与当前LTE系统的带宽大小、子帧号、是否是MBSFN子帧、小区特定参考信号端口数等参数有关，具体见下面的Table 6.7-1。表格中的列是按照系统带宽占用的RB个数来区分的：第一列的条件N_DL_RB>10对应的带宽是3MHz（15个RB）、5MHz（25个RB）、10MHz（50个RB）、15MHz（75个RB）、20MHz（100个RB），第二列的条件只对应带宽1.4MHz（6个RB）这种场景。关于LTE带宽的其它相关内容，请参考博文《LTE物理传输资源（2）-频带、信道带宽和频点号EARFCN》。

 

分析上面的表格数据，有几个地方是需要留意的：

（1）如果当前子帧中没有PDCCH信道（比如LTE-TDD制式的上行子帧，就没有PDCCH信道），即对应表格中“Subframes on a carrier not supporting PDSCH”的那一行，那么这个时候也是不存在PCFICH信道的。因此，在LTE-TDD制式下，如果子帧是上行子帧，终端是不会尝试去解码PCFICH、PDCCH这些信道的。

（2）对于不支持MBSFN和不支持定位参考信号的LTE系统，只需要关注图中标注绿颜色的两行参数。

（3）PCFICH会携带2个bits信息，无论是多大的带宽，只能编码0、1、2、3这4个值。当带宽为1.4MHz即RB个数N_DL_RB<10时，可以看到表格中的OFDM符号个数范围是2、3、4，而此时PCFICH信道是无法传输”4“这个数字的，因此协议规定，在这种场景下，终端解码出”1、2、3“这三个值时，实际对应的OFDM符号个数分别是”2、3、4“这三个值。也就是说，如果当前系统带宽是1.4MHz，那么终端从PCFICH信道中解码得到的值，加上1之后才是实际PDCCH占用的OFDM符号个数，比如终端解码出来的是3，那么PDCCH实际占用的符号个数是（3+1=）4个。下面两张结构示意图展示了这种情况。

The CFI takes values CFI = 1, 2 or 3. For system bandwidths N_DL_RB>10 , the span of the DCI in units of OFDM symbols, 1, 2 or 3, is given by the CFI. For system bandwidths  N_DL_RB<=10, the span of the DCI in units of OFDM symbols, 2, 3 or 4, is given by CFI+1.

2.资源组REG

在描述PCFICH信道位置之前，有必要先介绍资源组REG这个概念，因为PCFICH信道（还有PHICH信道）是以REG为单位进行映射的。

资源组，简称REG，全称resource element group，由不包括小区特定参考信号在内的4个连续的RE组成。如果某个RE是为小区特定参考信号预留的（小区特定参考信号的位置请参考博文《LTE下行物理层传输机制（1）-天线端口Antenna Port和小区特定参考信号CRS》），那么这个RE是不能用来组REG的。根据是否包含参考信号，有两种不同的REG结构，如下图所示。

博文《LTE物理传输资源（3）-时频资源》里提到，可以用一个频域+时域的二维坐标（K,L）来标识某个时隙内的RE位置，同样的，我们也可以用（_K，_L）来标识某个OFDM符号内的REG位置，属于同一个REG的4个RE，它们的时域坐标L必须相同，也就是说，这4个RE必须位于同一个OFDM符号内。

由于小区特定参考信号的RE是不能用来组REG的，而某个OFDM符号里的小区特定参考信号的RE位置与天线端口数、物理小区ID、下行CP类型等有关（详细内容请参考博文《LTE下行物理层传输机制（1）-天线端口Antenna Port和小区特定参考信号CRS》），因此，某个OFDM符号内的REG位置也与天线端口数、物理小区ID、下行CP类型有关。以RB-id为n_PRB的单个RB为分析对象，分别考虑如下几种场景：

场景1（天线端口数1个或2个，小区参考信号频率偏移为0，下行Normal CP类型）：

（1）第一个时隙的第一个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，只包括2个REG，这两个REG分别位于（k0+0，k0+1，..，k0+5）和（k0+6，k0+7，..，k0+11）中。如果小区参考信号的频率偏移等于0，那么REG的具体位置如上图所示（L=0），即这两个REG分别包括的RE组是：（k0+1，k0+2，k0+4，k0+5）、（k0+7，k0+8，k0+10，k0+11）。这种情况下，即便只有天线端口p0，第一个时隙的第一个OFDM符号中的REG，也不使用端口p1对应的RE。

（2）天线端口个数为1或2个，第一个时隙的第二个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，分别位于（k0+0，k0+1，k0+2，k0+3）、（k0+4，k0+5，k0+6，k0+7）和（k0+8，k0+9，k0+10，k0+11）中。具体位置如上图所示（L=1）。

（3）第一个时隙的第三个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，分别位于（k0+0，k0+1，k0+2，k0+3）、（k0+4，k0+5，k0+6，k0+7）和（k0+8，k0+9，k0+10，k0+11）中。具体位置如上图所示（L=2）。

（4）对于下行Normal CP类型，第一个时隙的第四个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，分别位于（k0+0，k0+1，k0+2，k0+3）、（k0+4，k0+5，k0+6，k0+7）和（k0+8，k0+9，k0+10，k0+11）中。具体位置如上图所示（L=3）。

场景2（天线端口数4个，小区参考信号频率偏移为0，下行Normal CP类型）：

 

（1）第一个时隙的第一个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，只包括2个REG，位置与场景1相同。

（2）天线端口个数为4个，第一个时隙的第二个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括2个REG，分别位于（k0+0，k0+1，..，k0+5）和（k0+6，k0+7，..，k0+11）中。如果小区参考信号的频率偏移等于0，那么REG的具体位置如上图所示（L=1），即这两个REG分别包括的RE组是：（k0+1，k0+2，k0+4，k0+5）、（k0+7，k0+8，k0+10，k0+11）。

（3）第一个时隙的第三个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，位置与场景1相同。

（4）对于下行Normal CP类型，第一个时隙的第四个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，分别位于（k0+0，k0+1，k0+2，k0+3）、（k0+4，k0+5，k0+6，k0+7）和（k0+8，k0+9，k0+10，k0+11）中。具体位置如上图所示（L=3）。

场景3（天线端口数1个或2个，小区参考信号频率偏移为0，下行Extend CP类型）：

 

（1）第一个时隙的第一个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，只包括2个REG，位置与场景1相同。

（2）天线端口个数为1或2个，第一个时隙的第二个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，位置与场景1相同。

（3）第一个时隙的第三个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，位置与场景1相同。

（4）对于下行Extended CP类型，第一个时隙的第四个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括2个REG，分别位于（k0+0，k0+1，..，k0+5）和（k0+6，k0+7，..，k0+11）中。具体位置如上图所示（L=3）。

场景4（天线端口数4个，小区参考信号频率偏移为0，下行Extend CP类型）：

 

（1）第一个时隙的第一个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，只包括2个REG，位置与场景1相同。

（2）天线端口个数为4个，第一个时隙的第二个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括2个REG，位置与场景2相同。

（3）第一个时隙的第三个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括3个REG，位置与场景1相同。

（4）对于下行Extended CP类型，第一个时隙的第四个OFDM符号，在每个RB-id为n_PRB的单个RB中，包括2个REG，位置与场景3相同。

以上四种REG的位置分布，在物理层做资源映射的时候，不仅适用于PCFICH信道，也适用于PHICH信道、PDCCH信道。

 

3.PCFICH信道对应的REG中映射的内容

虽然PCFICH信道承载的是控制区域的OFDM符号个数，但这并不是说，在REG中映射的数据就是1、2、3这样的简单数字。实际上，物理层在处理PCFICH的过程中，首先会经过一个1/16速率块编码（coding rate 1/16）过程，该过程将2bit的CFI值映射成一个32bit的码本（code word），每个码本对应一个CFI值。如下表所示。

为了获得随机化的小区间干扰，物理层还会使用一个与物理小区ID（N_cell_ID）和时隙号相关的扰码，对32bits的码本（b0,b1,...b31）进行一次加扰（Scrambling），加扰之后生成的依然是32bits的bit块，本文使用（_b0,_b1,...,_b31）表示，过程如下示意：

公式中的c序列与小区特定参考信号映射中使用的c序列相似，详细参考博文《LTE下行物理层传输机制（1）-天线端口Antenna Port和小区特定参考信号CRS》。

经过加扰后的序列（_b0,_b1,...,_b31），还需要进行一次QPSK调制过程，将32bits的bit块调制成16个复数形式的调制符号。具体的QPSK调制过程是，将每个成对的_b(i)和_b(i+1)生成一个复数x=I+jQ，其中I和Q的值如下表所示。 

所以，最终映射到PCFICH信道REG中的是16个复值调制符号。每个RE中映射1个复数，那么1个REG映射4个复数，因此，整个PCFICH信道需要占用4个REG。上述PCFICH信道的处理流程如下图示意。

4.PCFICH信道的REG位置

由于只有解码出PCFICH信道才能知道控制区域的大小，因此PCFICH信道总是映射在子帧的第一个OFDM符号上。另外，为了获得频域上的分集效应，组成PCFICH信道的4个REG将均匀分布在整个带宽中。

每个REG的位置与物理小区ID和带宽有关（因此终端只有在解码出PSS/SSS同步信号和MIB之后才能解码PCFICH），具体如下：

以带宽为8个RB、N_cell_id分别是0、1、2为例：

N_cell_id=0时，第一个REG的起始RE位置=0，第二个REG的起始RE位置=24，第三个REG的起始RE位置=48，第四个REG的起始RE位置=72。

N_cell_id=1时，第一个REG的起始RE位置=6，第二个REG的起始RE位置=6+24，第三个REG的起始RE位置=6+48，第四个REG的起始RE位置=6+72。

N_cell_id=2时，第一个REG的起始RE位置=12，第二个REG的起始RE位置=12+24，第三个REG的起始RE位置=12+48，第四个REG的起始RE位置=12+72。

示意图如下：

 

参考文献：

（1）3GPP TS 36.211 V9.1.0 (2010-03) Physical Channels and Modulation

（2）3GPP TS 36.212 V9.4.0 (2011-09) Multiplexing and channel coding

（3）《4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》

（4）http://dhagle.in/LTE

（5）http://www.sharetechnote.com/