LTE下行传输机制——PHICH信道

在阅读本文之前，建议先看下博文《LTE-TDD HARQ（1）-上行HARQ时序》，以便更好的理解本文内容。

本文主要包括的内容有：

（1）什么是PHICH信道，它的作用是什么

（2）怎么来唯一的标识一个PHICH信道

（3）PHICH信道对应的REG实际映射的内容是什么

（4）PHICH信道的位置

1.什么是PHICH信道

PHICH信道即物理HARQ指示信道，英文全称是Physical hybrid ARQ indicator channel，作用是eNB通过该信道向终端反馈上行PUSCH数据的应答信息ACK或NACK。eNB侧解码到上行数据块之后，会在相应的PHICH信道反馈确认信息（ACK或NACK），终端会在指定时刻（详见博文《LTE-TDD HARQ（1）-上行HARQ时序》）的指定位置去解码PHICH信息。

每个上行子帧的每个PUSCH传输块，都需要对应一个PHICH信道。如果PUSCH数据块很多，那么在一个下行子帧中，需要携带的PHICH信道也就很多。若每个PHICH信道都独立映射到不同的RE中的话，就会占据很多的控制区域，这显然是不合适的。因此协议提出了，不同的PHICH信道可以映射到同一个位置，这个位置叫做PHICH组（PHICH group）。在相同的PHICH组中，通过不同的正交序列（orthogonal sequence）来区分不同的PHICH信道。也就是说，一个PHICH组内的所有PHICH信道，对应的物理资源映射位置是相同的，组内再通过正交序列进行区分。

 

Multiple PHICHs mapped to the same set of resource elements constitute a PHICH group, where PHICHs within the same PHICH group are separated through different orthogonal sequences.

所以，每个PHICH信道都可以使用（n_group_PHICH，n_seq_PHICH）来唯一标识。其中，n_group_PHICH表示当前PHICH组的组号，n_seq_PHICH表示组内的正交序列索引号。n_seq_PHICH的范围是0，1，..，7（下行Normal CP）或0，1，2，3（下行Extended CP），即对于Normal CP来说，一个PHICH组最多可以包含8个不同的PHICH信道，而对于Extended CP，一个PHICH组最多只能包含4个不同的PHICH信道。

那么在整个系统带宽里，允许有多少个PHICH组呢？协议使用N_group_PHICH来表示PHICH组的组数，因此n_group_PHICH的范围是0，1，..，N_group_PHICH-1。下面说说怎么计算这个PHICH组数参数。

对于LTE-FDD制式来说，PHICH组的组数N_group_PHICH可以由下面的公式计算得到：

其中，下行带宽N_DL_RB参数由RRC配置，通过MIB消息的dl-Bandwidth发送到终端。Ng参数也由RRC配置，通过MIB消息中的PHICH-config发送到终端。所以说，只有在解码到PBCH中的MIB信息，才能解码PHICH信道。下行CP类型是Normal还是Extended，终端可以通过同步信号PSS/SSS获取（参考博文《LTE小区搜索-物理小区ID和同步信号PSS、SSS》）。

由此可见，终端要想解码出PHICH信道，前提条件之一就是读取到小区同步信号PSS/SSS，并解码出PBCH中的MIB消息。Normal CP类型的N_group_PHICH值如下表所示。

对于LTE-TDD制式来说，因为不同的上下行子帧配置，对应着不同的上下行子帧数目，会出现多个上行子帧的反馈出现在同一个下行子帧中情况。比如上下行子帧配置0，下行0#子帧和5#子帧都需要反馈2个上行子帧的PHICH信息（分别对应3#、4#和8#、9#上行子帧），而下行1#子帧和6#子帧，都只需要反馈1个上行子帧的PHICH信息（分别对应7#和2#上行子帧），如下面这张图所示，后面还会提到这张图。因此，TDD制式的PHICH组的组数N_group_PHICH与FDD制式是不同的。

协议规定，对于TDD制式来说，PHICH组的组数N_group_PHICH需要在FDD制式的基础上乘以一个系数Mi，即N_group_PHICH = Mi * N_group_PHICH。Mi的取值如下表所示。从表中可以看到，当上下行子帧配置为0，且下行子帧是0#、5#的时候，PHICH组的组数需要增加一倍，而其它场景下的PHICH组的组数N_group_PHICH，则与FDD制式下的值相同。

通过上面的分析貌似可以得到这样的一个结论：终端只有在解码出了SIB1中的UL/DL config参数之后才能知道Mi值，才能解码PHICH信道。实际上，由于SIB1是在PDSCH中传输的，而PDSCH的资源是需要通过控制区域的PDCCH来指示的，也就是说，解码SIB1是需要PDCCH指示的。以后在讲解PDCCH的时候，会介绍PDCCH的计算是需要PHICH的信息的。这就产生了一个“鸡生蛋”和“蛋生鸡”的问题（如下图所示）：计算PHICH的位置需要用到SIB1的PDCCH信息（需要PDSCH中的UL/DLconfig参数，从而确定Mi值）；而计算PDCCH信道又需要PHICH的信息。因此，为了解决这个问题，终端在解码SIB1的时候，不需要确切知道Mi的值（即终端会依次尝试Mi =0，1，2），然后通过盲检测获取SIB1对应的PDCCH位置。

进一步分析上面这个表格，对于LTE-TDD来说，会推导出以下内容：

（1）只有在上下行子帧配置0的时候，PHICH信道个数才会翻倍。

（2）并不是每个下行子帧都可以发送PHICH信道。Mi = 0的那个下行子帧，是没有PHICH信道的。

（3）发送PHICH信道的子帧集合和发送DCI0的子帧集合是一致的。比如上下行子帧配置1，只有在1、4、6、9这四个子帧中才能发送PHICH信息，也只能在这四个子帧中，才能发送DCI0信息。关于DCI相关内容，以后博文再细说。

2.PHICH信道的位置标识

前文提到，可以通过（n_group_PHICH，n_seq_PHICH）来标识一个PHICH信道，其中，n_group_PHICH表示当前PHICH组的组号，n_seq_PHICH表示组内的正交序列索引号。这两个参数可以通过下面这个公式确定各自的值： 

其中，

（1）N_group_PHICH参数：PHICH组数，前文已经说过计算方式，需要区分FDD和TDD两种方式。

（2）I_PHICH参数：在上下行子帧配置为0的时候，3、4号子帧上行数据的应答，在0号子帧的PHICH信道发送；8、9号子帧上行数据的应答，在5号子帧的PHICH信道发送。该参数用于区分这种一个下行子帧对应两个上行子帧应答的情况。如果eNB需要在0号子帧下发3号子帧的PHICH反馈，则将I_PHICH参数设置为0，如果反馈的是4号上行子帧的应答，则需要将I_PHICH参数设置为1。如果当前不是上下行子帧配置0，则I_PHICH参数固定填0。

（3）I_lowest_index_PRB_RA参数：表示PUSCH传输块占用的上行RB的起始位置。对于动态调度的某个特定终端来说，eNB给该UE分配的RB的起始位置，在每个上行子帧里可能都不一样，因此这个参数的值也是不固定的。同一个终端在同一个子帧中分配的上行RB是连续的，且每个终端之间分配的上行RB并不会重叠，因此对于同个子帧中不同的终端来说，该参数不相同。下图是一个简单的示意图，用于帮助理解。

（4）N_PHICH_SF参数：该参数是与调制相关的一个系数。当下行为Normal CP时，N_PHICH_SF=4，当下行为Extended CP时，N_PHICH_SF=2。

（5）n_DMRS参数：该参数等于DCI0中的“Cyclic shift for DM RS”字段的值，范围是0-7，取值如下（关于DCI0的详细内容，以后讲DCI格式的时候再具体说）。在实际代码实现时，由eNB侧的算法决定。

因此，终端在解码DCI0的时候就需要保存DMRS值，以用于后续PHICH的解码。下图是一个示意图，用于帮助理解。

至此，计算（n_group_PHICH，n_seq_PHICH）所需的所有参数，都可以在终端和eNB侧得到，eNB和终端也就能够确定某个PUSCH传输块对应的PHICH位置（n_group_PHICH，n_seq_PHICH）了。

3.PHICH信道对应的REG中映射的内容

与PCFICH信道类似，PHICH信道承载的内容向物理资源映射的时候，也是以REG为单位进行映射的。根据前述内容可知，虽然PHICH信道的作用是反馈PUSCH传输块的ACK应答，但这并不意味着物理资源REG中实际传输的就是1个bit的ACK（bit=1）或NACK（bit=0）信息，而是需要经过多个物理层处理过程。

（1）1个bit的HARQ indicator（HI）信息经过信道编码（Channel coding），生成3个bit的HI重复信息。这个过程，有的资料上也叫3倍重复编码过程。

当eNB需要返回ACK信息时，经过信道编码之后，得到的数据是（1，1，1），而eNB需要向终端返回NACK信息时，经过信道编码之后，得到的数据是（0，0，0）。

（2）对3bits的HI信息进行BPSK调制，生成3个复数形式的调制符号。具体的BPSK调制过程是，将3个HI比特信息的每个比特位b(i)转换成一个复数x=I+jQ，其中I和Q的值如下表所示。 

（3）利用4bits或2bits长的正交序列，对调制后的3个复值调制符号进行扩频和加扰，生成12个或6个调制符号。正交序列码的长度与下行CP类型相关，具体如下表所示。对于下行为Normal CP来说，经过调制和正交序列的扩频以及加扰之后，3个bit的HI信息已经转换成了12个复值调制符号。每个调制符号对应一个RE，每个REG对应4个RE，因此，每个PHICH组需要3个REG组成。这些复数调制符号后续再经过层映射和预编码过程后，最终映射到实际的REG资源组中。

上面的步骤（2）和（3），可以用下面的公式图示来说明，其中Mbit=Ms=3。对于下行Normal CP，Msymb=3*4=12；对于下行Extended CP，Msymb=3*2=6。

每个PHICH组内的多个PHICH信道（或者说多个PHICH序列），都需要经过上述的几个物理层过程，并最终映射到同样的REG资源中，示意图如下。

4.PHICH信道的位置

PHICH组映射到REG的规则，与PCFICH信道的映射类似，也需要在获取好的频率分集的同时，避免与邻小区发生干扰。因此，在频域上，每个PHICH组映射的3个REG，它们的间隔大概为下行小区带宽的三分之一。在时域中，每个PHICH组所占的OFDM符号个数，与前文给出的PHICH_duration参数（MIB中携带）相关，如下表所示。

可以看到，无论是LTE-FDD还是LTE-TDD，如果PHICH_duration=Normal，PHICH组都只映射到一个OFDM符号中。如下图示意。

如果PHICH_duration=Extended，那么PHICH组可以映射到2个OFDM符号或者3个OFDM符号中，视具体情况而定。下图是非MBSFN子帧一个示意图。

如果PHICH组出现在第一个OFDM符号中，那么首先为PCFICH分配4个REG资源，然后将PHICH组映射到没有被PCFICH占用的3个REG中，如果有多个PHICH组，则映射的REG数目是3的倍数。最后再将PDCCH映射到剩余的REG中（实际映射到CCE中，关于CCE的内容，以后博文再细说）。

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

（2）3GPP TS 36.213 V9.3.0 (2010-09) Physical layer procedures

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

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

（5）http://dhagle.in/LTE

（6）http://www.sharetechnote.com/

 

下行PHICH信道承载上行数传的证实信息（ACK/NACK),通常情况，该PHICH位于每一个子帧的第一个符号内。一个PHICH可被多个REGS(资源单元组)承载，多个PHICH又可通过正交序列识别，共享资源单元组。共享相同资源单元组的PHICH称为PHICH组。一个特定的PHICH信道可以用两个参数表示：PHICH组号和组内正交序列。

1、一个PHICH组需要多少个REG呢？即占用多少资源？

   首先，混合自动重传的证实信息（ACK/NACK)为3bit，111表示ACK，000表示NACK。其次，PHICH信道采用QPSK进行调制，因此，ACK/NACK信息调制后仍为3符号，再使用SF=4的正交序列扩频，结果共为12符号。由于一个REG包含4个资源单元，每一个资源单元可承载一个调制符号，因此，一个PHICH组需要3个REG。如下图，每个PHICH组都包含3个REG.

2、一个PHICH组包含多少个PHICH信道？

   根据3GPP TS 36.211,表6.9.1-2规定，存在8个正交序列，因此每个PHICH组中包含8个PHICH信道。

3、系统中可以支持多少PHICH组？

   根据协议规定，PHICH组的数量与下行系统带宽和参数（Ng）相关，这两个值都来自与高层，通过MIB消息告知，如下图。

然后通过3GPP 36.211，6.9章提供的公式：
计算出不同系统带宽，不同Ng值对应的PHICH组数。

N_RB \ Ng	1/6	1/2	1	2
6 (1.4 Mhz)	1	1	1	2
15 (3 Mhz)	1	1	2	4
25 (5 Mhz)	1	2	4	7
50 (10 Mhz)	2	4	7	13
75 (15 Mhz)	2	5	10	19
100 (20 Mhz)	3	7	13	25

在得到了PHICH组数后，即可算出PHICH信道开销。

如上表，当系统带宽（10Mhz）、Ng=1，计算得到PHICH组数为7，考虑每组PHICH需要3个REG，每个REG包含4个RE，所以7组PHICH共占用84个RE单元。

4、PHICH组配置原则是什么？

   由于PHICH信道用于承载上行证实信息（ACK/NACK)，也就是对上行用户数传进行反馈，因此PHICH组的配置很大程度上取决与用户的多少，当用户量数较多，上行反馈的信息需求量大时，PHICH组也需求较多。