LTE下行物理信道处理过程

1.物理层的基本概念

1.1 LTE系统帧结构

在空中接口上，LTE系统定义了无线侦来进行信号的传输，1个无线帧的长度为10ms。LTE支持两种帧结构FDD和TDD。

在FDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成，每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成。

基本时间单位

在TDD帧结构中，一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成，每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙（DwPTS、GP和UpPTS）组成。

1.2LTE下行时隙结构和物理资源

LTE系统中的物理资源均被分配到物理资源网格中传输，也就是说在每个slot中传输的信号由一个资源网格描述。一个资源网格是由个下行物理资源块（Physical Resource Block，记为RB）组成，而每个RB又由个资源元素（resource element，记为RE）构成。一个RB在时域上包含个OFDM 符号,在频域上包含个子载波。RE是资源网的基本单位，一个资源网包含个资源元。在一个slot中资源元素由索引对（k,l）唯一定义，其中k=0,…,

-1，l=0,…,-1分别为频域和时域的索引。LTE下行资源网格图具体

如图

由图可知，一个资源网格由频域索引坐标上个子载波和时域索引坐

标上个OFDM符号交错分割而成。其中，是RB个数，它由下行传输带宽决定，为每RB分配的子载波个数，1个RB在频域上对应12个子载波，

子载波间隔为15kHZ，180KHz=15 KHz x 12(normal CP)。和的个数由CP（Cyclic Prefix，CP）类型和子载波间隔决定。物理资源块参数与CP长度关

1.3 资源元素组

物理资源元素组（Resource-element Groups，记为REG）是用来定义控制信道到资源元素的映射的。

控制信息的映射，需要把物理资源首先定义为资源组，然后再映射。对不同的天线口配置，不同的OFDM符号，资源组的定义略有不同：

1、每个子帧的第零个时隙的第零个OFDM符号，一个物理RB包括两个资源组，每组包括6个RE；

2、每个子帧的第零个时隙的第一个OFDM符号，如果是非四天线的配置，一个物理RB包括三个资源组，每组包括4个RE；

3、每个子帧的第零个时隙的第一个OFDM符号，如果是四天线的配置，一个物理RB 包括两个资源组，每组包括6个RE；

4、每个子帧的第零个时隙的第二个OFDM符号，一个物理RB包括三个资源组，每组包括4个RE；

5、每个子帧的第零个时隙的第三个OFDM符号，一个物理RB包括三个资源组，每组包括4个RE；

1.4LTE下行物理资源分配

LTE下行链路主要包括如下几种信道处理：物理下行业务信道（PDSCH）、物理多播信道（PMCH）、物理广播信道（PBCH）、物理控制类型指示信道（PCFICH）、物理HARQ指示信道（PHICH）、物理下行控制信道（PDCCH）以及主/辅同步信道（P/S-SCH）。可分为业务信道、控制信道、同步信道三类，其中PDSCH是业务信道，P/S-SCH为同步信道，PMCH、PBCH、PCFICH、PHICH 以及PDCCH统属于控制信道。

LTE下行发送的数据有：同步信号、公共导频、广播信息、控制格式指示信息、HARQ指示信息、控制信息和业务数据。这些信息分别通过如下信道承载：P/S-SCH、PBCH、PCFICH、PHICH、PDCCH以及PDSCH。

1、PBCH：Physical Broadcast Channel （物理广播信道）

主要用来传输MIB信息，MIB消息包含：DL带宽信息；PHICH组号；占用中间的6个RB（72sc），在第2个slot的前4个symbol上传递（slot 1, symbol 0~3）。MIB消息的重复周期为40ms，起始位置为subfram#0 of SFN mod 4 = 0。每10ms传递一次MIB，传递内容一致，40ms组成一个MIB消息。可实现时间分集，提高UE接收MIB消息时的增益，改善接收质量。

2、PCFICH：Physical Control Format Indicator Channel （物理控制格式指示信道）

用来指示在一个sub-frame中PDCCH传输的OFDM symbol数量（1, 2 or 3）。在每个subframe(TTI)的第1个symbol上进行传递(symbol 0 within each TTI) 承载CFI信息，每TTI占用16个RE资源，即4个REG。

3、PDCCH：Physical Downlink Control Channel （物理下行控制信道）

用于承载DCI信息，包括资源调度分配和其他控制信息，如与DL-SCH和PCH相关的HARQ信息等。PDCCH在每个subframe的前3个symbol（symbol 0~2）中进行传递，占用个数由PCFICH承载的CFI消息来确定。PDCCH的大小对应于一个或者多个CCE。

4、PDSCH：Physical Downlink Shared Channel （物理下行共享信道）

用于承载DL-SCH信息，传递SIB信息（SIB消息传递方向：BCCH -> DL-SCH -> PDSCH）。SIB1消息的重复周期为80ms，初始位置为subframe#5 of SFN mod 8 = 0，在SFN mod 2 = 0的帧上重复。

5、PHICH：Physical HARQ Indicator Channel （物理HARQ指示信道）

用于承载HARQ的ACK/NACK。在每个subframe的第1个symbol上进行传递（symbol 0 of each subframe）。一个PHICH组对应于3个REG，12个RE 资源。

6、PSS：Primary Synchronization Signal （主同步信号）

频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc。在第2个subframe的第3个symbol中进行传递（subframe 1 or 6, symbol 2）。

7、SSS：Secondary Synchronization Signal（辅同步信号）

频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc。在第1个subframe的最后1个symbol中进行传递（subframe 0 or 5, symbol 6）在subframe 0和5中的SSS结构相同，但是在频域上错开，以区别前5ms或后5ms的半帧。

8、RS：Reference Signal （参考信号）（every slot, symbol 0&4）

用于下行信道估计，信道质量测量以及相关解调，对UE来说是已知信号（RS 信号与小区physical id有关，这个在小区搜索过程中的同步信号中获得）。频域上：每6个子载波分配一个RS。时域上：每个slot的symbol 0&4 用来传递RS，symbol 0和4之间有3个SC的间差，用于时频域分集。

2.LTE下行发射端基带处理流程简介

本节主要以PDCCH为例来介绍LTE下行eNodeB的发射处理流程。

物理下行控制信道PDCCH承载调度以及其他控制信息，具体包含传输格式、资源分配、下行调度许可、功率控制等信息。PDCCH是LTE物理层最重要的控制信道，如果说资源调度器是系统的“大脑”，那么PDCCH就相当于通向各个“器官”的指令，确保下行/上行共享信道（PDSCH/PUSCH）对无线资源的动态有效利用。这些“指令”就是下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）。LTE定义了几种DCI格式，分别为DCI0、DCI1、DCI1A、DCI1C、DCI2、DCI3

和DCI3A，不同的格式传输的信息不同，所占用的bits数目也不相同。这些DCI 信息经过CRC、速率匹配、调制等基带处理后被映射到每个子帧的前n（n≤3）个OFDM符号中，n的具体取值由PCFICH信道中的CFI来指示。

在一个子帧中，可以同时传输多个PDCCH，一个UE可以监听一组PDCCH。每个PDCCH在一个或者多个控制信道单元(CCE)中发射，通过集成不同数目的CCE可以实现不同的PDCCH编码码率。PDCCH支持4种物理层格式，分别占用1、2、4、8个CCE。在发射端对DCI单独进行CRC校验、加扰、信道编码和速率匹配，然后合并为一个PDCCH信道进行后续的小区加扰、调制、层映射预编码以及资源映射处理，具体处理流程如图。

下面介绍一下DCI的处理流程的各模块内容。

1、CRC校验

LTE下行只要求支持16位和32位的CRC校验比特计算和附加，标准TS36.212中规定LTE下行控制信道CRC码的生成多项式为g(D)=[D16+D12+D5+D1]。

2、信道编码

PDCCH采用的是咬尾卷积码，咬尾卷积码的约束长度为7，编码率为1／3。卷积码的编码器配置如图所示。编码器的移位寄存器的初始值应当没置为输入流的最后6位信息比特，这样移位寄存器的初始和最终状态保持一致。若用S0，S1，S2，．．．，S5表示编码器的6个移位寄存器，则移位寄存器的初始值应当设置为：Si=C(k一1一i)。

3、速率匹配

速率匹配模块结构上包括3个对三路分别处理的交织器（Interleaver）子模块、1个汇总的比特搜集（Bit Collection）子模块和1个比特选择和裁剪（Bit Selection and Pruning）子模块，具体如图所示：

子块交织时先生成一个32列矩阵，按照表的列交换图样进行列交换。最后将3路经过子块交织后的数据通过比特搜集子模块和比特选择及删减子模块输出所需长度的数据。

4、PDCCH的复用和加扰

PDCCH的复用就是将多个不同的DCI经过CRC、速率匹配等处理后复合到一起，与加扰序列进行加扰操作。

5、调制

LTE系统可采用的调制方式有BPSK、QPSK、16QAM以及64QAM，PDCCH 的调制方式采用QPSK方式。

6、层映射与预编码

层映射与预编码分为单天线发射、空间复用和发射分集三种运行方式。将调制输出的符号映射到不同的层上，然后进行预编码操作。为了满足不同天线配置而进行的MIMO操作。LTE的PDCCH的预编码采用单天线发射和发射分集两种方式。发射分集方式时的层映射，支持eNodeB侧两天线和四天线配置。

7、资源映射

将预编码的符号进行列交织和循环移位后，按照资源分配结构进行映射。

8、OFDM调制

PDCCH的OFDM调制主要是IFFT和加CP等处理。

经过八个模块后，完成了控制信息的比特级处理到符号级处理的全过程，形成OFDM符号，发射端就可以将信息发送给用户。

3.总结

本文首先介绍了LTE物理层的基本概念：LTE的系统帧结构、LTE下行时隙结构和物理资源、资源元素组以及物理资源分配。后面介绍了LTE下行发射端基带处理流程，PDCCH基带处理流程，分别对流程中的CRC校验模块、加扰模块、信道编码模块、速率匹配模块、调制模块、层映射与预编码模块以及资源映射模块进行了研究。

参考文献：

[1]LTE/LTE-Advanced 关键技术与系统性能。

[2] LTE下行链路关键技术的研究与实现。

[3] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) Physical Channels and

Modulation.

[4] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) Multiplexing and channel coding.

[5]Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)Physical layer procedures.

[6] Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) Physical layer-Measurements.