LTE 物理下行信道精讲

1、LTE下行物理信道精讲内部公开LTE 物理下行信道精讲作者：滕渊（00162987）部门：北美地区部D&S TSD NTM华为技术有限公司Huawei Technologies Co., Ltd.版权所有 侵权必究前言本文系LTE物理层精讲3篇系列文档中一篇，另外两篇文档分别为LTE物理上行信道精讲和LTE物理层过程精讲。本系列文档，重在提升工程师的理论水平，从“知其然”到“知起所以然”，为LTE工程师从“产品级工程师”走向“网络级工程师”，从“应用型工程师”走向“系统级工程师”，提供切实的理论基础。本文并不直接针对技术业务实施进行指导，却能大大升华工程师的技术水平。本文以3GPP协议和相关I

2、nternet共享资料为参考，然后从一个学习者角度对相应内容进行阐述，力求对整体逻辑编排、文字描述做到清晰简单。学习本文，读者可免去协议中众多的细节，却又不失深度的掌握整个下行信道系统，大大提升学习效率。由于作者水平有限，写作中不免错误之处，敬请指正。Email:tengyuan关键词LTE，物理信道，参考信号，物理资源标识（一个资源块中包含的子载波数）（下行链路中包含的资源块数）（下行链路中包含的符号数）（物理层小区标识）参考资料36211-a00InternetContents1简介（Overview）41.1物理信道41.2物理信号42时隙结构和物理资源粒子（Slot structure

3、 and physical resource elements）52.1资源栅格（Resource grid）52.2资源粒子（Resource element）72.3资源块（Resource blocks）72.4资源粒子组（Resource-element groups）93下行物理信道处理（Downlink physical channel processing）114下行物理信道（Downlink physical channels）144.1物理下行共享信道（Physical downlink shared channel）144.2物理多播信道（Physical multicas

4、t channel）144.3物理广播信道（Physical broadcast channel）144.4物理控制格式指示信道（Physical control format indicator channel）154.5物理下行控制信道（Physical downlink control channel）154.6物理混合ARQ指示信道（Physical hybrid ARQ indicator channel）165参考信号（Reference signals）185.1小区专用参考信号（Cell-specific reference signals, CRS）185.2多播单频网参考信

5、号（MBSFN reference signals，MBSFN-RS）195.3UE专用参考信号（UE-specific reference signals，UE-RS）205.4定位参考信号（Positioning reference signals，PRS）225.5信道状态信息参考信号（CSI reference signals，CSI-RS）236同步信号（Synchronization signals）246.1主同步信号（Primary synchronization signals, PSS）246.2第二同步信号（Secondary synchronization signal

6、s, PSS）241 总体介绍（Overview）1.1 物理信道下行物理信道对应于一组资源粒子（RE），这些RE承载有来自上层的信息。这些信道包括：Physical Downlink Shared Channel(PDSCH), Physical Broadcast Channel(PBCH), Physical Multicast Channel(PMCH), Physical Control Format Indicator Channel(PCFICH), Physical Downlink Control Channel(PDCCH), Physical Hybrid ARQ Ind

7、icator Channel(PHICH).1.2 物理信号下行物理信号对应于一组资源粒子（RE），这些RE不承载来自上层的信息。这些信号包括：Reference signal, Synchronization signal在下行参考信号（Reference signal）中，包括三种类型的下行参考信号（Rel 8）：（1） 小区专用参考信号（cell-specific RS）：小区专用参考信号有下行信道质量测量和下行信道估计（UE以此进行相干检测和解调）两个作用。在每一个非MBSFN的子帧上传输。同时，其放置的位置不同，也会表征不同的antenna port。（2） MBSFN参考信号：在M

8、BSFN子帧中传送。在多播业务情况下，用于下行测量，同步，以及解调MBSFN数据，。（3） UE专用参考信号：终端专用参考信号只在分配给传输模式7（transmission mode）的终端的资源块（Resource Block）上传输，在这些资源块上，小区级参考信号也在传输，这种传输模式下，终端根据终端专用参考信号进行信道估计和数据解调。终端专用参考信号一般用于波束赋形（Beamforming），此时，基站（eNodeB）一般使用一个物理天线阵列来产生定向到一个终端的波束，这个波束代表一个不同的信道，因此需要根据终端专用参考信号进行信道估计和数据解调。2 时隙结构和物理资源粒子（Slot s

9、tructure and physical resource elements）2.1 资源栅格（Resource grid）在每个时隙（slot）中传送的信号由个子载波和个OFDM符号中的一个或者多个资源格（resource grid）表示。（ and ）Downlink resource gridConfigurationNormal cyclic prefix127Extended cyclic prefix6243Physical resource blocks parameters.天线端口（Antenna port）概念：传输的逻辑端口，它可以对应一个或者多个实际的物理天线。天线端

10、口是从接收机角度来定义的，即，如果接收机区分来自不同空间位置的信号，就需要定义多个天线端口；相反，如果接收机对来自不同空间位置（如多个物理天线）的信号不加以区分（也就是说多个物理天线同时传输相同内容的数据，对于终端来看，它不会去区分来自哪个或者哪几个物理天线，而认为是一个逻辑天线端口发射的数据），就只需定义一个天线端口。每个天线端口使用一个Resource grid用于传送参考信号。天线端口使用的参考信号就标识了这个天线端口。天线端口的使用取决于小区中参考信号的配置，具体如下：（1） 小区专用参考信号（Cell-specific reference signals）可分别在1、2、4个天线端口

11、配置（, ）下传送。LTE（Rel.8）中支持至多4个小区专用参考信号，天线端口0和1的参考信号位于每个Slot的第1个OFDM符号和倒数第3个OFDM符号。天线端口2和3的参考信号位于每个Slot的第2个OFDM符号上。在频域上，对于每个天线端口而言，每6个子载波插入一个参考信号，天线端口0和1以及天线端口2和3在频域上互相交错，正常CP情况下，1，2和4个天线端口的RS分布如下图所示。一个时隙中的某一资源粒子，如果被某一天线端口上用来传输参考信号，那么其他天线端口必须将此资源粒子设置为0，以降低干扰。在频域上，参考信号密度是在信道估计性能和系统开销之间求平衡，参考过疏则信道估计性能（频域的

12、插值）无法接受；参考过密则会造成RS开销过大。参考信号的时域密度也是根据相同的原理确定的，即，需要在典型的运动速度下获得满意的信道估计性能，RS的开销又不是很大。从上图还可以看到，参考信号2和 3的密度是参考信号0和1的一半，这样的考虑主要是为了减少参考信号的系统开销。较密的参考信号有利于高速移动用户的信道估计，所以，如果小区中的存在较多的高速移动用户，则不太可能使用4个天线端口进行传输。（2） 多播单频网参考信号（MBSFN reference signals）在天线端口（）上传送。（3） UE专用参考信号（UE-specific reference signals） 在天线端口（, , ,

13、 或者one or several of ）传送。（4） 定位参考信号（Positioning reference signals）在天线端口（）上传送。（5） 信道状态信息参考信号（CSI reference signals） 支持1、2、4、8个天线端口的配置，在天线端口（, , and ）上传送。 2.2 资源粒子（Resource element）在资源栅格中，每一个天线端口P的单元被称作资源粒子（resource element），用在一个slot中来唯一标识，其中， and ，分别表示频域和时域。天线端口P上的资源粒子用复合数来表示，通常去掉P。2.3 资源块（Resource b

14、locks）资源块用以物理信道向资源粒子（RE）的映射，包括物理资源块（PRB）和虚拟资源块(VRB)。物理资源块在时间域上用个连续的OFDM符号和频域上个连续的子载波来表示。一个物理资源块就是，通常对应一个slot和180kHz频宽。在频域上，物理资源块从0编号到，其与resource element的关系为：。虚拟资源块包括两种类型：Virtual resource blocks of localized type（集中式虚拟资源块）和Virtual resource blocks of distributed type（分布式虚拟资源块）。虚拟资源块编号表示一个子帧中两个时隙上的一对虚拟

15、资源块。集中式虚拟资源块直接映射到物理资源块上，所以，从0到，其中。分布式虚拟资源块通过以下表格向物理资源块进行映射（图示中，当系统带宽在50RB以下时，系统只有一种Gap选择；当系统带宽在50RB及其以上时，系统可以有两种Gap选择，具体选用哪种Gap，将有下行调度指配中指定。）。Gap是指一个编号下的第一个虚拟资源块映射到第一个slot的PRB后，第二个虚拟资源块在向第二个slot上的PRB映射时，选取具备Gap（一定间隔）的资源块。这样做可以得到频率分集增益。同时，分布式虚拟资源块编号从0到，当采用不同的Gap类型时，取值也将不一样。a) System BW ()a) Gap ()b)

16、1st Gap ()a) 2nd Gap ()6-10N/A114N/A12-198N/A20-2612N/A27-4418N/A45-4927N/A50-6327964-79321680-1104816RB gap values实际上，对于一组连续的分布式虚拟资源块，还需要进行交织（interleaving），交织块中的VRB个数用表示（即，待交织的VRB）。当采用不同的Gap时，取值不同，具体公式参考协议ts36.211。待交织的VRB经过交织矩阵（交织矩阵，或称交织公式）变化后，映射到PRB上。这样，连续的VRB映射到了离散的PRB上（满足Gap要求），实现了频率的跳变（frequenc

17、y hopping）。（在上行信道中，不存在类似的interleaving，因为为单个用户始终分配连续的sub-carrier。）2.4 资源粒子组（Resource-element groups）Resource-element groups用来定义控制信道到RE的映射。它是指一个资源块中，在时域上相同（同一个symbol中）的几个resource element组成的组。在一个子帧的第一个时隙中，第一、第二、第三、第四个符号上的resource-element分组规则和是否采用cell-specific reference有关（因为小区特定参考信号会占据symbol中的resource e

18、lement，具体可参考前面的RS分布图），具体如下图：从上图也可以看出，每个resource-element group要保证4个可用的resource element，以便和symbol-quadruplet 四元组进行映射（PCFICH，PDCCH, PHICH等信道会用到）。3 下行物理信道处理（Downlink physical channel processing）Overview of physical channel processingScrambling：在下行中，加扰的作用有两点：对输入的codewords使用伪随机序列进行XOR运算，改变原传输信息的特征，使原信号流不可

19、预测（接收端用相同的伪随机序列进行解码），这也间接达到区分小区和信道的目的；同时，避免成串的0或者1出现，使信号串更加均匀，降低峰均比。信道类型的不同（PDSCH和PMCH），加扰序列初始化会不同。Modulation：Physical channelModulation schemesPDSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPMCHQPSK, 16QAM, 64QAMLayer mapping：将串行的数据流空间化，形成多个数据流(将一个CW映射到多个流中进行传输)。码字中的symbols（）按照一定的规则，分别映射到对应的层中（），后续再进行层与antenna port的映射（预编码

20、），从而实现了“码字到antenna port的映射”，即码字中的symbols在各自对应的antenna port中传送。注：层数应该小于等于antenna port数，一个用户所对应的码字数量为1个或者2个，层的数量可以为1，2，3，4层。根据antenna port数的不同，层映射的方法/原则有所不同，具体分为：1、 在单天线端口下的映射规则。2、 在空间复用下的映射规则。3、 在发射分级下的映射规则。上述这些规则（即如何分配码字中的symbol到对应的层中去）详细方法，可参考协议ts36211中表格。Precoding：预编码是把各个层上的数据所组成的矢量按照一定规则映射到天线端口上。

21、请见下图：就表示第i个symbol在天线端口P上发射。根据天线端口数和层使用情况的不同（复用、分集），预编码的方法有如下几种：1、 对于单天线端口预编码的情况。要求层数为1，所以，其中，天线端口号。2、 对于天线端口（采用小区专用参考信号）空间复用预编码的情况。要求层映射采用空间复用方式进行配合，天线端口支持2个或者4个，即或者。空间复用情况又可以分为不采用CCD（cyclic delay diversity，循环延迟分集，即对同一个信号，在不同天线端口进行不同延迟后发射）和采用large delay CCD的方式，各自使用不同的预编码矩阵进行预编码，预编码矩阵可以从Codebook中查询获取

22、。3、 对于发射分集预编码的情况。要求层映射采用发射分集进行配合，天线端口支持2个或者4个，即或者。2天线端口和4天线端口将各自采用不同算法进行预编码。4、 对于天线端口（采用UE专用参考信号）空间复用预编码的情况。要求层映射采用空间复用方式进行配合，天线端口支持最多可以达到8个，。预编码算法为：Mapping to resource elements：对于复合symbols，在天线端口p上，从开始，依次映射到分配给这个天线端口的资源块中的资源粒子（resource element）上，其中需要满足一定条件，方能被用于映射。如：1、它们属于用于传输的虚拟资源块所对应的物理资源块。2、它们未被用

23、于PBCH，同步信号，小区专用参考信号，MBSFN参考信号，UE专用信号。3、它们未被用于传送CSI参考信号。4、L应该从开始取值。另外，一般情况下，对的映射，通常先从频域k上，从小到大按升序进行，再在时域L上，从小到大按升序进行。4 下行物理信道（Downlink physical channels）4.1 物理下行共享信道（Physical downlink shared channel）物理下行共享信道处理过程如前所述。同时，在进行资源映射时，需要注意：1、 如果使用的资源块中没有UE专用参考信号传送，那么PDSCH应该与PBCH使用相同的天线端口集，, , or 。2、 如果使用的资源

24、块中有UE专用参考信号传送，那么PDSCH应该在天线端口, 或者 上进行传输。3、 PDSCH可以在不用于PMCH传送的MBSFN子帧上传送，使用中的1个或者多个天线端口。4.2 物理多播信道（Physical multicast channel）物理多播信道处理过程如前所述（加扰时，序列初始化会与PDSCH有所不同。）。同时，在进行资源映射时，需要注意：1、 不适用发射分集的场景。2、 采用单天线端口（层映射和预编码都按单天线端口设计），使用天线端口号4。3、 PMCH只在MBSFN（Multicast Broadcast Single Frequency Network，多播广播单频网络）

25、子帧上的MBSFN区域传送，并使用扩展前缀（extended cyclic prefix）。注：MBSFN，在一个单频网络上进行多播或者广播，这个单频网络指的是网络中的同一频点上。在一个单频网上进行广播或者多播，有利于增强覆盖（终端可以接收来自不同基站的同一频段的广播，形成接收分集等。）4.3 物理广播信道（Physical broadcast channel）广播信道在处理上与前述过程中的方法有所不同。在加扰时，加扰序列初始化会与PDSCH和PMCH都不相同。在调制时，只采用QPSK的方式。在作层映射和预编码时，天线端口数可以为1个、2个、或者4个，（端口号0，1，2，3）。作资源粒子映射时

26、，在天线端口上进行连续4个无线帧的映射，在这4个无线帧中，使用每个帧中的头4个symbol进行映射。映射公式为：从公式中亦可以看出，广播信道的频宽为72*15=1.08M，位于整个带宽中心上下各3个RB，位置是相对固定的。4.4 物理控制格式指示信道（Physical control format indicator channel）PCFICH的唯一作用是用来指示在一个子帧中，多少symbols可以用来作为PDCCH。具体可以参考下表：SubframeNumber of OFDM symbols for PDCCH when Number of OFDM symbols for PDCCH

27、when Subframe 1 and 6 for frame structure type 21, 22MBSFN subframes on a carrier supporting PDSCH, configured with 1 or 2 cell-specific antenna ports1, 22MBSFN subframes on a carrier supporting PDSCH, configured with 4 cell-specific antenna ports22Subframes on a carrier not supporting PDSCH00Non-MB

28、SFN subframes (except subframe 6 for frame structure type 2) configured with positioning reference signals1, 2, 32, 3All other cases1, 2, 32, 3, 4在一个小区中，PCFICH的位置是固定的，由，三个参数决定。调制采用QPSK方式。在作层映射和预编码时，天线端口数可以为1个、2个、或者4个，（端口号0，1，2，3），与PBCH使用相同的天线端口集。作物理资源粒子映射时，是进行元素组（resource-element group）的映射，即天线端口上的4个

29、symbol quadruplets(,)按照一定规则（与，有关）映射到下行子帧中的第一个symbol上。4.5 物理下行控制信道（Physical downlink control channel）下行物理控制信道主要包括资源分配、调度的信息（上行和下行）以及其它控制信息。一个物理控制信道包括一个或者多个CCE（control channel element），一个CCE包括9个资源粒子组（resource element group）。PDCCH一共有四种格式，均采用QPSK调制（携带2个信息位），见下表：PDCCH formatNumber of CCEsNumber of resour

30、ce-element groupsNumber of PDCCH bits01972121814424362883872576格式0主要用于PUSCH资源分配信息。格式1及其变种主要用于1个码字的PDSCH。格式2及其变种主要用于2个码字的PDSCH。格式3及其变种主要用于上行功率控制信息。下行控制信道的物理层映射采用向资源粒子组（resource element group）映射的方式。先进行时域上的映射（一个子帧中可以用于PDCCH的symbol，PCFICH中定义），再进行频域上的映射（子载波），以资源组为单位，其中要避免使用分配给PCFICH和PHICH的资源组（由于PCFICH使用的

31、资源是静态分配的，PHICH使用的资源半静态分配的，所以系统首先为这两个信道分配资源组，剩下的再分配给PDCCH）。4.6 物理混合ARQ指示信道（Physical hybrid ARQ indicator channel）PHICH携带混合ARQ的ACK/NACK消息，用于指示上行数据被eNodeB接收的情况。多个PHICH形成一个PHICH组映射到同一资源粒子组（REG），组内的PHICH通过正交序列（orthogonal sequence）进行来区分。对于FDD而言，PHICH组的数量在所有子帧中是恒定的（与小区带宽相关，同时，上层可以控制参数因子的取值来改变PHICH组的数量，所以PH

32、ICH组的数量是半静态的），normal cyclic prefix和extended cyclic prefix下算法不同。PHICH采用BPSK方式对编码（重复3次）后的3bits进行调制，调制后的符号与一个正交序列（存在扩频）相乘，并进行扰码，得到调制后的符号序列。其中，每个PHICH采用的正交序列索引与这个PHICH在所在的PHICH组中的序号对应，从而使得每个PHICH采用不同的正交序列，对于normal cyclic prefix情况，扩频码（正交序列）长度为4，有07共8个（即这个组中可包括8个PHICH信道），扩频后输出12个符号；对于extended cyclic prefi

33、x情况，扩频码（正交序列）长度为2，有03共4个（即这个组中可以包括4个PHICH信道），扩频后输出6个符号。在作层映射和预编码时，天线端口数可以为1个、2个、或者4个，（端口号0，1，2，3），与PBCH使用相同的天线端口集。PHICH组中的所有PHICH序列（在前面步骤中已经正交化）进行相加，得出PHICH组序列 (12符号，8个PHICH信道；对于extended cyclic prefix情况，为6个符号，但后续映射时，需将前后两个组进行合并后映射，从而形成12个符号) ，将这个组序列进行物理资源映射。基本过程如下：12个符号被分成3个4元组，i为四元组号。每个四元组按照协议中所示公式

34、在时域（计算后最终取值范围为0，1，2）和频域（与小区物理标识相关）上进行物理资源映射，一个四元组对应一个REG（资源粒子组）。PHICH duration指的是PHICH信道可以持续多少个OFDM符号，对于normal CP和extended CP情况会有所不同，取值范围为1，2，3。5 参考信号（Reference signals）5.1 小区专用参考信号（Cell-specific reference signals, CRS）小区专用参考信号用于波束成型技术（不基于码本）以外的其它下行传输技术的信道估计和相关解调，对应基站的天线端口。它在所有支持PDSCH传输的子帧中发送，可以在03号

35、天线端口中的1个，2个或者4个天线端口中传送，占用15k的带宽。参考信号序列的生成与小区ID和最大可用RB数（110）相关。在子帧使用normal CP的情况下，参考信号在各天线端口物理资源映射如下（映射公式可参考协议，下图为2个RB中映射图例，与整个Band中其它RB映射相同）：在子帧使用extended CP的情况下，参考信号在各天线端口物理资源映射如下：小区专用参考信号的位置在各个小区不一定一样，各小区会在频域上使用各自偏置，但一共只有6种偏置情况。5.2 多播单频网参考信号（MBSFN reference signals，MBSFN-RS）MBSFN参考信号用于MBSFN的信道估计和相

36、关解调，它只在传输了PMCH信道的子帧（MBSFN子帧）存在（此子帧中包括PMCH，也可能包括其它信道），它在天线端口4上传送，只定义extended CP的情况。对于占用15k带宽的MBSFN参考信号，其物理资源映射如下图所示（注意：子帧中头2个symbol采用normal CP，可以供其它信道使用，并插入其它参考信号）： 对于占用7.5k带宽（MBSFN专用小区）的MBSFN参考信号，其物理资源映射如下图所示： 多播单频网参考信号的位置在各小区中是相同的（从协议中映射公式可以看出）。5.3 UE专用参考信号（UE-specific reference signals，UE-RS）UE专用参

37、考信号用于波束成型技术（不基于码本）的信道估计和相关解调，对应特定的移动台。它在给对应UE的PDSCH子帧中传送，使用天线端口， or （表示传送PDSCH的层数）。当使用天线端口5，并采用normal CP和extended CP时，物理资源映射图分别如下： 当使用天线端口, or ，并采用normal CP时，物理资源映射图分别如下：此种情况下，UE专用参考信号的位置在各个小区不一定一样，各小区会在频域上使用各自偏置，但一共只有3种偏置情况。当使用天线端口, ，并采用extended CP时（长CP时不支持天线端口914），物理资源映射图分别如下：此种情况下，UE专用参考信号的位置在各个小

38、区一样。5.4 定位参考信号（Positioning reference signals，PRS）定位参考信号用于协助位置定位应用（现在的应用和服务对位置定位需求逐渐增多，USFCC也强制要求无线运营商提供位置信息（如：E911业务），并需要达到一定准确性）。定位参考信号为基于时间的定位算法提供相关参考信息。定位参考信号只在被配置成传送定位参考信号的子帧（定位子帧）中传送。如果小区中的MBSFN和非MBSFN子帧都被配置为定位子帧，那么MBSFN子帧中用于传送定位参考信号的symbols应该使用与第一个子帧中CP相同的CP；如果小区中只有MBSFN子帧被配置为定位子帧，那么MBSFN子帧中用于传送定位参考信号的symbols应该使用extended CP。定位参考信号在天线端口6上传送，定位参考信号不能映射到PBCH，PSS或者