LTE物理层过程

物理层的测量过程一般是由高层配置和控制的，物理层只是提供测量的能力而已。

根据测量性质的不同，测量可分为同频测量、异频测量、异系统测量；根据测量的物理量不同，可分为电平大小测量、信道质量测量、负荷大小测量等。根据测量报告的汇报方式，可分为周期性测量、事件测量等。协议中一般根据测量的位置不同，将测量分为UE侧的测量、eUTRAN侧的测量。

6.1 手机侧测量
UE侧的测量有连接状态的测量和空闲状态的测量。

手机处于连接状态的时候，eUTRAN给UE发送RRC连接重配置消息，这个消息相当于eUTRAN对UE进行测量控制命令。这个命令包括：要求UE进行的测量类型及ID，建立、修改、还是释放一个测量的命令，测量对象、测量数量、测量报告的数量和触发报告的方式（周期性报告、事件性汇报）等。

手机处于空闲状态的时候，eUTRAN的测量控制命令是用系统消息（System Information）广播给UE的。

UE侧测量的参考位置是在UE的天线连接口处。

UE可以测量的物理量包括：

RSRP（Reference Signal Received Power，参考信号接收电平）：一定频带内，特定小区参考信号RS的多个RE的有用信号的平均接收功率（同一个RB内的RE平均功率）。

RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）：系统在一定频带内，数个RB内的OFDM符号的总接收功率的平均值，包含有用信号、循环前缀干扰、噪声在内的所有功率。eUTRAN内的RSSI主要用于干扰测量。

RSRQ（Reference Signal Received Quality，参考信号接收质量）：是一种信噪比，即RSRP和RSSI的比值RSRP一般是单个RB的功率，RSSI可能是N个RB的功率，所以RSRQ=（N*RSRP）/RSSI。RSRQ测量用于基于信道质量的切换和重选预判。

UE处于空闲状态时，进行小区选择或重选一般使用RSRP；而UE处于连接状态进行切换时，通常需要比较RSRP和RSRQ。如果仅比较RSRP可能导致频繁切换，仅比较RSRQ虽可减少切换次数，但可能导致掉话。

RSTD（Reference Signal Time Difference，参考信号时间差）：UE接收到的两个相邻小区发送的、同一子帧的时间差。

6.2 基站侧测量
参考位置在天线的接口处，一般会指明是发射天线还是接收天线。总结如下表

 

 

 

 

7.共享信道物理过程
LTE的物理共享信道是业务数据承载的主体。他还顺便帮忙携带一些寻呼消息，部分广播消息，上下行功控消息等。

物理共享信道主要包括PUSCH和PDSCH。这两个共享信道的物理层过程主要做三件事：数据传输、HARQ和链路自适应。

 

数据传输过程中出错了怎么办？这就需要HARQ过程来解决；数据传输过程还需要根据无线环境自适应调制传输方式。

7.1 数据传输过程
数据传输就是把要传送的数据，放到LTE视频资源上，通过天线发射出去，然后接收端在特定的时、频资源上将这些数据接收下来。

不管是下行还是上行数据传输，干活的人不一样，分别是PDSCH、PUSCH，但负责协调调度的人是一样的，都是PDCCH。

PDCCH携带的信息有时、频资源的位置，编码调制方式，HARQ的控制信息等。基站是上下行资源调度的决策者，他通过PDCCH控制上下行数据传输。通过PDCCH的格式控制，PDSCH和PUSCH可以传送多种类型的数据。

系统需要配置PDCCH参数来决定如何分配和使用资源，主要依据以下因素：

（1）QoS参数

（2）在eNodeB中准备调度的资源数据数量

（3）UE报告的信道质量指示（CQI）

（4）UE能力

（5）系统带宽

（6）干扰水平

下行方向，在长度为1ms的子帧结构中，1~3个符号传送协调调度信息（PDCCH），剩余的符号传送数据信息（PDSCH）。也就是说调度信息和对应的数据信息可以位于同一个子帧内。

在下行数据接收的时候，终端不断检测PDCCH所携带的调度信息。发现某个协调调度信息属于自己的，则按照协调调度信息的指示接收属于自己的PDSCH数据信息。

在上行方向，终端需要根据下行的PDCCH的调度信息，进行上行数据的发送。由于无线传输和设备处理都需要时间，因而下行的PDCCH和上行的PUSCH之间存在时延。

对于FDD，这个时延固定为4ms，即4个子帧，如图所示。对于TDD模式，时延和上下行时隙的比例有关，但也必须大于等于4ms。

 

上行数据在发送之前，终端需要等待基站给自己的下行协调调度信息，发现自己允许传输数据，则在PUSCH上发送自己的数据。对于某些较规律低速业务，如VoIP，在LTE中为了降低PDCCH信令开销，定义了半持续调度（Semi-Persistent Scheduling，SPS）的模式。半持续调度的主要思想是对于较规则的低速业务，不需要每个子帧都进行动态资源调度。可以按照一次指令的方式，工作较长时间，从而节省信令开销。

7.2 盲检测过程
eNodeB针对多个UE同时发送PDCCH，终端如何保证接收到属于自己的控制信息，又不给系统带来过多开销？答案是终端需要不断检测下行的PDCCH调度信息。

但在检测之前，终端并不清楚PDCCH传输什么样的信息，使用什么样的格式，但终端知道自己需要什么。有哪些我不知道，有哪些需要我知道，在这种情况下只能采用盲检测的方式。

了解盲检测之前先了解两个概念：RNTI和DCI。

RNTI（Radio Network Temporary Identifier，无线网络临时标识）是高层用来告诉物理层，需要接收或者发送什么样的控制信息。根据不同的控制消息，RNTI可以表示为X-RNTI。

（1）SI-RNTI（System Information RNTI）：基站发送系统消息的标识。

（2）P-RNTI（Paging RNTI）：基站发送寻呼消息的标识。

（3）RA-RNTI（Random Access RNTI）：基站发送随机接入响应的标识，用户用来发送随机接入的前导消息。
（4）C-RNTI（Cell RNTI）：基站为终端分配的用于用户业务临时调度的标识。

（5）TPC-PUCCH-RNTI（Transmit Power Control PUCCH RNTI）：PUCCH上行功率控制信息标识。

（6）TPC-PUSCH-RNTI：PUSCH上行功率控制信息标识。

（7）SPS C-RNTI（Semi-Persistent Scheduling RNTI）：半静态调度时，基站为终端分配的用于用户业务临时调度的标识，用法和C-RNTI一样。

（8）M-RNTI（MBMS RNTI）：基站为终端分配的用于MBMS业务临时调度的标识。

为提高终端RNTI的效率，根据RNTI属性的不同，将其分在两个不同的搜索空间中：公共搜索空间（Common Search Space）和UE特定的搜索空间（UE Specific Search Space）。前者每个UE都可以在此查找相应的信息；后者UE只能在属于自己的空间中搜索空间信息。

SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI属于公共搜索空间的信息；其他RNTI属于UE特定的搜索空间的信息。

UE使用X-RNTI对PDCCH进行盲检测，X-RNTI如同开启PDCCH的钥匙。UE既要查看公共搜索空间，又要查看UE特定搜索空间。

终端要使用SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI等公共钥匙查看公共搜索空间；基站为终端分配了C-RNTI、TCP-PUCCH-RNTI等私人钥匙，来开启自己的私人空间。

 

DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）有上行资源调度信息、下行资源调度信息、上行功率控制信息。一个DCI对应一个RNTI。每个UE在每一个子帧中只能看到一个下行控制信息（DCI）。

 

针对不同的用途，物理层设计了不同的DCI格式。根据调度信息的方向（上行or下行）、调度信息的类型（Type）、MIMO传输模式（Mode）、资源指示方式的不同，定义了不同的DCI格式，如图

 

时、频资源指示是告诉终端，信息被放在了什么位置。协议定义了3种时频资源的指示方式：Type0、Type1、Type2。

Type0、Type1采用时、频资源分组。Type2是以资源起始位置，加上连续时、频资源块的长度，来定义时、频资源占用的位置的。这种方式无须指示RB位置，信令开销小，但只能分配连续的VRB。

X-RNTI和DCI就是PDCCH通过加扰和CRC穿在身上的外衣，携带了很多标识自己特性的信息，可以让终端方便地识别出属于自己的、自己所需的控制信息。

终端就是根据这些控制信息的指示，在PDSCH信道上的特定时、频资源上，把属于自己的下行数据取下来；同时终端按照这些控制信息的要求，在PUSCH相应的时频资源上用一定的功率把上行信息发出去。

基站要寻呼UE，就要通过P-RNTI标识PDCCH，并指示DCI。UE会用P-RNTI解码PDCCH，并根据DCI的信息，在PDSCH上找到下行寻呼数据。

在随机接入过程中，UE会在特定的时、频资源上发送一个前导码Preamble；基站根据收到PARCH消息（包括前导Preamble）的时、频资源位置推算RA-RNTI，并用该RA-RNTI标识PDCCH，然后发送随机接入响应，该响应中包含基站为终端分配的临时调度标识号TC-RNTI（Temporal C-RNTI）。

当随机接入成功后，便将TC-RNTI转正为C-RNTI。

基站与终端建立连接后，通过C-RNTI或SPS-RNTI对PDCCH进行标识。终端对PDCCH察言观色，进而获得上下行调度信息。

 

7.3  HARQ重传合并机制
HARQ（Hybrid Automatic  Repeat reQuest，混合自动重传请求）技术是自动重传请求（ARQ）和前向纠错（Forword Error Correction，FEC）两种技术的结合。所谓混合（Hybrid），即指重传和合并技术的混合。

LTE知错就改的基站就是基于重传和合并。

ARQ是重传，但系统对错误的忍耐有限度，于是定义了最大重传次数。

不但要重传，收到两次或多次重传的内容还要比对起来看。合起来看，试图把正确的内容尽快找出来，以便降低重传次数。这就是FEC技术。

HARQ的重传机制有三种：

（1）停止等待（Stop-And-Wait，SAW）

（2）回退

（3）选择重传。

停止等待协议是发送每一帧数据后，等待接收方的反馈应答ACK/NACK。一旦接受方反馈数据错误的NACK，发送方就需呀重发该数据，直到接收方反馈确认无误（ACK）后才发送新数据，如图所示。

 

 

回退机制是指按照数据帧的顺序不停的发送数据后，无须等待接收方的反馈，直到接收方反馈数据错误NACK。发送方就重发出错数据帧和其后的所有数据帧，相当于回退了N帧，到出错帧处，然后继续顺序发送，如图所示。

 

 

选择重传是指发送发按照数据帧的顺序不停地发送数据，并将发送的数据存储下俩，当接收方反馈数据错误NACK，发送方就重发出错数据帧，如图所示：

 

 

LTE中采用的重传机制是停止等待（SAW）协议。

HARQ合并技术也有以下三类：

第一类HARQ就是接收到错误数据后，直接丢弃，然后请求重传，接收到重传数据后自然无法进行合并，直接译码。

第二类HARQ是一种完全增量冗余（Incremental Redundency，IR）的HARQ合并技术，接收到的错误数据不丢弃，重传的完全是数据的编码冗余部分，而没有原始数据本身，也就是说重传的数据没有自解码功能，重传的冗余数据和错误数据合并以后进行再次解码。

第三类HARQ和第二类HARQ相同的是错误数据不丢弃，重传数据与错误数据合并；但不同的是第三类HARQ重传的数据具有自解码功能，有原始数据，也有冗余数据。

第三类HARQ又分为两种情况：第一种是每次重传的冗余版本完全一样，叫做Chase合并（Chase Combining，CC）技术；第二种是每次重传的冗余版本不一样，叫做部分增量冗余（部分IR）的合并技术。

LTE中使用的HARQ合并技术有：Chase合并（CC）和增量冗余（IR）。

Chase合并技术，重发原始数据和相同版本的冗余编码数据，提高正确解码的概率；

增量冗余（IR），逐步发送不同的冗余版本，降低信道编码速率（对应于低阶的冗余编码版本），提高编码增益。

当数据速率较高的时候一般使用不能自解码的第二类HARQ；速率较低时可使用自解码的Chase合并或部分增量冗余技术。

 

7.4 LTE HARQ过程
LTE中，下行采用异步的自适应HARQ，上行采用同步HARQ。异步是指重传时间间隔不固定，同步指预定义的固定重传时间间隔。

对于单个HARQ进程来说，采用的是停止等待重传机制，1个数据包发送出去以后，等待ACK/NACK，如果出错则需要重传，直到数据包被正确接收或者超出最大重传次数被丢弃。下行HARQ过程如图所示。

 

 

 

在上行HARQ中，终端按照基站侧指示的上行资源调度方式，发送上行数据；基站接收后，在PHICH中反馈ACK/NACK。若反馈ACK，基站继续给终端发送上行资源调度信息，终端继续发送新数据；如果反馈NACK，终端则进行数据重传，过程如图所示。

 

 

LTE中允许多个HARQ进程并行发送。并行发送的HARQ进程数取决于一个HARQ进程的RTT（Round Trip Time，往返时间）。对于FDD来说，服务小区最多有8个下行HARQ进程；对于TDD，服务小区的HARQ最多的进程数目取决于上、下行时隙配比。

 

1.上行传输机制

与下行类似，当UE需要给eNB传递信息时，也是通过物理信道和参考信号发送的。上行物理信道包括PRACH随机接入信道、PUCCH控制信道、PUSCH共享信道，上行参考信号包括解调参考信号DMRS（Demodulation Reference Signals）和侦听参考信号SRS（Sounding reference signal）。它们的作用分别是：

（1）PRACH信道用于传输前导码，这个已经在随机接入过程中介绍了，此处不再说明。

（2）PUCCH信道按照承载信息类别的不同，划分为两种不同的格式，分别为PUCCH格式1/1a/1b和PUCCH格式2/2a/2b，不同的PUCCH格式作用稍有不同。PUCCH格式1/1a/1b用于传输SR和/或HARQ ACK/NACK的UCI（Uplink Control Information）上行控制信息，而PUCCH格式2/2a/2b则用于传输CQI/PMI/RI和/或HARQ ACK/NACK的UCI上行控制信息。

上行控制信息UCI是PUCCH信道中承载的具体内容，类似于DCI是PDCCH信道中承载的内容。我们知道DCI包括了很多格式，比如DCI0/1/1A/2/2A/3/3A等，UCI也有不同的类型，比如SR/ACK/NACK/CQI/PMI/RI等等。关于更详细的UCI方面的内容，在以后的博文中再继续介绍。

（3）PUSCH信道可以传输层2的PDU、层3的信令、UCI控制信息以及用户数据。

（4）DMRS参考信号是eNB用来对上行PUSCH或PUCCH作相干解调而进行的信道估计用的，eNB可以通过检测DMRS解调参考信号来评估上行信道，从而获取信噪比SINR等参数，类似于UE通过检测小区专用参考信号CRS来评估下行信道的CQI。DMRS需要伴随着PUCCH或PUSCH一起传输，类似于GSM中的SACCH信道，既可以伴随SDCCH信道传输，也可以伴随TCH信道传输。   

（5）SRS参考信号被eNB用来进行信道状态的估计，以支持上行信道资源的自适应调度，作用与DMRS类似，都可以计算得到信噪比SINR，但需要注意：

第一，如果某个UE在上行子帧n中没有上行传输，即没有任何信息需要通过PUCCH或PUSCH传输，那么由于DMRS是伴随信号，所以在子帧n中也就没有DMRS参考信号了，但此时仍然存在着SRS信号。在很多时候，上行子帧里是没有PUCCH和PUSCH信道的，也就没有DMRS参考信号，此时eNB可以对SRS信号进行评估获取SINR，为上行调度提供依据。

第二，DMRS是和PUCCH或PUSCH伴随着传输的，因此是从相同的频率位置对上行信道进行的评估，而SRS信号并不伴随PUCCH或PUSCH一起传输，因此是从不同的频率位置对上行信道进行的评估。对于同一个UE，如果同一个上行子帧同时存在这两种参考信号，那么eNB如何使用两种不同的SINR，是由设备厂家的算法决定的。从后文的图5和图6，可以看到这两个参考信号的位置是不同的。

第三，通过对SRS的检测，还可以获取当前上行时间提前量TA值，该TA值可以上报给MAC，由MAC通过PDU配置到UE侧。

2.上行物理信道在子帧中的位置

与下行不同的是，PUCCH控制信道分布在带宽高低频率的两端，如图1所示。每个PUCCH信道也都需要一个RB对承载，组成这个RB对的两个RB分别位于带宽的高低频率两侧。比如m=0的PUCCH信道，第一个时隙的RB位置位于RB-ID号最小的地方，即RB0，第二个时隙的RB位置则位于整个带宽RB-ID号最大的地方。由于同一个RB不能同时传输PUCCH和PUSCH，因此除了PUCCH实际占用的RB外，其余的RB均可以用于PUSCH信道的传输。对于同一个UE而言，同一个上行子帧不能同时使用PUCCH和PUSCH信道传输。

那为什么PUCCH信道要放在PUSCH信道的高低两端呢？因为对于LTE的上行RB，需要连续的分配，如果PUCCH放在PUSCH信道的中间，会影响单个TTI里上行RB的最大可分配个数。

设备厂家可以静态或动态的分配PUCCH信道占用的RB个数，总的原则是在满足PUCCH传输要求的情况下，尽量少的分配PUCCH占用的RB个数。因为PUCCH占用的RB个数越多，用于PUSCH传输的RB个数就越少。但如果为PUCCH分配的RB个数过少，则可能导致无法在PUCCH中反馈ACK/NACK的情况。

    

（图1 PUCCH和PUSCH位置）

3.上行参考信号在子帧中的位置

无论是上行参考信号，还是下行参考信号，它们的位置在子帧里都是固定的，这样做可以方便空口中另一方的检测。

（1）DMRS在PUSCH中的位置。当解调参考信号DMRS伴随在PUSCH中传输时，它的位置可以表述为：如果是普通CP，则占用每个时隙的第四个OFDM符号；如果是扩展CP，则占用每个时隙的第三个OFDM符号。也就是位于每个时隙中间的那个OFDM符号或倒数第四个符号，如图2中红色标识的OFDM符号。

 

（图2 PUSCH信道中DMRS解调参考信号的位置）

（2）DMRS在PUCCH中的位置。PUCCH有两种不同类别的格式，在不同的PUCCH格式中，DMRS的位置也不同