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浅谈TD-LTE物理层过程作者：魏超来源：《电脑知识与技术》2019年第15期摘要：物理层是LTE 协议结构中的最底层，主要负责向上层提供底层的数据传输服务。
该文通过对物理层相关技术的介绍，使读者对物理层过程有整体性的认识。
关键词：LTE 同步过程;功率控制;物理层过程中图分类号：TP311 ; ; ; ;文献标识码：A文章编号：1009-3044（2019）15-0060-02LTE架构可总结为三层两面，物理层（PHY）为第一层，媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据汇聚子层（PDCP）为第二层，无线资源控制子层（RRC）为第三层，两面包括用户面和控制面。
PHY层位于协议结构的最底层，通过物理信道提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。
其中物理层过程包括：同步过程、随机接入、功率控制、寻呼过程、测量过程、共享信道物理过程等。
本文主要针对几个重要过程进行阐述。
1 随机接入与同步过程在LTE中，小区同步属于下行物理过程，随机接入上行物理过程。
1.1 ;随机接入过程随机接入是终端（UE）与网络建立无线连接的必要过程，通过随机接入，终端可以与基站达到上行同步，从而实现与eNodeB之间的数据接收和传输。
终端一般在以下五种场景中需要随机接入：IDLE状态下的初接入;重建RRC连接;切换;CONNECED状态下行数据到达时，上行不同步;CONNECED状态上行数据发送时，上行不同步或者没有PUCCH资源。
随机接入主要有两种方式，竞争性随机接入和非竞争性随机接入。
（1）竞争随机接入。
在随机接入之前，手机端的物理层会接收到来源于高层的随机接入请求的信息，这个请求信息中包括了前导序列、前导传输功率、无线网络标识以及随机接入信道资源。
无线网络标识RA-RNT1是由随机接入信道的时频资源位置被确定。
作用是在手机端接收到msg2的时候通过无线网络标识来检测下行控制信道（PDCCH）。
（2）与竞争随机接入不同的是，非随机接入是由eNodeB为每个想要随机接入的手机端分配一个位移的接入前导码，以避免不同的终端在随机接入时产生冲突，因此可以更加快速地完成随机接入。
1 机制的来源 ---- 哲学∙想出来的，协议或规定，特别是‘恰当（中庸的思想），极端就是毁灭’就像TDD没有沿用3G的上下行随便配置的方法，但也不能只有一种配置，这样太死板，所以折中之后提取出了七种比较有意义的帧结构模型。
∙具体问题具体分析。
不能生搬硬套，要根据具体的情况订出具体的策略。
后面介绍每种信道的时候就能看出来，每种信道的处理几乎都不一样，没有一种完全统一的方式。
∙就像数学推论一样，当问一个为什么，不断问下去的时候？最后要不是规定或者设计思想；就要不是‘公理，定理’，根本没法证明。
∙任何事情都没有完美的，有利有弊，只是看你有没有发现而已。
∙配置出来的∙潜规则，这是一种规则但并没有显示表示（在代码中也有同样的。
由于潜规则不容易发现而且难于理解，最好少用）注：也许这些看起来比较空洞，但当你看完了后面的信道实现再反过来看的时候，就能很好的感觉这些思想的意义了。
2 后面讨论的一些限制∙只涉及TDD-LTE，TDD比较复杂些，想清楚了它,FDD自然也好理解∙只涉及子载波是15kz的情况∙只讨论‘一个时隙有7个symbol的情况’，也就是normal循环前缀（Normal cyclic prefix）的情况。
不讨论Extended cyclic prefix的情况∙不讨论半静态调度，也许偶尔会涉及到∙不讨论MIMO的情况∙看的都是860的协议，分别是36211-860,36212-860,36213-860∙注：调制之后也产生符号，而一个资源块RB也是时域上也是有符号的概念。
所以为了两者区别，‘调制符号’就是指‘调制之后也产生符号’；而正常的‘符号’就是指‘时域的符号’的概念。
3 LTE整体理解3.1 生活交流就是LTE -- 设计思想让我们从生活的角度来简单理解下‘通讯’，自己想出来的，有些也可能不太准确，只是想表达一种意思。
假设eNodeb，UE都是人，是一个enodeb同时和多个UE进行交流。
物理层过程及相关知识•UE工作流程•物理层基本概念•物理层状态及过程物理层过程及相关知识•UE工作流程•物理层基本概念•物理层状态及过程物理信道结构•TD-SCDMA物理信道采用四层结构：系统帧，无线帧，子帧，时隙/码。
•不同的资源分配方案，子帧或时隙/码的配置结构可能有所不同。
•物理信道实际就是一个突发，在分配的无线帧中的特定时隙发射。
•时隙用于在时域和码域上区分不同用户信号。
•一个突发的持续时间就是一个时隙。
一个物理信道是由频率、时隙、信道码和无线帧分配来定义的子帧结构在7个主时隙中，TS0总是分配给下行链路，TS1一般用于上行链路。
转换点（SP）：第1个转换点用于下行时隙到上行时隙的转换，位置固定在DwPTS结束处。
第2个转换点用于上行时隙到下行时隙的转换，可以根据需要灵活配置。
，以最大功率全向保护间隔GP•DwPTS和UpPTS之间的保护间隔GP占用96chip，它使得某用户发射的UpPTS不对邻近用户接收DwPTS造成影响。
•GP既用于TDD系统小区覆盖传播时延的保护，同时也为随机接入的UE提供时延保护。
•还作为下行链路和上行链路之间的切换点，用于射频的收发通道转换。
业务时隙突发结构•两个用户数据块各占352chip，突发的数据部分由信道化码和扰码共同扩频；•训练序列码，144chip，发送功率和数据部分相同；•用于信道估计，测量，和频率偏移估计等；•数据块中所包含的符号数与扩频因子SF有关；码组基本中间码、扰码、SYNC-UL、SYNC-DY与码组之间的对应关系物理信道分类主公共控制物理信道PCCPCH•用于承载BCH上的广播信息。
•PCCPCH的位置（时隙/码）是固定的（TS0）.•PCCPCH采用固定的扩频因子SF=16，总是低两个码道。
•PCCPCH使用特定的midamble码。
•PCCPCH不进行波束赋形，采用全向天线发送。
其它物理信道¾SCCPCH，用于承载来自传输信道FACH和PCH上的数据。
浅谈TD物理层过程为了更好的理解TD物理层的重点过程，重点掌握几个基本概念，本文用通俗易懂的语言以实际案例为索引，详细介绍几个步骤的基本原理，帮助理解其中的基本概念，为TD的深入学习打下基础。
本文涉及的主要物理过程有：CRC校验、信道编码、交织、速率匹配、物理层的映射等，同时为了过程的完整性还简要介绍了数字调制、扩频和加扰等。
涉及基本概念有：Ri（有用速率）、Rb（编码速率）、编码率、打孔、填充、Rs（调制速率）和Rc（码片速率）等。
一、基本流程的举例1、基本流程介绍TD物理层过程输入为MAC发下来的数据块，经过物理层处理最后上射频从空口输出。
为了对整个过程有一个感性的认识，下图举例说明64K业务和3.4K信令复用情况下物理层过程，需要注意的是图中的处理过程只到物理信道映射，包括数字调制之后的过程都没有在图上反映。
图上所示物理层主要过程包括：CRC校验、传输块的级联和分段、信道编码、帧间交织、无线帧的分割、速率匹配、传输信道的复用、帧内交织、物理层的映射。
2、详细流程阐述详细的物理层处理过程比较复杂，具体如下：MAC层下发传输数据块、数据块加CRC校验bit、数据块的级联/分段、信道编码、无线帧均衡、帧间交织、无线帧分割（分帧）、速率匹配、传输信道复用、帧内交织、bit加扰、物理信道分段、子帧分段、物理信道映射、数字调制、扩频、加扰、上中频射频、脉冲成形、射频调制。
1）MAC层下发传输数据块MAC层每隔TTI时间向物理层下发一个数据块，根据高层业务不同数据块的大小和TTI时间间隔有所不同，其中TTI就有10ms、20ms、40ms、80ms等。
2）数据块加CRC校验bit目的：接收端检查传送过来的数据块是否正确。
方法：数据块后面加校验bit。
特点：只有校验作用，不具备纠错能力。
涉及基本概念：误块率。
3）数据块的级联/分段目的：为获得较高的信道编码效率，对输入数据块大小也有一定要求。
所以在信道编码前将加了CRC校验bit数据块进行级联或分段。
方法：数据块级联/分段。
4）信道编码目的：信道编码实际就是增加冗余，靠冗余信息与原信息建立一种关系，接收端可以通过此种关系恢复出原信息。
方法：卷积编码和Turbo编码。
特点：卷积编码输入数据块长度在504bit时效率最高，低速业务和信令使用此种编码。
Turbo编码输入数据块长度在5114bit时效率最高，高速业务使用此种编码。
涉及基本概念：编码率、编码速率。
5）无线帧均衡目的：为下一步处理进一步调整数据块的大小。
6）帧间交织目的：把一个连续突发错误转换成离散的错误。
（由于卷积编码和Turbo编码处理离散错误时效率较高，处理连续错误时纠错性能较差）方法：利用寄存器，采取行进列出的方式达到目的。
7）无线帧的分割目的：为速率匹配作准备，开始为成帧对数据块进行分割。
8）速率匹配目的：为了能把分割后的数据块最终装到帧上去，对数据块的大小进行调整。
方法：根据帧容量、码道数量和信令开销等，从下向上反推无线帧内数据量的大小。
当数据块>帧内容量时，数据块冗余信息被打掉，就是所谓的打孔；当数据块<帧内容量时，数据块内增加填充bit，就是所谓的填充。
涉及基本概念（操作）：打孔、填充。
9）传输信道的复用目的：业务进行时经常要伴随相关信令。
例如12.2K业务伴随3.4K 信令。
将业务和信令复用到一起。
方法：数据块相连。
10）帧内交织目的：将帧内信息进一步打散。
11）bit加扰目的：改变bit特性，防止出现连续特征bit，否则会导致数字调制后的信息连续相同，总利用I路或Q路，不利于功率的平均化、离散化。
方法：随机序列进行异或。
12）物理信道分段和子帧分段目的：数据块分小块，装到无线帧、子帧上去。
（到真正的无线帧上）13）物理信道映射目的：数据块与物理信道匹配上，此时插入物理层信令TPC、SSI、TFCI。
14）数字调制目的：通过数字调制形成I、Q路。
I路1、Q路－1（i-jQ）特点：TD中的数字调制主要使用QPSK、8PSK和16QAM。
QPSK 用于日常业务，8PSK用于2M业务，16QAM用于HSDPA。
涉及基本概念：M调制阶数是指几个bit表示1个符号（QPSK为2、8PSK为3、16QAM为4），Rs（符号速率Rb/M）。
15）扩频目的：把1个符号扩展几个码片，把码片放到对应的码道中去。
特点：扩频在实现上对I路和Q路分别实施扩频。
涉及基本概念：Rc码片速率（不同业务到此速率均为1.28Mchip/s），SF扩频因子。
16）加扰目的：区分小区特点：扰码本身就是码片，并没有扩频作用，实现上也是对I路和Q 路分别加扰。
17二、对重点步骤的理解1、CRC校验接收端看传送过来的数据块是否正确，就在数据块尾巴上加上CRC 校验bit，规范中可加的校验bit为：8bit、12bit、16bit和24bit。
CRC 校验本身只有检验能力，没有纠错能力。
上图为规范中规定加不同bit校验位时，CRC寄存器抽头如何抽取校验位的表达式。
为了说明问题下面举例说明加8bit校验位时表达式的具体含义和校验的执行过程如图所示表达式用移位寄存器方式表示，分别在0、1、3、4、7、8位有抽头，将接收到的校验bit输入到移位寄存器中去，抽出的结果进行逻辑运算。
当图中表达式能够被除尽时表示该传输块无误，当表达式不能被除尽时表示传输块有错误。
统计出误块率(校验方法是接收端把数据块从头到尾放到移位寄存器中去，通过逻辑运算最后输出为0)2、信道编码TD中主要用到的编码方式主要有卷积编码和Turbo编码，两种编码方式都属于前向纠错编码（FEC），旨在发射时建立一种联系，接收时利用此种联系进行信息的纠错。
卷积编码输入数据块长度在504bit时效率最高，低速业务和信令使用此种编码。
Turbo编码输入数据块长度在5114bit时效率最高，高速业务使用此种编码。
具体编码方式使用如下：下面就对这两种编码进行详细说明。
1）卷积编码如上图所示，卷积编码主要是依靠移位寄存器在不同位的抽头得来。
图中需要说明一个概念：编码率＝有用信息（输入信息）/总输出信息。
图中分别说明了编码率等于1/2和1/3卷积编码形成过程。
前面提到过低速业务和信令都用此种编码方式。
2）Turbo编码从实现方式上看Turbo编码比卷积编码要复杂，此种编码比较适合大数据块传输。
图中显示一路输入三路输出，值得一提的是如果仔细观察可以发现在三路输出中有一路就是输入的原始信息Xk（也称作系统bit），其他两路经过交织器和编码器处理的输出为Zk和Z´k（也称作校验bit），在后面的速率匹配过程中往往需要打孔，打孔打掉的bit多是校验bit的内容。
3、交织由于卷积编码和Turbo编码针对离散错误纠错效果较好，但对连续突法错误纠错性能较差，所以引入交织技术，目的就在于将连续突法的错误转换成离散的错误，保证卷积编码和Turbo编码良好的纠错性能。
TD中交织技术可分为帧间交织和帧内交织两种，其工作原理如下图：简单的说就是利用一小片寄存器，通过读入和读出（行进列出）的操作，实现信息位置的交换达到将连续信息打散的目的。
上图详细说明了本来连续的信息经过交织后被打散，即使遇到了连续的错误，经过解交织后错误信息能够被很好的分散，达到将连续突发错误转换成离散错误的目的。
如中采用的5*5的寄存器，如果不经过交织被扰信息应该为7、8、9、10，而经过交织后被扰信息变成了2、7、12、17，解交织后错误被成功的离散开，达到了将连续错误转换成离散错误的目的。
TD规范中规定的内容与示例中差不多，需要提到是在读取列信息时并不是按照顺序读取的，而是间隔读取。
例如：TTI为40ms列数为4时，读取顺序为0、2、1、3列。
三、实例说明具体流程以384K业务为例具体说明物理层过程是怎样对MAC较下来的数据进行处理的，其中需要注意的问题：一、384K业务每20ms下发两个3840bit数据块；二、此业务使用Turbo编码，使用前两个数据块进行了级联，使Turbo编码器的输入变成了7680bit；三、速率适配过程能中通过对物理信道容量的计算从下向上推算出每个11580bit数据块要被减肥成7040bit，通过打孔打掉4540bit（根据前面的介绍打掉bit为校验bit）。
7040bit中包括：物理层信令96bit（TFCI 64bit、TPC 16bit、SS 16bit）、高层信令53bit、用户信令6891bit。
四、此图表示内容截止到数字调制之前。
四、对重要基本概念的汇总上面对物理层几个重要的速率和涉及的一些概念作了汇总，重点在几个速率之间的联系。
举例说明：TD中一个子帧中有352*2chip有用信息位，问这个子帧中能够承载多少bit有用信息？此题就是一个从Rc推到Ri的过程，要解答此问题需要知道扩频因子SF、调制阶数M和编码率K，通过公式的推算就可以算出承载用户bit数。
假设SF ＝16、M＝2、K＝1/2，有用bit数计算过程如下：704chip换算成符号为704/16＝44符号，44符号换算为编码后bit为44*2=88bit，88bit 编码后bit换算为有用信息bit为88/2＝44bit。
