3GPPLTE系统物理层框架及相关算法v1.1

3GPPLTE系统物理层框架及相关算法v1.1
3GPP LTE系统物理层结构
(v1.1)
电⼦科技⼤学
通信电路设计与信号处理研究室
L TE项⽬组
2008年12⽉
⽬录
3GPP LTE系统参数 (1)
第⼀部分上⾏物理信道(UPLINK) (4)
⼀、上⾏物理信道发送端 (4)
1.1上⾏物理信道发送端模型 (4)
1.2CRC校验编码(CRC CODING) (4)
1.3码块分割与码块CRC处理(C ODE BLOCK SEGMENTA TION AND CRC A TTACHMENT) (6) 1.3信道编码(C HANNEL CODING) (7)
1.3.1T URBO码 (7)
1.3.1.1基于QPP交织器的Turbo编码 (7)
1.3.1.2 QPP交织器 (9)
1.3.2速率匹配 (9)
1.3.
2.1⼦块交织器 (10)
1.3.
2.2⽐特收集、筛选和输出 (12)
1.3.3控制信息的信道编码(C HANNEL CODING OF CONTROL INFORMATION) (13)
1.4⽤户专有加扰(UE-S PECIFIC S CRAMBLING) (15)
1.5信道交织(C HANNEL INTERLEA VING) (17)
1.6调制(M ODULATION) (18)
1.7DFT-S-OFDM复⽤/SC-FDMA (19)
1.7.1DFT变换 (19)
1.7.2⼦载波映射(S UB-C ARRIER M APPING) (20)
1.7.3上⾏参考信号(U PLINK R EFERENCE S IGNAL) (21)
1.7.3.1⽤于解调的参考信号(DM RS) (21)
1.7.3.2信道探测参考信号(SRS) (23)
1.7.3.3上⾏参考信号序列设计 (24)
1.7.4循环前缀(C YCLIC P REFIX,CP) (26)
1.7.5SC-FDMA基带信号 (26)
1.8虚拟MIMO技术 (27)
⼆、上⾏物理信道接收端 (31)
2.1上⾏物理信道接收端模型 (31)
2.2信道估计与均衡 (32)
2.2.1信道估计 (32)
2.2.2信道均衡 (33)
2.3信道译码(T URBO并⾏迭代译码) (35)
2.3.1基于QPP内交织的T URBO译码器结构与原理 (35)
2.3.2T URBO译码算法(SW-L OG-MAP) (37)
2.3.2.1 Log-MAP(对数最⼤后验概率)算法 (37)
2.3.2.2 SW-Log-MAP(滑窗对数最⼤后验概率)算法 (38)
第⼆部分下⾏物理信道(DOWNLINK) (41)
⼀、下⾏物理信道发送端 (41)
1.1下⾏物理信道发送端模型 (41)
1.2信道专有加扰(T RANSPOR T C HANNEL S PECIFIC S CRAMBLING) (42)
1.2层映射(C ODEWORD TO L AYER M APPING) (42)
1.2.1空间复⽤层映射 (42)
1.2.2发射分集层映射 (43)
1.3预编码(P RECODING) (44)
1.3.1单天线端⼝传输的预编码 (44)
1.3.2空间复⽤预编码(S PATIAL M ULTIPLEXING) (44)
1.3.
2.1 空间复⽤(SDM)传输模式 (44)
1.3.
2.2 闭环空间复⽤模式的预编码 (45)
1.3.
2.3 开环空间复⽤模式的预编码 (48)
1.3.3发射分集预编码(T RANSMIT D IVERSITY) (49)
1.4OFDM复⽤/OFDMA (50)
1.4.1下⾏参考信号(D OWNLINK R EFERENCE S IGNAL) (50)
1.4.1.1 下⾏参考信号时频结构 (51)
1.4.1.2 ⼩区专⽤参考信号(Cell-specific RS) (52)
1.4.1.3 MBSFN参考信号(MBSFN RS) (54)
1.4.1.4 终端专⽤参考信号(UE-specific RS) (56)
1.4.2同步信号(S YNCHRONIZA TION S IGNAL) (58)
1.4.
2.1 主同步信号(Primary Synchronization Signal) (59)
1.4.
2.2 辅同步信号(Secondary Synchronization Signal) (59)
1.4.
2.3 同步信号时域结构 (61)
1.4.3OFDM基带信号 (62)
⼆、下⾏物理信道接收端 (63)
1.1下⾏物理信道接收端模型 (63)
1.2预编码译码 (64)
1.3码字映射(L AYER TO CODEWORD MAPPING) (64)
1.3.1空间复⽤码字映射 (64)
1.3.2发射分集码字映射 (65)
3GPP LTE系统参数
1.符号结构
CP长度和符号长度的细节参见：1.7.4节
2.TTI长度
最⼩TTI长度为：1.0ms
可采⽤TTI捆绑(TTI Binding)⽅式等效实现更长的TTI，是否启动TTI Bind ing需通过信令慢速调整。

3.进⾏FFT变换参数(细节参见: 上⾏下⾏)
4. 帧结构
如⽆特殊说明，LTE 时域基本单元为：1/(150002048)s T s
×。

⼀个⽆线帧长度为：30720010f
s
T T ms ×。

每个帧包含10个⼦帧，每⼦帧长1ms 。

LTE ⽀持两种类型的⽆线帧结构：类型1：适⽤于FDD 模式；类型2：适⽤于TDD 模式。

类型 1 (T y pe 1) FDD 每帧包含20个时隙(slot)，编号为0~19。

每个时隙长度为：153600.5slot
s
T T ms =
×=。

每个⼦帧含有2个相连的时隙，即第i 个⼦帧由第2i 个和第2i+1个时隙构成。

对于FDD ，由于上下⾏传输在频域上是分开的，所以每10ms 内，有10个⼦帧可以⽤于下⾏传输，并且有10个⼦帧可以⽤于上⾏传输。

类型1结构如下：
类型 2 (T y pe 2) TDD
每帧包含两个半帧(half-frame)，每个半帧长度为：1536005hf
s
T T ms =×=
；每个半帧
包含5个长度为1ms 的⼦帧；除特殊⼦帧外，每个⼦帧包含2个长度为0.5ms 的时隙。

对于TDD ，上下⾏传输是在同⼀频域内的不同时隙进⾏的。

各⼦帧可⽤于上⾏也可⽤于下⾏。

⽤于上⾏的⼦帧标记为“U ”，⽤于下⾏的⼦帧标记为“D ”，⽤于传输DwPTS 、GP 、UpPTS 的特殊⼦帧标记为“S ”。

其中特殊⼦帧包含的DwPTS 、GP 、UpPTS 三部分共占⽤1ms 。

其中3部分长度配置由下表给出：
LTE TDD ⽀持5ms 和10ms 两种上下⾏⼦帧切换周期，⼦帧切换点配置如下：
其中，⼦帧0和⼦帧5以及DwPTS 总是预留给下⾏；⼦帧2和UpPTS 总是预留给上⾏；在5ms 切换周期情况下，特殊⼦帧在两个半帧中都存在，UpPTS 、⼦帧2和⼦帧7预留给上⾏；在10ms 切换周期情况下，特殊⼦帧只在第⼀个半帧中存在。

GP
UpPTS
DwPTS
GP
UpPTS
DwPTS
第⼀部分上⾏物理信道(Uplink)
⼀、上⾏物理信道发送端
1.1上⾏物理信道发送端模型
1.2 CRC校验编码(CRC coding)
LTE中的CRC编码按照校验位长度可分为3种：
1.校验位长度L=24:
g CRC24A(D) = [D24 + D23 + D18 + D17 + D14 + D11 + D10 + D7 + D6 + D5 + D4 + D3 + D + 1]；
g CRC24B(D) = [D24 + D23 + D6 + D5 + D + 1]；
编码以系统的⽅式进⾏，对于多项式
23122221230241221230......p D p D p D p D a D a D a A A A ++++++++?++
满⾜被对应多项式g CRC24A (D )或g CRC24B (D )除后余数为0 2. 校验位长度L=16:
g CRC16(D ) = [D 16 + D 12 + D 5
+ 1]；
对于多项式
15114141150161141150......p D p D p D p D a D a D a A A A ++++++++?++
满⾜被对应多项式g CRC16(D )除后余数为0 3. 校验位长度L=8:
g CRC8(D ) = [D 8 + D 7 + D 4 + D 3
+ D + 1]；
对于多项式
7166170816170......p D p D p D p D a D a D a A A A ++++++++?++
满⾜被对应多项式g CRC8(D )除后余数为0
附加CRC 之后的⽐特表⽰为13210,...,,,,?B b b b b b ，其中B=A+L ，a k 和b k 的关系为: k k a b =
for k = 0, 1, 2, …, A -1
A k k p b ?=
for k = A , A +1, A +2,..., A +L -1.
计算校验和的算法如下：
⾸先发送端和接收端预先商定⼀个⽣成多项式G(x)，然后将发送信息帧位串转换成0或1的多项式M(x)，然后根据计算校验和的算法在帧的尾部追加⼀个校验和。

1. 设G(x)的阶为r ；在m 为帧的低位加上r 个0，形成⼀个(m+r)位的新帧，新帧对应的多
项式位x T
M(x)。

2. 利⽤模2除法，⽤G(x)对应的位串去除x T M(x)对应的位串，得到余数位串，其多项式
设为r(x)。

3. 利⽤模2减法，⽤x T
M(x)的位串去减去余数r(x)对应的位串，得到带校验和的帧，其多
项式设为T(x)。

1.3 码块分割与码块CRC 处理(Code block segmentation and CRC attachment)
码块分割操作的输⼊序列长度为B ，B>0。

若B ⼤于码块尺⼨的最⼤值Z ，则输⼊序列将被分割并将24位长的CRC 序列附着到每⼀个码块的后⾯。

定义码块尺⼨的最⼤值为Z=6144。

码块C 的总数⽬的确定过程由如下的伪代码表⽰：
if Z B ≤ L = 0
Number of code blocks: 1=C
B B =′
else L = 24
Number of code blocks: () L Z B C ?=/.
L C B B ?+=′
end if
2. 确定码块长度K
码块分割后的输出序列定义为：()13210,...,,,,?r K r r r r r c c c c c ，0C ≠，r 表⽰第r 个码
块，K r 表⽰第r 个码块长度。

码块长度K r 由如下过程确定：
第⼀分割尺⼨:K +为1.4.1.2节中的B K C ′≥?的最⼩K 值；
第⼆分割尺⼨: K -为K +≤的最⼤K 值。

即K +和K -是1.4.1.2节中QPP 交织器参数表的两个相邻的K 值。

C 个码块中有C +个长度为K +的码块和C -个长度为K -的码块。

其中，长度为K -的码块数量为
′??=+?K B K C C ，
长度为K +的码块数量为?+?=C C C 。

如果只有⼀个码块，即C=1，则长度为K +的码块个数为：0C +=；设置0=?K ,0=?C 。

3. 加⼊填充⽐特及CRC 校验⽐特
在编码器的输⼊端，填充⽐特将被设定为。

如果需要加⼊填充⽐特F ，则在第⼀个码块的开始处加⼊填充⽐特，即在第r=0个码块的头部添加F 个填充⽐特，'F C K C K B ++??=?+??；
如果B<40，则在这个码块的开始处加⼊填充⽐特，使其长度达到40。

输出规则如下：前0,1,1r
C ?=
个码块长度为r K K ?=，其余的,1,1r C C C ??=+? 个码块长度
为r K K +=；
每个码块的前r K L ?个⽐特rk C ，除0,0,1,1k C NULL k F =<>=? 外，总共为B 个⽐特，后L 个⽐特为⼦码块的CRC ⽐特；
CRC ⽐特采⽤g CRC24B 的⽣成多项式产⽣，填充⽐特在计算时被设为0。

1.3 信道编码(Channel coding)
1.3.1 T urbo 码
1.3.1.1基于QPP 交织器的T urbo 编码
LTE 采⽤8状态、并⾏级联结构的Turbo 码，码率为1/3，最长码长为6144，其编码器分量码传递函数为:
()()()101,g D G D g D
=
其中，()2
3
01g D D D =++，()3
11g D D D =++
k
c 为经过内交织器的信息⽐特；k x 和k z 分别为分量码1输出的系统⽐特和校验⽐特；'k
x 和'
k z 分别是分量码2输出的系统⽐特和校验⽐特。

实际输出为k x 、
k z 和'k
z 构成的信息串。

设输⼊信息⽐特串长度为K ，则k x 、k z 和'k z 长度均为(K+3)。

LTE 的Turbo 编码器输出分为三路，分别表⽰为：()()01,k k d d 和()
2k d ，记忆长度为D=K+4，
数据输出规则如下：
A ．对于k=0,1,2,…,K-1:
()
()()
012'
,,k k k k k k
d x d z d z =
=
=
； B ．对于k=K,K+1,K+2:
()
()()
()
0000'
112233,,,K K K K K K K K d x d z d x d z ++++++====
； ()()()()1111''1
22
3
2,,,K
K K K K K K K d z d x d z d x +++++====
；
()()()()2222''
1122132,,,K K K K K K K K d x d z d x d z +++++++====。

1.3.1.2 QPP 交织器
(Ref.: R1-063137, Ericsson. Quadratic Permutation Polynomial Interleavers for LTE Turbo
Coding. 3GPP TSG RAN WG1 #47, Riga, Latvia, 06-10 November 2006)
⼆次置换多项式(QPP)交织器是⽆争⽤(CF)交织器，该类交织器的表达式为
()212mod x f x f x K Π=+
其中()x Π和x 分别是交织前后的序号；1f 和2f 是两个参数；K 为交织⽐特流的长度；可以根据输⼊信息⽐特k c 的长度K 在已有的LTE 内交织器参数表中找到1f 和2f 的对应位置，然后计算得到()x Π。

1.3.2 速率匹配
Turbo 码编码的传输信道速率匹配采⽤基于循环缓存器的速率匹配机制，其主要由三个⼦块交织器、⼀个⽐特收集及虚拟循环缓存器和⼀个⽐特筛选和修剪器构成。

以码块为单位
进⾏速率匹配。

三个⼦块交织器分别对编码器输出的三路⽐特()
()
01,k k d d 和()
2k d 进⾏交织。

整个机制的⼯作过程为：
A. 将系统⽐特和校验⽐特分别作⼦块交织，并将交织后的校验⽐特逐⼀间插排列；
B. 将系统⽐特和校验⽐特级联拼接起来，送⼊循环缓存器；
C. 根据冗余版本的需要对循环缓存器中的⽐特进⾏筛选和修剪，得到指定码率和格式
的输出⽐特流。

1.3.
2.1⼦块交织器
LTE 指定⼦块交织器的列数为32TC
subblock C =，列序号从左⾄右分别为0,1,2,…,
1TC subblock C ?；同时定义了交织器的⾏数为TC subblock R ，TC subblock R 为满⾜()TC TC subblock subblock D R C ≤×的最⼩正整数，⾏序号从上⾄下分别为0,1,2,…, 1TC
subblock R ?。

A ．⽐特填充
如果()TC TC
subblock subblock R C D ×>，
则令()TC
TC
D subblock
subblock N R
C D =×?，
在()i k d 头部添加D N 个⽐特以匹配交织矩阵的维数。

即对于k=0,1,…, 1D N ?，令NULL k y =，随后对交织器输⼊序列k y 的其他⽐特赋值，即对于k=0,1,…,D-1，令()
D i N k k y d +=。

B ．按⾏写⼊
将k y 按照下图逐⾏写⼊交织矩阵
C ．列间置换及按列读出 a ．对于()()
01,k k d d ：列置换模式为
()0,1,2,...,1
0,16,8,24,4,20,12,28,2,18,10,26,6,22,14,30,1,17,9,25,5,21,13,29,3,19,11,27,7,23,15,31
TC
subblock P P P P C ?=
列间置换后的矩阵变为：
输出数据表⽰为()
,0,1i k v i =，然后开始逐列读出。

()
()(),0,1i i k
v k i π==
()()()mod i TC TC
subblock subblock TC subblock k
k P C k R R π
=+×
b ．对于()
2k d ：
其交织矩阵是对a 中的列间置换后的交织矩阵的循环移位。

改交织器的输出表⽰为
()()()()2
2
2
2
0121
,,,...,k v v v v Π?，有()
subblock subblock TC subblock k k P C k R K R πΠ =+×+
1.3.
2.2⽐特收集、筛选和输出
将⼦块交织后的数据()
i k v 写⼊循环缓存器，缓存器长度为3w K K Π=。

写⼊规则为：将
两路校验⽐特彼此间插放置，并将检查排列后的校验⽐特接续在系统⽐特之后。

即如下式：
()()
()
012221
,,,0,1, (1)
k K k k K k k w v w v w v k
K ΠΠ+++Π====
⽤N IR 个⽐特表⽰发送块的软缓冲器⼤⼩，⽤N CB 个⽐特表⽰第r 个码块的软缓冲器⼤
⼩。

N CB 的⼤⼩定义如下，其中C 为前⾯码块分割部分所计算出的码块数⽬。

=w IR cb K C N N ,min ⽤于下⾏Turbo 编码传输信道； w cb K N = ⽤于上⾏Turbo 编码传输信道。

其中N IR 由下式给出：
()
=limit
DL_HARQ MIMO ,min M M K N N soft
IR 其中，soft N 表⽰软信道的总数⽬；
MIMO K 为2，当UE 配置为接收以模式3或4进⾏的PDSCH 发送；
DL_HARQ M 为DL HARQ 处理的最⼤数⽬(FDD 时为8；TDD 时根据UL/DL 配置情况可为
4,6,7,9,10,12,15)；
limit M 为常数8。

通过以下步骤输出数据：
1. 计算第r 个码块所分配到的传输⽐特数，即输出长度E 。

令
()''/,mod L m G G N Q G C γ=?=，
对于0个码块中的前C γ?个码块，即0,1,...,1C γ
γ??，其输出长度较短，
'
/L m E N Q G C =??
后γ个码块输出长度较长，为
'/L m E N Q G C =??
其中，m Q 为调制阶数，当调制⽅式分别为QPSK 、16QAM 和64QAM 时，m Q 分别取2、4和6；L N 为分层因⼦，当采⽤2层或4层传输时2L N =，否则1L N =；G 为⼀个传输块所能分配到的总⽐特数。

2. 计算⽐特筛选后的输出k e 令
+?
=
2820idx TC subblock cb TC
subblock
rv R
N R k
计算过程由如下伪代码给出： k=0, j=0
while { k < E } if >≠<+NULL w cb N j k mod )(0
cb N j k k w e mod )(0+=
k = k +1
end if j = j +1 end while
1.3.3 控制信息的信道编码(Channel coding of control information)
控制信息包括混合ARQ 确认信息(HARQ-ACK)、秩表⽰信息(Rank Indication, RI)及信
道质量信息(Channel Quality Information, CQI)。

每⼀种信息在信道编码时都会有特定的⼀种编码⽅式。

A ．HARQ-ACK 及RI
当UE 发送HARQ-ACK 或是RI ⽐特时，需要确定它们的编码符号数量'Q ，
'
1
sc symb PUSCH current sc C r r O M N Q M K
=
∑
其中，O 是ACK/NACK 或RI 的⽐特数⽬；PUSCH current
sc M ?是传输块所在的当前⼦帧在PUSCH 上传输时所分配的带宽，⽤⼦载波数⽬表⽰；PUSCH sc M ，PUSCH symb
M ，C 和r K 的信息是来⾃
同⼀传输块的初始PDCCH 。

对于HARQ-ACK 信息，每⼀个ACK 位被编码为1，⽽每⼀个NAK 位被编码为0；如
果HARQ-ACK 包含1bit 信息，如[0ACK o ]，则其编码⽅式如下：
如果HARQ-ACK 包含2-bits 信息，如[0ACK
o 1ACK o ]，则其编码⽅式如下
:
(()2
1mod 2ACK ACK ACK o o
o =
+)
其中，“x ”和“y ”均为占位符，⽬的在于使带有HARQ-ACK 信息的调制符号间的欧⽒距离最⼤化。

如果HARQ-ACK 包含信息位数⼤于2，如] [1
10
ACK O ACK ACK
ACK o o o ? ，即2ACK
O >，⽐特。