LTE之物理信道

信道是不同类型的信息，按照不同传输格式、用不同的物理资源承载的信息通道。根据信息类型的不同、处理过程的不同可将信道分为多种类型。

重点介绍LTE的逻辑信道、传输信道、物理信道等常见的信道类型，并和3G相应的信道类型作了比较，通过比较可以加深LTE信道结构的理解。最后给出LTE从逻辑信道到传输信道，再到物理信道的映射关系。

依据不同的货物类型，采用不同的处理工艺，选择相应的运送过程，最后保证接收方及时正确地接受货物。

一、信道结构

1、信道的含义

信道就是信息的通道，不同信息类型需要经过不同的处理过程。

广义地讲，发射端信源信息经过层三、层二、物理层处理，在通过无线环境到接收端，经过物理层、层二、层三的处理被用户高层所识别的全部环节，就是信道。

信道就是信息处理的流水线。上一道工序和下一道工序是相互配合、相互支撑的关系。上一道工序把自己处理完的信息交给下一道工序时，要有一个双方都认可的标准，这个标准就是业务接入点（Service Access Point，SAP）。

协议的层与层之间要有许多这样的业务接入点，以便接收不同类别的信息。狭义的讲，不同协议之间的SAP就是信道。

2、三类信道

LTE采用UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。从协议栈角度来看，逻辑信道是MAC层和RLC层之间的，传输信道是物理层和MAC层之间的，物理信道是物理层的，如图所示。
逻辑信道关注的是传输什么内容，什么类别的信息。信息首先要被分为两种类型：控制消息（控制平面的信令，如广播类消息、寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。逻辑信道是高层信息传到MAC层的SAP。

传输信道关注的是怎样传？形成怎样的传输块（TB）？不同类型的传输信道对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，如调制编码方式、交织方式、冗余校验方式、空间复用方式等内容。根据对资源占有的程度不同，传输信道还可以分为共享信道和专用信道。前者就是多个用户共同占用信道资源，而后者就是由某一个用户独占信道资源。

与MAC层强相关的信道有传输信道和逻辑信道。传输信道是物理层提供给MAC层的服务，MAC可以利用传输信道向物理层发送和接受数据；而逻辑信道则是MAC层向RLC层提供的服务，RLC层可以使用逻辑信道向MAC层发送和接受数据。

MAC层一般包括很多功能模块，如传输调度模块、MBMS功能模块、传输块TB产生模块等。经过MAC层处理的消息向上传给RLC层的业务接入点，要变成逻辑信道的消息；向下传送到物理层的业务接入点，要变成传输信道的消息。

物理信道就是信号在无线环境中传送的方式，即空中接口的承载媒体。物理信道对应的是实际的射频资源，如时隙（时间）、子载波（频率）、天线口（空间）。物理信道就是确定好编码交织方式、调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道。根据物理信道所承载的上层信息不同，定义了不同类型的物理信道。

3、LTE与UMTS信道总体比较

和UMTS的信道结构相比，LTE的信道结构做了很大简化。传输信道从原来的9个减为现在的5个，物理信道从20个信道简化为LTE的上行3个，下行6个，再加上2个参考信号。

二、逻辑信道

根据传送消息的不同类型，逻辑信道分为两类：控制信道、业务信道。

1、五个控制信道

MAC层提供的控制信道有以下五个：

广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）是广而告之的消息入口，面向辖区内的所有用户广播控制信息。BCCH是网络到用户的一个下行信道，他传送的信息是在用户实际工作开始之前，做一些必要的通知工作。他是协调、控制、管理用户行为的重要信息。虽不干业务上的活，但没有它业务信道就不知如何开始工作。
寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH）是寻人启事类消息的入口。当不知道用户具体处在哪个小区的时候，用于发送寻呼消息。PCCH也是一个网络到用户的下行信道，一般用于被叫流程（主叫流程比被叫流程少一个寻呼消息）。
公共控制信道（Common Control Channel，CCCH）类似主管和员工之间协调工作时信息交互的入口，用于多人干活时，协调彼此动作的信息渠道。CCCH是上、下行双向和点对多点的控制信息传送信道，在UE和网络没有建立RRC连接的时候使用。
专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH）类似领导和某个亲信之间面授机宜的信息入口，是两个建立了亲密关系的人干活时，协调彼此动作的信息渠道。DCCH是上、下行双向和点到点的控制信息传送信道，是在UE和网络建立了RRC连接以后使用。
多播控制信道（MultiCast Control Channel，MCCH）类似领导给多个下属下达搬运一批货物命令的入口，是领导指挥多个下属干活时协调彼此工作的信息渠道。MCCH是点对多点的从网络侧到UE侧（下行）的MBMS控制信息的传送信道。一个MCCH可以支持一个或多个MTCH（MBMS业务信道）配置。MCCH在UMTS的信道结构中没有相关定义。网络侧类似一个电视台节目源，UE则是接收节目的电视机，而MCCH则是为了顺利发送节目电视台给电视机发送的控制命令，让电视机做好相关接受准备。

2、两个业务信道

MAC层提供的业务信道有以下两个：

专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）是待搬运货物的入口，这个入口按照控制信道的命令或指示，把货物从这里搬到那里，或从那里搬到这里。DTCH是UE和网络之间的点对点和上、下行双向的业务数据传送渠道。
多播业务信道（Multicast Traffice Channel，MTCH）类似要搬运的大批货物，也类似一个电视台到电视机的节目传送入口。MTCH是LTE中区别于以往制式的一个特色信道，是一个点对多点的从网络侧到UE（下行）传送多播业务MBMS的数据传送渠道。

3、LTE与UMTS逻辑信道的比较

LTE逻辑信道和UMTS中定义的逻辑信道，BCCH、PCCH、CCCH、DCCH这四个控制信道，DTCH业务信道是两者共有的。控制信道MCCH、业务信道MTCH是LTE为了支持MBMS而设立的逻辑信道，在UMTS中没有定义。

三、传输信道

传输信道定义了空中接口中数据传输的方式和特性。传输信道可以配置物理层的很多实现细节，同时物理层可以通过传输信道为MAC层提供服务。传输信道关注的不是传什么，而是怎么传。

UMTS的传输信道分为两类：专用信道和公共信道。公共信道资源是小区内的所有用户或一组用户共同分配使用的；而专用信道是由单个用户使用的资源。

LTE的传输信道没有定义专用信道，都属于公共信道（大家都可以用）或共享信道（大家可以同时用）。

LTE传输信道只有公共信道，一个可行的分类方法是将LTE传输信道分为上行和下行信道。但LTE的共享信道（SCH）支持上、下行两个方向，为了区别，将SCH分为DL-SCH和UL-SCH。

1、四个下行信道

LTE下行传输信道有以下四个：

广播信道（Broadcast Channel，BCH），为广而告之消息规范了预先定义好的固定格式、固定发送周期、固定调制编码方式，不允许灵活机动。BCH是在整个小区内发射的、固定传输格式的下行传输信道，用于给小区内的所有用户广播特定的系统消息。
寻呼信道（Paging Channel，PCH）规定了寻人启示传输的格式，将寻人启示贴在公告栏之前（映射到物理信道之前），要确定寻人启示的措辞、发布间隔等。寻呼信道是在整个小区内进行发送寻呼信息的一个下行传输信道。为了减少UE的耗电，UE支持寻呼消息的非连续接收（DRX）。为支持终端的非连续接收，PCH的发射与物理层产生的寻呼指示的发射是前后相随的。
下行共享信道（DL-SCH）规定了待搬运货物的传送格式。DL-SCH是传送业务数据的下行共享信道，支持自动混合重传（HARQ）；支持编码调制方式的自适应调制（AMC）；支持传输功率的动态调整；支持动态、半静态的资源分配。
多播信道（Multicast Channel，MCH）规定了给多个用户传送节目的传送格式，是LTE的规定区别于以往无线制式的下行传送信道。在多小区发送时，支持MBMS的同频合并模式MBSFN。MCH支持半静态的无线资源分配，在物理层上对应的是长CP的时隙。

2、两个上行信道

LTE上行传输信道有以下两个：

随机接入信道（Random Access Channel，RACH）规定了终端要接入网络时的初始协调信息格式。RACH是一个上行传输信道，在终端接入网络开始业务之前使用。由于终端和网络还没有正式建立链接，RACH信道使用开环功率控制。RACH发射信息时是基于碰撞（竞争）的资源申请机制（有一定的冒险精神）。
上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）和下行共享信道一样，也规定了带搬运货物的传送格式，只不过方向不同。UL-SCH是传送业务数据的从终端到网络的上行共享信道，同样支持混合自动重传HARQ，支持编码调制方式的自适应调整（AMC）；支持传输功率动态调整；支持动态、半静态的资源分配。

上述传输信道所采用的编码方案如图。

四、物理信道

物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载。在LTE中，物理信道是由一个特定的子载波、时隙、天线口确定的。即在特定的天线口上，对应的是一系列无线时频资源（Resource Element，RE）。

一个物理信道是有开始时间、结束时间、持续时间的。物理信道在时域上可以是连续的，也可以是不连续的。连续的物理信道持续时间由开始时刻到结束时刻，不连续的物理信道则须明确指示清楚由哪些时间片组成。

在LTE中，度量时间长度的单位是采样周期Ts。UMTS中度量时间长度的单位则是码片周期Tchip。物理信道主要用来承载传输信道来的数据，但还有一类物理信道无须传输信道的映射，直接承载物理层本身产生的控制信令或物理信令（下行：PDCCH、RS、SS；上行：PUCCH、RS）。这些物理信令和传输信道映射的物理信道一样，是有着相同的空中载体的，可以支持物理信道的功能。

1、两大处理过程

物理信道一般要进行两大处理过程：比特级处理和符号级处理。

从发射端角度看，比特级处理是物理信道数据处理的前端，主要是在二进制比特数据流上添加CRC校验；进行信道编码、交织、速率匹配以及加扰。

加扰之后进行的是符号级处理，包括调制、层映射、预编码、资源块映射、天线发送等过程。

在接收端先进性的是符号级处理，然后是比特级处理，处理顺序与发射端不同。

2、六个下行物理信道

下行方向有六个物理信道

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：辖区内的大喇叭，主要承载主信息块MIB，MIB包含三部分内容：

系统下行带宽
系统帧号
PHCIH配置

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）：踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，不偷懒，略有闲暇就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）：发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的PDSCH需要它的协调。PDCCH传送用户数据的资源分配的控制信息。

举例来说，UMTS中，UE在预定时刻监听物理层寻呼指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接受寻呼消息；在LTE中因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量有限，所以没有PICH，寻呼指示依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH。同样UMTS有随机接入响应信道（AICH），指示UE随机接入成功；在LTE中，也没有物理层的随机接入响应信道，随机接入响应同样依靠PDCCH。

物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）：类似藏宝图，指明了控制信息（宝藏）所在的位置。PCFICH是LTE的OFDM特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM符号中的位置信息。

物理HARQ指示信道（Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，PHICH）：主要负责点头摇头的工作，下属以此来判断上司对工作是否认可。PHICH承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。

物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）：类似可点播节目的电视广播塔，PMCH承载多播信息，负责把高层来的节目信息或相关控制命令传给终端。

每一种物理信道根据其承载的信息不同，对应着不同的调制方式。

PCSCH和PMCH可根据无线环境好坏，选择合适的调制方式。当信道质量好时选择高阶调制方式，如64QAM；质量差时选择低阶，如QPSK。其他信道不可变更调制方式。

3、三个上行物理信道

上行方向有三个物理信道。

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门才能进行下面的事，如果叩门失败后面的事就没法干了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦答应了，UE便可进一步和网络沟通信息。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：上行方向发号施令的嘴巴，但干实活的PUSCH需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道质量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

PUSCH可根据信道质量好坏选择相应的调制方式。

PUCCH有两种调制方式，PRACH则采用Zadoff-Chu随机序列。ZC序列是自相关特性较好的一种序列（在一点处自相关值最大，在其他处自相关值为0；具有恒定幅值的互相关特性，较低的峰均比特性），在LTE中，发送端和接收端的子载波频率容易出现偏差，接收端需要对这个频偏进行估计，使用ZC序列可以进行频偏的粗略估计。

五、物理信号

物理信号是物理层产生并使用的、有特定用途的一系列无线资源单元（Resource Element）。物理信号并不携带从高层来的任何信息，类似没有高层背景的底层员工，配合其他员工工作时，彼此约定好使用的信号。它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的映射关系，但从系统观点来讲是必须的。

下行方向上定义了两种物理信号：

参考信号（Reference Signal，RS）
同步信号（Synchronization Signal，SS）

上行方向上，只定义了一种物理信号：参考信号（RS）。

1、下行参考信号

下行参考信号RS本质上是一种伪随机序列，不含任何实际信息。这个随机序列通过时间和频率组成的资源单元RE发送出去，便于接收端进行信道估计，也可以为接收端进行信号解调提供参考，类似CDMA系统中的导频信道。

RS信号如同潜藏在人群中的特务分子，不断把一方的重要信息透露给另一方，便于另一方对这一方的情况进行判断。

频谱、衰落、干扰等因素都会使得发送端信号与接收端收到的信号存在一定偏差。信道估计的目的就是使接收端找到这个偏差，以便正确接收信息。

信道估计并不需要时时刻刻进行，只需关键位置出现一下即可。即RS离散的分布在时、频域上，它只是对信道的时、频域特性进行抽样而已。

为保证RS能够充分且必要反映信道时频特性，RS在天线口的时、频单元上必须有一定规则。

RS分布越密集，则信道估计越准确，但开销会很大，占用过多无线资源会降低系统传递有用信号的容量。RS分布不宜过密，也不宜过分散。

RS在时、频域上的分布遵循以下准则：

RS在频域上的间隔为6个子载波。
RS在时域上的间隔为7个OFDM符号周期。
为最大程度降低信号传送过程中的相关性，不同天线口的RS出现位置不宜相同。

2、下行同步信号

同步信号SS用于小区搜索过程中UE和eUTRAN的时、频同步。UE和eUTRAN做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。

同步信号包含两部分：

主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）：用于符号时间对准，频率同步以及部分小区的ID侦测。
从同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）：用于帧时间对准，CP长度侦测及小区组ID侦测。

补充：LTE的物理层小区ID（Physical Cell ID，PCI）分为两部分：小区组ID（Cell Group ID）和组内ID。LTE物理层小区组有168个，每个小区组由3个组内ID组成。于是共有168×3=504个独立的小区ID。

在频域里，不管系统带宽是多少，主/从同步信号总是位于系统带宽的中心（中间的64个子载波上，协议版本不同，数值不同），占据1.25MHz的频带宽地。这样的好处是即使UE在刚开机的情况下还不知道系统带宽，也可以在相对固定子载波上找到同步信号，方便进行小区搜索，如图所示。时域上同步信号的发送也须遵循一定规则，为了方便UE寻找，要在固定的位置发送，不能过密也不能过疏