下行链路传输技术

通信术语
下行链路 基站与手机通信的物理信道，
上行链路 手机与基站通信的物理信道，
下行链路传输技术，下行链路信道传输信号的方式。
本词条以LTE为例，具体介绍LTE技术中的下行链路传输技术。
LTE中的下行链路传输技术包括，多址技术，时隙结构及物流资源，物理信道处理，物理信道，参考信号，同步信号，信道映射关系等多个方面。
多址技术
LTE系统的下行传输方案采用带有CP的OFDM多址接入技术，下行物理传输资源可以看做一个时频资源图，如图1所示，在一个OFDM符号持续时间内，每一个资源单元对应一个OFDM子载波。
图1  OFDM时频资源示意图
下行链路子载波间隔f=15kHz，此外还有一个更小的子载波间隔flow=7.5kHz，只用于MBSFN（MultimediaBroadcastmulticastserviceSingleFrequencyNetwork，单频网多媒体广播多播业务）专用小区。
在子载波间隔为15kHz的情况下，有两种CP长度，分别对应于常规CP（每时隙包含7个OFDM符号）和扩展CP（每时隙包含6个OFDM符号）的情况，不同CP的长度如下所示。
–常规CP：TCP=160×Ts（OFDM符号#0），TCP=144×Ts（OFDM符号#1到#6）。
–扩展CP：TCP=512×Ts（OFDM符号#0到#5）。
时隙结构及物理资源
时隙结构
图2所示是LTE系统下行物理资源格式示意图，其中Tslot表示一个时隙，表示下行OFDM符号数，表示下行系统带宽包含的RB数（取值范围为6～110），
表示一个RB包含的子载波数，RE（ResourceElement，资源单元）表示物理层基本的时频资源单元。
图2  下行物理资源格式
LTE系统支持1.4～20MHz灵活的系统带宽配置，不同的系统带宽包含的RB数不同，如表1所示。
表1 系统带宽与资源块RB
系统带宽/MHz	RB数目/个
1.4	6
3	15
5	25
10	50
15	75
20	100
物理资源块
为了便于描述物理信道向空口时频资源的映射，LTE系统引入了PRB（PhysicalResourceBlock，物理资源块）和VRB（VirtualResourceBlock，虚拟资源块）的概念。LTE系统首先分配VRB资源，然后再将VRB映射到PRB完成空口资源映射。
当f=15kHz时，一个PRB频域上包含12个连续的子载波，时域上包含7个连续的OFDM符号（扩展CP时为6个连续的OFDM符号），也就是一个PRB在频域上为180kHz，时域上为0.5ms。当flow=7.5kHz时，一个PRB频域上包含24个连续子载波，时域上包含3个连续的OFDM符号，如表2所示。
表2 PRB的参数
配置
常规CP	Df=15kHz	12	7
扩展CP	Df=15kHz	6
Dflow=7.5kHz	24	3
虚拟资源块
VRB占用和PRB相同大小的时频资源，包含两种类型：LVRB（LocalizedVRB，集中式VRB）和DVRB（DistributedVRB，分布式VRB）。
LTE系统空中接口无线资源传输和调度的最小时间单位TTI（TransmissionTimeInterval，传输时间间隔）为1ms，即一个子帧长度。所以LTE系统以VRB对的形式进行资源分配。根据应用场景和传输方案，下行链路通过控制信息可以实现LVRB和DVRB资源分配方式的动态转换，同时传输的不同终端可以采用不同的物理资源分配方式。
资源单元组
LTE系统中，为了便于控制信道资源的分配和映射，定义了REG（ResourceElementGroup，资源单元组）。一个REG表示控制信道区域内除导频符号外频域上连续的4个RE，如图3所示。REG是下行链路相关控制信道资源分配的基本单元。
图3  REG资源示意图
物理信道处理
下行物理信道处理过程如图4所示，主要包括加扰、调制、层映射、预编码、资源单元映射和OFDM信号产生。本节主要从总体上介绍加扰、调制、层映射和预编码过程，资源单元映射会在具体的物理信道中进行介绍。
图4  下行物理信道处理
干扰
LTE系统对所有下行物理信道进行加扰，加扰过程实现了干扰随机化，有助于保证接收端尽可能获得信道编码带来的增益。加扰是对信道编码后的比特序列与扰码序列相乘（异或），实现比特级加扰。
LTE系统下行采用31位的Gold序列产生伪随机加扰序列。在每个子帧的起始时刻，对扰码序列生成器进行初始化，不同的信道初始值Cinit也不同，如式（4）所示。其中q为码字编号，ns为子帧中时隙编号，nRNTI为信道传输时使用的RNTI（RadioNetwork
TemporaryIdentifier，无线网络临时标识码），为小区编号，为MBSFN小区
编号。可以看出，每个信道使用的扰码序列不同，保证了信道间干扰随机化。同时，小区间使用的扰码序列也不同，抑制了小区间干扰。
公式4
调制
调制就是将加扰后的比特序列映射为复值符号序列。LTE系统下行链路支持BPSK（BinaryPhaseShiftKeying，二进制移项键控）、QPSK（QuadraturePhaseShiftKeying，正交相移键控）、16QAM（16QuadratureAmplitudeModulation，16阶正交幅度调制）和64QAM（64QuadratureAmplitudeModulation，64阶正交幅度调制）调制方式，表示1个调制符号分别对应1、2、4或6个信息比特。不同下行物理信道可以使用的调制方式如表4所示。
表4 下行物理信道调制方式
物理信道	调制方式
PDSCH	QPSK,16QAM,64QAM
PMCH	QPSK,16QAM,64QAM
PBCH	QPSK
PCFICH	QPSK
PDCCH	QPSK
PHICH	BPSK
层映射
LTE系统支持多天线传输，其中FDDLTE系统中下行链路可以支持单天线、双天线、四天线配置，因此可以实现多种传输方法，如单天线、发射分集、开环空分复用、闭环空分复用、多用户MIMO等。MIMO系统中，层表示空间复用或发射分集所产生的不同“流”的概念，也就是符号序列到发射天线端口的映射；码字表示独立的编码数据块，码字总是小于或等于层数，也就是说总是小于或等于天线端口数；秩表示可以发送的最大层数，当秩大于1时，可以用2个码字传输。
LTE系统规定码字数为{0,1}，层数为{0,1,2,3}，层映射过程实现了码字向层的映射。根据MIMO传输方案的不同，待传输码字的复值符号序列映射到一个或多个层上。
物理信道
下行物理信道是一系列物理层资源单元的集合，它用于承载源自高层的信息。下行物理信道主要有以下几种信道类型。
–物理下行共享信道（PhysicalDownlinkSharedCHannel，PDSCH）：该信道用于承载下行链路的数据、广播和寻呼信息。
–物理下行控制信道（PhysicalDownlinkControlCHannel，PDCCH）：该信道用于承载下行链路的控制信息，如资源分配、HARQ调度信息等。
–物理广播信道（PhysicalBroadcastCHannel，PBCH）：该信道用于承载系统广播信息。
–物理多播信道（PhysicalMulticastCHannel，PMCH）：该信道用于承载多媒体广播多播业务。
–物理控制格式指示信道（PhysicalControlFormatIndicatorCHannel，PCFICH）：该信道用于指示一个子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号数。
–物理混合ARQ指示信道（PhysicalHybridARQIndicatorCHannel，PHICH）：该信道用于承载上行传输数据的HARQ反馈信息，也就是ACK（ACKnowledgement，确认）信息和NACK（NegativeACKnowledgement，否定确认）信息。
参考信号
为了对下行链路物理信道承载的信息进行解调，终端需要对下行链路信道进行估计，因此在下行链路传输时，需要同时在OFDM时频资源单元上插入参考信号（ReferenceSignal，RS）。终端通过参考信号进行信道估计，从而能够正确解调下行物理信道承载的数据。
LTE系统定义了4种下行链路参考信号。
–小区专用参考信号（Cell-specificReferenceSignals，CRS）：该参考信号在整个系统带宽内发送，以小区为单位，用于下行测量、同步及数据解调等。该参考信号支持1、2或4个天线端口配置，分别在天线端口p=0、p={0,1}或p={0,1,2,3}上传输。
–MBSFN参考信号（MBSFNReferenceSignals）：用于MBSFN多播和广播业务传输的相关信道解调，包括信道估计以及下行测量和同步。该参考信号在天线端口p=4上传输。
图5  不同终端的搜索空间示意图
–终端专用参考信号（UE-specificReferenceSignals）：用于波束赋形时下行链路共享信道的信道估计。该参考信息仅在特定用户的数据资源块上传输，而且由高层决定是否发送该参考信号。该参考信号在天线端口p=5、p=7、p=8或p={7,8}上传输。
–定位参考信号（PositioningReferenceSignals，PRS）：该参考信号仅承载在配置了定位参考信号的下行子帧上，且不会映射在用于传输PBCH、PSS和SSS的资源块上。该参考信号在天线端口p=6上传输。
同步信号
LTE系统在下行链路传输中定义了两种同步信号：主同步信号（PrimarySynchronizationSignal，PSS）和辅同步信号（SecondarySynchronizationSignal，SSS），每个同步信号长度为1个OFDM符号的持续时间，每5ms发送一次，占用下行传输带宽中心频率的1.08MHz带宽。
图6  定位参考信号映射（常规CP）
图7  定位参考信号映射（扩展CP）
LTE系统共定义了504个不同的物理层小区ID，这些小区ID又被分为168个组，其中每个组包含3个物理小区ID。因此使用3个主同步序列指示组内的小区ID，同时使用168个辅同步序列指示组ID。
根据系统帧结构不同，同步信号在帧结构中的位置有所不同，在FDDType1帧结构中，PSS在子帧0和子帧5的第0个时隙的最后一个OFDM符号上传输（即第0和第10个时隙），SSS则在同时隙内的倒数第2个OFDM符号上传输，如图8所示。
对于不同的系统带宽配置，PSS和SSS位于系统带宽中央位置，而且带宽始终为1.08MHz，也就是占用72个子载波（系统子载波f=15kHz）。其中同步信号序列占用62个子载波，两边各预留5个子载波为保护带，如图9所示。
图8  FDD LTE同步信号时域位置
图9  同步信号频域位置
信道映射关系
图10所示是下行链路的信道映射关系。下行传输信道中，广播信道（BroadcastChannel，BCH）映射到物理广播信道（PBCH），多播信道（MulticastChannel，MCH）映射到物理多播信道（PMCH），寻呼信道（PagingChannel，PCH）和下行共享信道（DownlinkSharedChannel，DL-SCH）映射到物理下行共享信道（PDSCH）。
图10  下行链路信道映射关系