下行L1/L2控制信道

概述
为了支持上下行数据传输，需要定义一些相关的下行控制信令。由于这些信令携带的信息来自于物理层L1或者MAC层L2。因此，将这些信令统称为下行L1/L2控制信令，它包括PCFICH、PHICH、PDCCH。
每个下行子帧（包括TDD中的DwPTS部分）被分成2部分：控制区域（control region）和数据区域（data region）。控制区域主要用于传输下行L1/L2控制信令，包括PCFICH/PHICH/PDCCH；数据区域主要用于传输数据，包括PSS/SSS、PBCH、PDSCH和PMCH 。如下图1所示。

图1 控制区域和数据区域图
注意：只有下行才区分控制区域和数据区域，上行是不区分的。
1、REG
REG（Resource Element Group）用于定义如何将下行L1/L2控制信令映射到RE上。REG是下行L1/L2控制信令进行物理资源分配的基本单位，只存在于下行子帧的控制区域内。一个REG中包含的RE集合取决于小区所配置的小区特定的参考信号的个数。
注：只有下行L1/L2控制信令才有REG的概念。
由于小区特定的参考信号CRS所占的RE不能用于传输下行L1/L2控制信令的RE,且一个REG必须包含至少4个可用于传输下行L1/L2控制信令的RE,且一个REG所包含的所有RE（资源元素 Resource Element）必须位于同一个RB内，所有只要某个OFDM符号内包含了参考信号，则每个RB在该OFDM符号上只存在2个REG.图示如下。

由于下行L1/L2控制信令与CRS在相同的天线端口集合上发送，而CRS只位于天线端口0~3上，因此本文的天线端口仅是对应天线端口0/1/2/3.
对于只有一个CRS的配置，即只有一个天线端口port0的配置，第一个symbol中去掉两个CRS之后，还有10个RE，所以此时该RB在这个符号下有2个REG,每个REG包含5个RE.且某个REG所包含的所有RE在时域上位于同一个符号内，一个REG内只会使用到4个RE.

2、PCFICH:物理控制格式指示信道
PCFICH（Physical Control Format Indicator CHannel）用于通知UE 对应下行子帧的控制区域的大小，即控制区域所占的OFDM 符号（OFDM symbol）的个数。或者说，PCFICH 用于指示一个下行子帧中用于传输PDCCH 的OFDM 符号的个数。

2.1、PCFICH介绍
每个小区在每个下行子帧有且仅有一个PCFICH.PCFICH 携带的信息为CFI（Control Format Indicator），且CFI 的取值范围为1~3（即CFI =1、2 或3；用2 比特表示，CFI=4 为预留，不使用）。
对于下行系统带宽NRBDL>10N^{DL}_{RB}>10NRBDL>10，控制区域所占的OFDM 符号数1（CFI =1）或2（CFI =2）或3（CFI =3），即等于CFI；对于下行系统带宽NRBDL≤10N^{DL}_{RB}\leq10NRBDL≤10，控制区域所占的 OFDM符号数为 2（CFI =1）或 3（CFI =2）或 4（CFI =3），即等于CFI + 1。
对于TDD 而言，子帧1 和子帧6 的控制区域至多只能占2 个OFDM 符号，这是因为在这些子帧中，PSS 要占据第三个OFDM符号。

2.2、PCFICH物理层处理
PCFICH 的物理层处理如下图所示。首先，2 比特的CFI 会先经过码率为1/16 的信道编码，得到一个32 比特的codeword。接着，会使用小区和子帧特定的扰码对32 比特的codeword 进行加扰（与扰码异或），以随机化小区间干扰（ICI inter-cell interference）。然后，对加扰后的32 个scrambled bits 进行QPSK 调制，得到16 个调制符号（modulation symbol）。再把 16 个调制符号进行层映射（layer mapping）和预编码（precoding）后，映射到对应的RE中去。只有 PCFICH 正确解码才能知道控制区域的大小，因此PCFICH 总是放在每个子帧的第一个OFDM 符号中发送。PCFICH 的16 个调制符号被分为4 组，每组占一个REG，每个REG 包含4 个可用于传输的RE。这4 个REG 平均分布在整个下行系统带宽中，以获得频率分集增益。

2.3、如何选择CFI以及PCFICH对PCI规划的影响
PCFICH在每个被调度的TTI都会下发，并且是可以动态变化的。UE在每个TTI都应该重新计算控制区域所占的OFDM符号的个数，并综合考虑下行系统带宽、CFI的取值、PHICH duration等的影响。
控制区域所占的OFDM符号越少，对应TTI可用于用户数据传输的OFDM符号越多，相应的吞吐量（throughput）就越高。
控制区域所占的OFDM符号越少，对应TTI可用于PDCCH传输的OFDM符号就越少，则该TTI能够服务（调度）的UE数就越少，即容量（capacity）越小。
So, CFI的选择需要根据场景的需求，在吞吐量和容量之间取得平衡。
在配置小区的PCI时，要避免与邻居小区的PCFICH在频域位置上（即REG的位置）发生重叠。

3、PHICH:物理HARQ指示信道
PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel）用于对上行PUSCH传输的数据回应HARQ ACK/NACK。每个TTI中的每个上行TB对应一个PHICH，也就是说，当UE在某小区配置了上行空分复用时，需要2个PHICH。
3.1、PHICH资源介绍
eNodeB 通常会配置第一个OFDM 符号来发送PHICH，这样即使PCFICH 解码失败了，也不影响PHICH 的解码。但在某些场景下，比如下行系统带宽较小的小区（如1.4 MHz，共6 个RB），其频域分集的增益要比下行系统带宽较大的小区（如20 MHz）的小区要低。通过使用extended PHICH duration（此时UE在控制区域内会配置2个或者3个OFDM符号来传输PHICH），能提高时间分集的增益，从而提高PHICH 的性能。
多个PHICH 可以映射到相同的RE 集合中发送，这些PHICH 组成了一个PHICH group，即多个PHICH 可以复用到同一个PHICH group 中。同一个PHICH group 中的PHICH 通过不同的正交序列（orthogonal sequence）来区分。
3.2、PHICH 物理层处理
物理层eNodeB会先对每个HARQ确认信息(1bit：对应一个上行TB的ACK/NACK)重复3遍，得到3bit信息，接着使用BPSK调制(1bit–>1bit调制符号)，然后使用一个长度为4的正交序列进行扩频，最后再使用小区特定的扰码序列进行加扰，就得到一个12bit的symbol。
多个PHICH映射到同一个PCHICH group时，是将多个PHICH映射到同一个RE的symbol相加来实现的。
PHICH的物理层处理如下图所示，每个PHICH group会映射到3个REG中，这3个REG是分开的，彼此间隔1/3下行系统带宽。

在控制区域的第一个OFDM 符号上，资源首先会分配给PCFICH，PHICH 只能映射到没有被PCFICH 使用的那些RE 上。属于同一个PHICH group 中的所有PHICH 映射到相同的RE 集合上；不同的PHICH group 使用的RE 集合是不同的。
PHICH 与PBCH 在相同的天线端口集合传输。如果使用多个天线端口传输，则只能使用传输分集（transmit diversity）。

3.3、UE 如何确定其使用的PHICH 资源
UE发送完PUSCH之后，怎么分辨出基站是在哪一个PHICH上来回应ACK/NACK呢？
时域：如果UE在子帧n发送PUSCH，则UE应该在子帧n+kPHICHn+k_{PHICH}n+kPHICH检测对应的PHICH.当为FDD时，kPHICH=4k_{PHICH}=4kPHICH=4；当为TDD时，kPHICHk_{PHICH}kPHICH的值可查如下表得到。

当UE确定了接收PHICH的正确子帧后，还需要知道使用的PHICH资源，即确定二元组(nPHICHgroup,nPHICHseq)(n^{group}_{PHICH},n^{seq}_{PHICH})(nPHICHgroup,nPHICHseq)。该二元组可以唯一指定一个PHICH资源，其中nPHICHgroupn^{group}_{PHICH}nPHICHgroup为PHICH group的索引，nPHICHseqn^{seq}_{PHICH}nPHICHseq为该PHICH group内的正交序列索引。该二元组具体的计算公式可参考协议。
4、PDCCH:物理下行控制信道
物理下行控制信道PDCCH的作用：
(1) 向UE发送下行调度信息,以便UE接收PDSCH.
(2) 向UE发送上行调度信息，以便UE发送PUSCH;
(3) 发送非周期CQI上报请求；
(4) 通知MCCH 变化；
(5) 发送上行功控命令;
(6) HARQ 相关信息；
(7) 携带RNTI：该信息隐式包含在CRC 中等等。

PDCCH 携带的信息称为DCI（Downlink Control Information）。DCI 可能指示小区级的信息（使用SI-RNTI / P-RNTI / RA-RNTI加扰），也可能指示UE 级的信息（使用C-RNTI / SPS C-RNTI / Temporary C-RNTI 加扰）。
一个PDCCH 只能携带一种format 的一个DCI。一个小区可以在上行和下行同时调度多个UE，即一个小区可以在每个子帧发送多个调度信息。每个调度信息在独立的PDCCH 上传输，也就是说，一个小区可以在一个子帧上同时发送多个PDCCH。

PDCCH 固定使用QPSK 调制。

一个PDCCH 在n 个连续的CCE（Control Channel Element）上传输，每个CCE 由9 个REG 组成。PDCCH的起始 CCE索引i必须为n 的整数倍。
PDCCH 有4 种format (格式) {0，1，2，3}，分别对应聚合等级（Aggregation Level）{1，2，4，8}。聚合等级表示一个PDCCH 占用的连续的CCE 个数，即前面提到的n。eNodeB 会根据信道质量等因素来决定某个PDCCH 使用的聚合等级。

例如：如果PDCCH 是发给某个下行信道质量很好的UE（例如位于小区中心），则使用1 个CCE 来发送该PDCCH 可能就足够了；如果PDCCH 是发给某个下行信道质量很差的UE（例如位于小区边缘），则可能需要使用8 个CCE 来发送该PDCCH 以达到足够的健壮性。PDCCH 的功率也可以根据信道条件进行调整，eNodeB 可以将信道质量较好UE 的PDCCH 发射功率节省下来以分配给信道质量较差的UE。（PDCCH 的链路自适应）

LTE 中支持的PDCCH 格式如下所示。

注意：不要将PDCCH format 和DCI format 混淆，二者是不同的概念。
4.1、搜索空间
先看非载波聚合CA的场景（此时UE只有一个服务小区serving cell）。UE会在连续接收状态的子帧一直监听PDCCH candidates集合，UE需要根据所要监听的DCI format来尝试解码该集合中的每一个PDCCH.该集合被称为UE的搜索空间(search spach)。在聚合等级L=(1,2,4,8)L={(1,2,4,8)}L=(1,2,4,8)上的搜索空间 SkLS^{L}_{k}SkL叫做PDCCH candidates的集合。
搜索空间分公共搜索空间（用于传输与paging、RA Response、BCCH等相关的控制信息，均为小区级别的公共信息）和UE特定的搜索空间（用于传输与DL-SCH、UL-SCH等相关的控制信息,均是UE级别的信息。）
4.1、下行子帧可用的CCE数
一个下行子帧的控制区域由PCFICH + PHICH + PDCCH + Reference Symbol组成。
映射顺序：先映射Reference Symbol，接着映射PCFICH，然后是PHICH，其映射的位置与小区配置有关，原则是尽量配置到不同符号不同子载波上。最后对剩下的REG将重新格式化，划分 CCE，映射PDCCH。因此，需要先排除Reference Symbol、PCFICH、PHICH所占的资源，才能确定某个下行子帧可用的CCE数（确定CCE总数的过程如下）。

补充：下行参考信号介绍
下行参考信号是预先定义完成的，是由一系列的参考符号reference symbol组成，它占用时频资源网格中某些特定的RE（每个参考符号占用一个RE）.每个天线端口(antenna port)对应一张时频资源网格，并对应一个参考信号RS(Reference Signal)。对于下行，一个小区支持的天线端口集合依赖于该小区的参考信号配置。
小区特定的参考信号（Cell-specific reference signal，CRS）：支持1、2、4个天线端口配置，并在天线端口p=0、p∈(0,1)、p∈(0,1,2,3)p=0、p\in(0,1)、p\in(0,1,2,3)p=0、p∈(0,1)、p∈(0,1,2,3)上传输。
MBSFN参考信号：在天线端口p=4p=4p=4上传输。
UE特定的参考信号（UE-specific reference signal又称Demodulation Reference Signal, DMRS）：在天线端口p=5、p=7、p=8、或p∈(7,8,9,10,11,12,13,14)p=5、p=7、p=8、或p\in(7,8,9,10,11,12,13,14)p=5、p=7、p=8、或p∈(7,8,9,10,11,12,13,14)上的一个或几个中传输。
其中小区特定的参考信号CRS对小区内所有的UE都有效，UE用来对大部分下行物理信道进行信道估计、获取CSI、测量等。小区可以使用1个、2个或者4个小区特定的参考信号，分别对应使用1个、2个或者4个天线端口。小区特定的参考信号只在天线端口0~3中的一个或者几个中传输。

（1）排除参考符号Reference Symbol
小区特定的参考信号CRS:
小区特定的参考信号cell reference signal。当小区使用1个、2个天线端口传输，则小区特定的参考信号在频域上间隔6个子载波，时域上位于每个slot的第一个和倒数第三个DFDM符号上。如果小区使用4个天线端口传输，则时域上除了在每个slot的第一个和倒数第三个OFDM符号之外，小区特定的参考信号还在每个slot的第2个OFDM符号上传输。
UE特定的参考信号：不在天线端口 0~3中传输，只随数据部分（data region）一起传输，且不插入小区特定的参考信号所位于的OFDM符号中，因此不占用控制区域的资源。
（2）排除PCFICH
CFICH用于通知UE当前子帧的控制区域大小，一个小区在每个子帧有且仅有一个PCFICH。PCFICH位于子帧的第1个OFDM符号上，共占4个REG。4个REG在频域上的位置由小区的PCI决定。
（3）排除PHIICH
通过读取MIB确定PHICH group的个数及其资源分布（从UE角度上看）。每个PHICH group映射到3个REG，且REG间相隔近似1/3的下行系统带宽。通常位于第1个OFDM符号中传输
1 PHICH group = 8 PHICHs (正常的循环前缀)
1 PHICH group = 4 PHICHs (扩展的循环前缀)
（3）排除PDCCH
主要用于传输下行控制信息（以便UE正确接收PDSCH）和UL Grant（为PUSCH分配上行资源）。其分配以CCE为单位，1 CCE = 9 REG = 36 RE = 72 bits。
PDCCH可用的CCE数NCCE=NREG/9N_{CCE}=N_{REG}/9NCCE=NREG/9向上取整，其中NREGN_{REG}NREG=控制区域所有OFDM符号包含的REG总数-PCFICH占用的REG数（固定-4）-PHICH占用的REG数（不一定存在）。
4.2、PDCCH盲检
DCI 有多种格式，但UE 事先并不知道接收到的PDCCH 携带的是哪种格式的DCI，也不知道该DCI 使用哪个PDCCH candidate 进行传输，所以UE 必须进行PDCCH盲检以接收对应的DCI。
（1）UE 计算可用于PDCCH 的CCE 总数
UE通过PSS/SSS确定物理小区ID(PCI)和子帧0所在的位置，但是还不知道系统帧号。因为CRS及其frequency shift(指定RS的位置)与PCI一一对应，所以UE也通过PCI间接确定了CRS及其在RB中的位置。接着UE进行信道估计并进一步解调PBCH，获取系统帧号、PHICH占用的资源分布和天线端口数。再通过解调PCFICH获取CFI，由此知道了控制区域占用的OFDM符号数，从而PDCCH在一个子帧内所占用的CCE总数就可以确定。

（1）进行PDCCH盲检
虽然UE事先并不知道要接收的PDCCH携带的是哪种格式的DCI，也不知道该DCI使用哪个PDCCH candidate进行传输，但UE知道自己处于何种状态以及在该状态下期待收到的DCI信息。

例如在IDLE态时UE期待收到Paging；在发起Random Access后UE期待的是RAR；在有上行数据待发送时期待UL Grant等。

UE知道自己的搜索空间，因此知道DCI可能分布在哪些CCE上，对于不同的期望信息，UE会尝试使用相应的X-RNTI、可能的DCI format、可能的聚合等级去与属于自己搜索空间的CCE做CRC校验。如果CRC校验成功，则确认这是自己需要的信息，也就知道了DCI format,从而可以解出DCI的内容。
在成功解码PDCCH之前，UE会在每一个可能的PDCCH candidate（共22个）上尝试解码，一旦解码成功就停止解码过程。另外，在某种传输模式或者状态解码时，可能的DCI format最多有2种。因此，UE进行PDCCH盲检的总次数不超过44次。

5、PDSCH:物理下行共享信道
PDSCH用于传输来自DL-SCH和PCH的数据，如RAR、Paging、SIB、RRC消息（不含MIB）和用户数据等最终都会在PDSCH上传输。PDSCH是在下行子帧的数据区域传输的。
当然，为了接收PDSCH，UE首先需要去成功解码PDCCH才可以。PDCCH携带的DCI指定了在空口上如何传输PDSCH，DCI指定了PDSCH所占的资源、MCS（调制方案）、初传或重传相关信息、层、预编码等信息。UE从PDCCH中可以获得PDSCH的资源分配信息和调制阶数、获得PDSCH所携带的TB的大小。
5.1、下行资源分配类型
下行物理信道PDSCH的资源分配类型有3种：Type0、Type1、Type2。PDSCH传输具体使用哪种资源分配类型取决于基站所选的DCI format以及DCI内相关比特的配置。每种DCI format对应不同的资源分配类型，如下表所示。

补充：下行PDSCH和上行PUSCH的资源是以VRB对pair(Virtual Resource Block虚拟资源块)为单位进行分配的，然后再将其映射到PRB（Physical Resource Block物理资源块）。

5.1.1、RBG(Resource Block Group资源块组)
RBG是一组连续的集中式VRB(Localized VRB)。RBG的大小P(每个RBG中包含的VRB的数目)与下行系统带宽有关，对应如下。

RBG的索引是从最低频开始，并按照频率递增的顺序进行编号的。

举个例子：当下行系统带宽为50RB时，由表知其P值为3，RBG的总数是17，前16个RBG各包含3个VRB，最后一个RBG只包含2个VRB.

5.1.2、资源分配类型0 Type0
Type0对应的DCI format 1/2/2A/2B/2C通过一个bitmap来指示分配给UE的RBG.bitmap的比特数就是RBG的个数（NRBG=⌈NRBDL/P⌉N_{RBG}=\lceil N^{DL}_{RB}/P\rceilNRBG=⌈NRBDL/P⌉）,每1bit对应一个RBG,最高位表示RBG0RBG_{0}RBG0,最低位表示RBGNRBG−1RBG_{N_{RBG}}-1RBGNRBG−1.如果某个RBG分配给UE，则bitmap中对应比特置为1，否则置为0.

举个例子：当小区下行系统带宽为25个RB时，由表知，P=2. So,RBG数目=13.其中前12个RBG的大小为2，最后一个大小为1.
即bitmap共13bit. 若分给某UE资源的bitmap为：1001110100010，则该UE被分配了RBG0/3/4/5/7/11,如下图所示。

由例子可知，该资源分配类型支持频域上的非连续RB分配；调度的最小单位是RBG，粒度较粗，对于较大的带宽而言，无法按照单个RB来分配资源。
5.1.3、资源分配类型1 Type1
5.1.4、资源分配类型2 Type1
以后根据具体需求再详细学习类型1和2，这里先省略。
5.2、VRB到PRB的映射
LTE定义了2种类型的VRB:集中式VRB和分布式VRB.VRB与PRB大小相同，无论是哪一种VRB，同一个子帧内的2个slot的一对VRB（VRB pair）被看成一个整体，并被分配相同的VRB number:nVRBn_{_{VRB}}nVRB.
5.2.1、集中式VRB
集中式VRB直接一一映射到PRB，nPRB=nVRBn_{_{PRB}}=n_{_{VRB}}nPRB=nVRB,并且不支持同一RB pair在slot间跳频。
5.2.2、分布式VRB
下行资源分配类型2既支持集中式VRB又支持分布式VRB，DCI format 1C只支持分布式VRB.那么，分布式VRB是如何映射到PRB的呢？先大致介绍其主要过程：step1,交织（interleaving）将连续的VRB pair映射到非连续的PRB pair上；step2，同一VRB number 在slot间跳频。
5.3、调制阶数和TB size的确定
UE收到DCI format之后，首先需要根据其中相应的字段读出IMCSI_{_{MCS}}IMCS和确定当前PDSCH传输占用的PRB数NPRBN_{_{PRB}}NPRB,然后再去确定调制阶数和TB size。
5.3.1、确定调制阶数
因DCI所采用的加扰方式不同，UE确定调制阶数的时候也是要分类来看的。
case1:对于使用P-RNTI(对应Paging消息)、RA-RNTI(对应Msg2)、SI-RNTI(对应SIBI和SI消息)加扰的DCI,其对应的PDSCH传输阶数恒为2.
case2:除case1所列的情况之外，其他方式加扰的DCI所对应的PDSCH传输阶数QmQ_{m}Qm是由IMCSI_{_{MCS}}IMCS查表得到的。

5.3.2、确定TB size
从MAC层发往物理层的数据是以传输块TB(Transport Block)的形式组织的；UE需要确定TB中包含了多少数据，即确定TB size.

TB是WCDMA系统中引入的，是MAC层与物理层接口的数据单位，由传输信道承载，同时，TB也是重要的时间参数，可以理解为MAC层与物理层处理数据的时间单位，称为TTI。在LTE系统中，TB的比特数是随业务量的需求而动态变化的，而且它所对应的时间TTI也缩短为1ms,每个UE允许并发两个TB，以提升吞吐率。

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