4G LTE移动通信传输过程分析与仿真(一)

物理层处理的起点是MAC层传下来的TB,终点是生成基带OFDM信号。然后上变频或下变频将基带OFDM信号变成射频信号,通过天线发射出去。与资源调度一样,物理层处理也分上行和下行,二者处理流程类似,以下行为例介绍。

下行处理流程如下,共11个步骤。第1~5步指物理层对TB进行CRC,信道编码等操作后得到码字(CWCode Word);第6~11步为4G网络关键技术MIMOOFDM在物理层如何实现。

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上行和下行处理流程区别在哪?有两点:

1)下行可以同时处理两个TB,上行只能处理1TB(注:R10版本上行最多可支持四流传输,此时上行也能同时处理2TB,但基本未商用);

2)下行采用OFDM方式,上行为避免峰均比过高采用SC-OFDM,因此,上行处理在层映射和预编码之间增加一步:变换预编码,以达到上行单载波目的。

物理层处理--从TB到码字

下行能同时处理两个TB,两个TB的处理流程完全相同,因此就以一个TB处理流程为例,解释每一步干什么,从哪来,到哪去,怎么做。

第一步:CRC。这个很好理解,就是在TB后附加24bit的校验比特,目的是在接收端检查这么一大块数据有没传错

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第二步:码块分割。把大码块分割成小码块,每个小码块继续添加24bitCRC校验。同时要注意以下几点:

1)不是所有码块都要分割,只有那些很大的码块才要分割。

2)据《3GPPTS 36.212》所述,大于6144bit的码块才要分割。

3 定义6144是因为下一步信道编码中能处理的最大数据块就是6144bit

假设有1个很大的TB传下来,数据块后附加24bit CRC校验,发现大于6144bit,则再次分割(假设分成两块),每块后再附加24bit CRC校验。

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第三步:信道编码。我们都知道信道编码的目的是保证信息传输不出错,提高可靠性,简单讲实施信道编码就是,发送端在信息bit后附加校验bit,使信息bit和校验bit有一定的数学关系,称为编码;接收端收到后猜传的是1还是0,称为译码。按照校验bit和信息bit之间的关系可以把信道编码分为线性分组码和卷积码,区别在于,线性分组码的校验bit只和它们要保护的当前传输的信息bit有关系,而卷积码的校验bit除和当前传输的信息bit有关外,还和前一时刻传输的信息bit有关,第一步的CRC就可以认为是线性分组码,3G WCDMA采用的就是卷积码。

4G中,采用的信道编码是著名的Turbo码,码率为1/3。这一步,针对第二步码块分割后得到的每个码块独立进行信道编码,输出三行数据,分别是:系统比特流,第一校验比特流,第二校验比特流。

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Turbo码编码器其实就是把两个卷积码编码器并行起来,中间加一个交织器,也叫做并行级联卷积码。因为有两个卷积码编码器,每个编码器都会输出校验bit,所以Turbo码输出两个校验bit流,称为第一校验bit流和第二校验bit流,加上原始数据,共输出三行数据,整个译码过程类似涡轮工作,所以就把这个编码方法称为turbo码。在4G网络里,这个交织器最大能处理的数据长度是6144bit,这也是为什么第二步里超过6144bit的码块要被拆了。

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第四步,速率匹配。信道编码后的数据最终要通过无线资源传输,但是数据量和传输资源往往不匹配,有时传的数据量多而传输资源不够,有时数据量少而传输资源多,这就需要把这两部分匹配起来,叫做速率匹配,一般有两种方法:(1)打孔,扔掉一些数据bit;(2)重复,复制数据bit充数。

4G网络,每一个码块信道编码后,Turbo编码器并行输出三行数据,而最终传输的肯定是一行数据流,这就是4G网络中速率匹配要解决的问题。下图是速率匹配器结构图,Turbo信道编码后的三行数据同时输入,分别通过行列交织器后,存在缓冲器中,系统比特流排在缓冲器头部,校验bit流排在尾部。比特选择器在缓冲器中选择一个“起点”,并顺序选出指定大小的一行数据,作为输出,共有四种“起点”选择方式。

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第五步,码块级联。速率匹配后最终得到串行的数据bit流,形式上和第一步的输入TB是一样的,不过这时数据流改名叫码字(CWCode Word)。

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系统仿真部分代码如下:

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