LTE下行物理层传输机制（9）-集中式和分布式资源映射

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我是靠谱客的博主重要小猫咪，最近开发中收集的这篇文章主要介绍LTE下行物理层传输机制（9）-集中式和分布式资源映射，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

LTE系统里，RB资源的动态调度是在eNB侧实现的，这里的“RB资源”实际上是特指虚拟RB（Virtual RB）而不是物理RB（Physical RB）。VRB是MAC层在调度的时候使用的，属于逻辑上的概念，而PRB是物理层在实际映射RE资源的时候需要使用的，属于实际物理意义上的概念。VRB和PRB之间，存在着不同的映射关系：最简单的映射关系就是VRB的位置和PRB的位置是相同的，它们之间是一一对应的；另外一种复杂点的关系就是VRB和PRB并不是一一对应的，但是可以依赖某种特定的映射关系，通过VRB可以明确的推出PRB的位置。前一种一一对应的简单关系就是集中式的资源分配，而后面一种复杂点的映射关系，就是分布式的资源分配。

eNB侧在调度资源的时候，可以根据不同的场景使用不同的分配方式。比如当采用DCI2/DCI2A的时候，使用集中式的资源分配，而采用DCI1A的时候，既可以使用集中式的资源分配，也可以使用分布式的资源分配。下面就具体描述这两种分配方式。

下行VRB有两种资源映射方式：集中式（localized type）的VRB资源映射方式和分布式（distributed type）的VRB资源映射方式。无论是哪种VRB映射方式，所指的VRB都是指“RB对”（a pair of VRBs）。我们知道，一个子帧包括2个时隙，一个RB是由频域上的12个子载波以及时域上的一个时隙组成的（关于RB的组成结构请参考《LTE物理传输资源（3）-时频资源》），因此对于频域上的12个子载波，一个子帧就对应了2个RB，这两个RB就叫做一个"RB对"。在考虑VRB资源映射的时候，同个子帧内2个时隙的RB是放在一起考虑的，使用n_VRB来表示RB号的时候，是指一个VRB对，而不是特指某个时隙的VRB。也就是说，在描述下行资源映射方式的时候，虽然文字上说的是VRB与PRB的位置关系，实际上说的是VRB对与PRB对的位置关系。

1.集中式的资源映射（Localized type）

在集中式的资源映射方式中，VRB对和PRB对是一一对应的，即VRB的位置就是PRB的位置，RB资源块序号n_PRB=n_VRB，范围是0～（N_DL_RB-1）。下图就是5MHz带宽下，集中式分配VRB资源时，PRB和VRB的位置关系。

2.分布式的资源映射（Distributed type）

在分布式的资源映射方式中，VRB对和PRB对不是一一对应的，连续的VRB序号将映射到不连续的PRB序号上，并且一个子帧内的2个时隙也有着不同的映射关系（如下图1所示），通过这种方法来达到“分布式”的资源分配。无论是将连续的VRB对映射到不连续的PRB对上，还是分开每个PRB对，使一个PRB对的两个RB的资源传输带有一定的频率间隔（可以看成基于时隙（slot）的跳频），目的都是为了达到频率上的分集效应。

图1

上面的图1是下行带宽为5MHz的分布式资源分配过程示意图，这个图只是用来帮助理解分布式的过程，不代表实际PRB的映射位置就与上图画的一致。这张图简洁直观，可以很好的描述这个过程，下面从协议的角度具体说说这种映射关系，或者说如何从VRB对得到PRB对的实际映射位置。

3.获取GAP参数

在分布式的分配过程中，2个时隙中的PRB将映射到频域上的不同位置，从而实现基于时隙的跳频。上面图1中的Gap参数，就是用来表示一个RB对之间的频率偏移值，以RB个数为计量单位。不同的带宽，这个GAP值是不同的，一旦带宽确定下来，这个Gap值也就确定了。

从下面的Table 6.2.3.2-1中可以看到，当下行带宽是1.4MHz（N_DL_RB=6）、3MHz（N_DL_RB=15）、5MHz（N_DL_RB=25）时，只有一种Gap值可以选择，对应的频率偏移值N_gap1分别是：1.4MHz时N_gap1=3、3MHz时N_gap1=8、5MHz时N_gap1=12。上面图1中的Gap=12，符合5MHz带宽（N_DL_RB=25）的协议规定。

对于10MHz（N_DL_RB=50）、15MHz（N_DL_RB=75）、20MHz（N_DL_RB=100）这几种较大的带宽，协议规定了两种不同的Gap值，具体选择哪一种，由DCI通知到UE。如DCI1A格式，对于分布式VRB分配来说，有个1bit的字段（见下图中黄色高亮内容），就是用来表示当前Gap采用的是Gap1还是Gap2。

4. 可用于频率交织（interleaving）的VRB范围

并不是所有的VRB都可以用来进行交织的，如果用n_VRB来表示VRB的频率位置，那么可以用来交织的VRB的范围是0～（N_DL_VRB - 1）。只有该范围内的VRB才可以进行RB对的交织，才可以进行分布式的VRB资源分配。

如上图所示，如果n_VRB的范围是0～10，那么eNB进行分布式资源调度时，RB的id号只能分配到0～10这11个VRB。注意这里的参数N_DL_VRB不是下行带宽的RB个数N_DL_RB，不要混淆了。参数N_DL_VRB计算如下：

（A）如果采用GAP1，则 N_DL_VRB = N_DL_VRB_GAP1 = 2 × Min（N_gap1, N_DL_RB - N_gap1）。比如当前是5MHz带宽，N_gap1=12，N_DL_RB=25，则N_DL_VRB = 2 × Min（12，25-12） = 2 × 12 = 24。如果是10MHz带宽，N_gap1=27，N_DL_RB=50，则N_DL_VRB = 2 × Min（27，50-27） = 2 × 23 = 46。因此对于10MHz带宽来说，采用频率间隔GAP1时只有0～45这46个VRB对才可以进行RB的频率交织，才能进行分布式的RB分配。

（B）如果采用GAP2，则 N_DL_VRB = N_DL_VRB_GAP2 = floor（N_DL_RB / （2 × N_gap2）） × 2 × N_gap2。比如当前是10MHz带宽，N_gap2=9，N_DL_RB=50，则N_DL_VRB = floor（50 / 18）× 18 = 2 × 18 = 36。

5.获取交织矩阵（interleaving matrix）

在进行频率交织的过程中，需要用到交织矩阵（interleaving matrix）的概念，交织矩阵是一个列数固定等于4的矩阵，通过交织矩阵可以很方便的知道什么位置的VRB映射到什么位置的PRB。

协议规定，连续_N_DL_VRB个VRB可以组成一个交织单元（interleaving uint），每个交织单元可以用一个元素个数为_N_DL_VRB的交织矩阵来表示。参数_N_DL_VRB可以通过下面的方式得到：

（A）如果采用GAP1，则 _N_DL_VRB = N_DL_VRB。从这个公式中可以看到，所有可以用于分布式调度的VRB资源（即N_DL_VRB值）只能组成一个交织单元，形成一个交织矩阵。比如当前是5MHz带宽，N_DL_VRB=24，那么一个VRB交织单元由连续的24个VRB组成，即交织矩阵中有24个元素。

（B）如果采用GAP2，则 _N_DL_VRB = 2 × N_gap2。比如当前是10MHz带宽，N_gap2=9，那么一个VRB交织单元由连续的18个VRB组成，即交织矩阵中有18个元素。由于此时N_DL_VRB=36，即可以有36个VRB用于分布式资源分配，所以这种情况下，所有可用于分布式资源分配的VRB可以组成2个交织单元，生成2个交织矩阵。

如上图所示，每个交织单元的交织矩阵，是一个4列、N_row行的矩阵，N_row = ceil（_N_DL_VRB / （4×P））× P，P的取值见下表。如果当前是5MHz带宽，P=2，采用GAP1，_N_DL_VRB = N_DL_VRB = 24，那么N_row = ceil（24 / （4×2））× 2 = 6。

交织矩阵中的VRB，按照“按行写入”和“按列读出”的规则进行操作。按照这种规则，存在着组成一个交织单元的VRB个数不够填满一个交织矩阵的情况，因此协议规定第2列和第4列的最后（Null / 2）行需要插入Null个空值，插入的Null空值在读出的时候将会被忽略。其中，Nnull = 4 × N_row - _N_DL_VRB。如果当前是5MHz带宽，_N_DL_VRB = N_DL_VRB = 24，N_row = 6，那么Nnull = 4 × 6 - 24 = 0，表示不需要在第2列和第4列的最后插入空值，所有的VRB正好构成一个交织矩阵，如下图示意。

6.VRB向PRB的映射

有了交织矩阵，再根据下面3个步骤，就可以将VRB映射到PRB中。这3个步骤是：

（1）从交织矩阵中按列依次读取元素，遇到Nnull则跳过，取下一个非Nnull的元素，这样得到的就是偶数时隙PRB的参考位置；

（2）对偶数时隙的参考位置进行偏移，偏移量为（_N_DL_VRB / 2），得到奇数时隙PRB的参考位置；

（3）如果根据上面两个步骤得到的RB位置大于或等于（_N_DL_VRB / 2），则再次进行一次偏移，偏移量为（Ngap - _N_DL_VRB / 2），从而得到偶数时隙和奇数时隙的最终PRB映射位置。

经过上面3个步骤，可以知道VRB=3、4、5这三个VRB，经过分布式映射后，得到的PRB的位置分别是（偶数时隙，奇数时隙）=（18，6）、（1，13）、（7，19）。

上面的VRB向PRB的映射过程，也可以用数学公式进行严格的推导，推导过程如下。

（1）根据交织得到偶数时隙的参考位置

偶数时隙ns对应的PRB的参考位置 _n_PRB(ns)，由下面的公式计算得到：

（2）对偶数时隙的位置进行（_N_DL_VRB / 2）的偏移，得到奇数时隙的参考位置

奇数时隙ns的位置 _n_PRB(ns) 由下面的公式计算得到：

（3）对前面两个步骤中得到的大于或等于（_N_DL_VRB / 2）的位置，再次偏移（Ngap - _N_DL_VRB / 2），得到最终的PRB位置。

对于所有的时隙ns，包括偶数时隙和奇数时隙，根据下面的公式进行偏移：

前文已经根据交织矩阵得到了PRB的映射位置，为了与之相互印证，下面仍然以5MHz带宽来举例说明数学公式的使用过程和计算结果：

（1）根据前文的相关描述过程，可以得到N_gap1 = 12，_N_DL_VRB = 24，N_row = 6，Nnull = 0。假定eNB给UE分配了VRB=3、4、5这三个连续的VRB，那么计算PRB位置的过程如下：

（A）虚拟资源对n_VRB=3，占用一个偶数时隙和一个奇数时隙。从上面的公式中可以看到，偶数时隙的PRB位置只是用来递归计算奇数时隙的PRB位置，在实际计算时并不需要知道具体的时隙号，使用偶数时隙0和使用时隙2、4、6等等，计算得到的PRB的映射结果是相同的，所以这里可以用时隙0表示偶数时隙，用时隙1表示奇数时隙。因此：

对于偶数时隙（ns=0），_n_PRB(0) = 6 × （（3 mod 24）mod 4）+ floor（（3 mod 24）/ 4）+ 24 × floor（3 / 24）= 18。因为满足 18 >（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(0) = 18 + 12 - 24 / 2 = 18。

对于奇数时隙（ns=1），_n_PRB(1) = （_n_PRB(0) + 24 / 2）mod 24 + 24 × floor（3 / 24）= 6。因为满足 6 <（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(1) = 6，不需要再次进行偏移。

（B）虚拟资源对n_VRB=4：

对于偶数时隙（ns=0），_n_PRB(0) = 6 × （（4 mod 24）mod 4）+ floor（（4 mod 24）/ 4）+ 24 × floor（4 / 24）= 1。因为满足 1 <（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(0) = 1。

对于奇数时隙（ns=1），_n_PRB(1) = （_n_PRB(0) + 24 / 2）mod 24 + 24 × floor（4 / 24）= 13。因为满足 13 >（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(1) = 13 + 12 - 24 / 2 = 13。

（C）虚拟资源对n_VRB=5：

对于偶数时隙（ns=0），_n_PRB(0) = 6 × （（5 mod 24）mod 4）+ floor（（5 mod 24）/ 4）+ 24 × floor（5 / 24）= 7。因为满足 7 <（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(0) = 7。

对于奇数时隙（ns=1），_n_PRB(1) = （_n_PRB(0) + 24 / 2）mod 24 + 24 × floor（5 / 24）= 19。因为满足 19 >（24 / 2）的条件，因此物理资源位置n_PRB(1) = 19 + 12 - 24 / 2 = 19。

eNB分配资源的时候，是选择集中式的还是分布式的，是由eNB侧决定并通过DCI通知到UE侧的。不同的设备厂家，算法不同，调度的结果会有差别。对于DCI1A格式，其中的字段“Localized/Distributed VRB assignment flag”就是用来表示当前采用的VRB分配方式（采用Type2分配方式），具体请参考博文《LTE下行物理层传输机制（5）-DCI格式的选择和DCI1A》。DC2、DC2A格式的VRB只能选择集中式分配（采用Type0或Type1分配方式）。

参考文献：

（1）3GPP TS 36.211 V9.1.0 (2010-03) Physical Channels and Modulation

（2）3GPP TS 36.212 V9.4.0 (2011-09) Multiplexing and channel coding