LTE资源调度（8）-如何计算有效信道码率和Turbo编码码率

今天是端午节，祝大家端午节快乐！这几天有时间，再更新一篇。

考虑下行资源调度算法时，主要有两种码率需要考虑：第一种是有效信道码率(effective channel code rate)，第二种是Turbo编码码率。标准协议规定有效信道码率不能超过0.93，但对Turbo编码的码率没有做强制要求。

在介绍如何计算有效信道码率和Turbo编码码率之前，简单了解一下下行共享信道的物理层处理过程是很有必要的。

1.下行共享信道的物理层处理过程

eNB MAC层完成数据的封装之后，以MAC PDU的形式将1个或2个TB传输块发送到下行物理层，下行物理层收到TB传输块即开始依次进行流水线般的处理：

（1）在该TB块的末尾处增加24bits的CRC比特位。

TB块即传输块处理的第一步，就是计算一个24bits的CRC，并将其插入到每个TB块的末尾，如图1所示。循环冗余校验CRC允许接收侧对TB块进行错误检测。如果CRC检测出错，可以通过下行HARQ进行重传，通过合并增益来提升下一次解码的成功率。

（图1）

（2）把（1）的结果分割成M个码块Code Block，然后在每个码块的末尾增加24bitsCRC比特位。

这个步骤是为后续的Turbo信道编码服务的。LTE Turbo编码器中包含的交织器只能使用有限大小的编码块（CodeBlock），支持的最大码块大小为6144bits。如果TB块加上CRC的比特大小超过了6144bits，就要在Turbo编码之前进行码块分割。

如上面的图1所示，一个完整的TB块和CRC被分割成了M个CB块。M的大小取决于TB块的大小TBsize值：

如果 (TBsize + 24bitsCRC) <= 6144 bits，那么M=1，表示只有1个CB块，不需要对TB块进行分割，CB块的末尾也不需要额外增加一个24bits的CRC信息，直接使用原有TB块的CRC信息即可。

如果 (TBsize + 24bitsCRC) > 6144 bits，那么CB块的个数M = ceil [ (TBsize + 24bitsCRC) / (6144 - 24) ]，此时每个CB块的末尾需要额外增加一个24bits的CRC信息，这个CRC的内容与TB块末尾的CRC内容并不相同，仅用于CB块的误码检测。

比如TBsize=75376bits，那么M = ceil [ ( 75376 + 24 ) / ( 6144 - 24 ) ] = 13，即经过这个步骤，下行物理层得到了13个CB块。由于TBSize的值是由RB和MCS确定的，因此UE在解码出下行DCI中的RB和MCS信息之后，就可以计算得到码块数M。

图1中第一个CB块的开头有一小段空白的区域，这个区域叫做填充比特。由于目前LTE协议中的TBS大小是经过选择的，所以并不需要使用填充比特。

只有当所有的分段码块都被接收端正确的解码时，才认为该TB块被正确的解码；只要有任意一个CB块被错误解码，都需要请求HARQ重传。

（3）对（2）的结果进行信道编码（Turbo编码）。

LTE下行共享信道中的每个CB块，都会进行独立的Turbo编码过程，且输出3路比特流码块（即意味着总的编码速率是1/3）。这3路码流分别被称作系统比特、第一校验比特和第二校验比特。 r 个CB块比特码流经过信道编码之后，输出（3 * r）路比特流码块，如图2所示。

（图2）

每一个码块的编码处理过程是相同的，如果将第 r 个码块的比特数记为Kr（根据前文描述，Kr <= 6144bits），该码块的比特流则可以记为 Cr0,Cr1,...,Cr(Kr-1)。其中，符号Cr0表示第 r 个码块的第0个bit位，其余含义类推。经过Turbo编码后，输出的3路比特流 Ri（i=0,1,2）可以统一记为：d_r0(i),d_r1(i),...,d_r(Dr-1)(i)。其中，符号d_r0(i)表示第 r 个码块对应的第 i 路码流的第0个bit位。Dr表示第 i 路码块的比特位数，值是固定的，Dr = Kr + 4。是不是看到这些符号头就晕了呢？看着看着就不晕了。

对一个具体的CB码块（占K比特）进行信道编码的过程，可以用下面的图3来示意。此时K个比特的比特流 c0,c1,...,c(K-1) 表示输入参数，D个比特的比特流 d0(i),d1(i),...,d(D-1)(i) 表示其中第 i 路码流的输出，D = K + 4。关于Turbo编码器更具体的内容，跟本文的主题无关，不再详细展开。

（图3）

（4）对（3）的结果进行速率匹配和HARQ操作。

经过Turbo编码后，每个CB块被转换成的3路比特码流，即系统比特、第一校验比特、第二校验比特，将首先进行独立的子块交织（Sub-block interleaver）。然后，交织的比特将被插入到一个环形缓冲器中（virtual circular buffer），系统比特最先插入，然后是第一校验比特和第二校验比特交替插入，也就是图4中的比特收集（Bit collection）过程。

（图4）

我们知道，HARQ操作对应4种不同的冗余版本，分别是RV=0,1,2,3。经过比特收集过程，所有的比特流都被存入环形器中。接下来的比特选择（Bit selection）过程，就是从环形器中提取出连续的比特流。HARQ冗余版本RV值不同，从环形器中提取比特流的起始位置也将不同。

经过比特选择过程之后，输出的比特流就是上文图3中的e0,e1,...,e(E-1)。

（5）对（4）的结果进行多码块合并，生成一个长度为G的比特流。这个长度为G的比特流就是传说中的“码字（codeword）”，物理层需要传输的就是这个内容。

为了在空口中进行有效的数据传输，“码字”信息后续还要进行比特级的加扰、数据调制、层映射、预编码、RE映射等诸多过程。

2.计算有效信道码率

下面以FDD制式，20M带宽，MCS=28，RB=100，TM3单个传输块，CAT3能力终端，CFI=1，两天线端口，普通CP为例，说明有效信道码率的计算过程。

由于CFI=1，配置两天线端口，所以可用的RE = (12 * ( 14 - 1 ) - 12) * 100RB * 6bits = 86400 bits，所以有效信道码率 = 75712 / 86400 = 0.876 < 0.93。需要说明的是，如果某个子帧包含了系统信息等，考虑有效信道码率的时候还需要扣除相应的RE。

3.计算Turbo编码码率

3GPP提供了一种有限缓存速率匹配（limited buffer rate matching，LBRM）的机制。在这种机制里，不同的UE终端，其能够使用的最大软缓存比特大小是不同的。

继续以FDD制式，20M带宽，MCS=28，RB=100，TM3单个传输块，CAT3能力终端为例，说明Turbo编码码率的计算过程。

通过查36213-7.1.7.2.1表可以知道，传输块TBS=75376 bits。经过码块分割后，形成M = ceil [ ( 75376 + 24 ) / ( 6144 - 24 ) ] = 13个CB块。此时传输块的比特数增加到：75376 + 24 + 13 * 24 = 75712 bits。

在协议标准里，用符号Nir来表示某个传输块的软缓存大小比特数（soft buffer size）。可以通过下面的公式1计算得到N_IR：

（公式1）

公式中的Nsoft由UE的能力决定，本例中UE能力为CAT3，所以Nsoft=1237248 bits。注意，这里很多人容易将“每个TTI内最多能调度的TBS”以及“每个TTI内每个TB块最多能传输的TBS”这两个概念与Nsoft相混淆。

（图5）

M_DL_HARQ表示下行最大HARQ个数，对于FDD制式，M_DL_HARQ = 8。

将各个参数值代入公式1，可以得到 Nir = floor ( 1237248 / ( 2 * 8 ) ) = 77328 bits，所以Turbo编码码率 = 75712 / 77328 = 0.979 > 0.93，这也意味着此种情况下的冗余比特已经非常有限。协议并没有规定说Turbo编码码率必须要小于0.93，在实际设定调度算法时，各厂家可以根据自己的需求制定不同的目标值。

参考：

（1）3GPP TS 36.212 V9.4.0 (2011-09) Multiplexing and channel coding

（2）3GPP TS 36.213 V9.3.0 (2010-09) Physical layer procedures

（3）《4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》

最后

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