前回書（4G網絡數據傳輸流程與速率分析系列（一））說到Alice手機的微信小視頻想要通過4G網絡到達Bob手機需經過空口層層處理：小視頻的IP包經過PDCP、RLC、MAC、物理層發射出去，通過基站等網絡設備轉發，Bob手機接收到后再經過物理層、MAC、RLC、PDCP層層剝離，露出小視頻的IP包。同時，小編也介紹了PDCP、RLC、MAC各層的功能。
PDCP講了，RLC講了，MAC也講了，就差物理層沒說了。啊哈，你沒猜錯，今天Bob通信大講堂第二課走起：扒一扒物理層里的那些事，從上行和下行兩個方向一起扒一扒。
我們把物理層的上一層MAC層傳下來的數據叫傳輸塊（TB，Transport Blocks），物理層以1ms的調度周期對TB進行處理，最終通過天線發射出去。那么問題來了：物理層到底對TB干了什么？也就是物理層的處理流程是什么？
答：物理層處理流程與典型通信系統發射機和接收機處理流程類似，具體到4G LTE中，對TB處理包括CRC、信道編碼、交織（對抗衰落）、調制、層映射（使用MIMO）、資源映射等。
原來是醬紫，那么問題又來了：上面提到的各種處理中參數如何決定？比如調制階數如何確定？資源映射中資源多少如何確定？這些物理層都得提前知道才能開工呀。
答：這些參數其實是由上一層MAC層決定的，這也是MAC層的重要功能之一。基站中有一個資源調度器邏輯上屬於MAC層，它從物理層獲取一些關鍵信息（如無線信道質量），通過算法得出各種參數，再告訴物理層怎么怎么做，這個過程小編把它稱為資源調度。（這么看物理層只是個干活的呀，MAC才是領導）。
上面這兩個問題，第一個物理層處理流程，第二個資源調度，就是這個系列文章中物理層要講的內容。雖然第二個問題資源調度的決定權不在物理層，不過需要物理層提供關鍵信息，姑且就把它放在這里吧。另外，按照實際數據傳輸的流程，先有第二個問題，才有第一個問題（不知道資源位置和參數，叫物理層怎么開工），所以小編要先講資源調度，再講物理層處理流程。
艾瑪，終於鋪墊完了，可以正式開講了。
4G網絡數據傳輸流程之資源調度
4G網絡的資源調度有以下幾個特點，請先拿小本記下：
1、4G LTE網絡中，資源調度就是指如何分配無線資源PRB；
2、資源調度分上行和下行，都是由基站來最終決定的，手機重在參與；
3、基站中的資源調度器執行調度過程，不僅要考慮如何給一個用戶分配資源，還要考慮多個用戶之間的協調、優先級問題。多個用戶之間協調通過多用戶調度算法（像輪詢、比例公平等）實現，本文中小編暫（qi）不（shi）討（bu）論（dong），重點講單用戶的資源分配；
4、資源調度中需要手機參與反饋重要信息，比如信道質量。
先說下行（Bob從基站中下載Alice發給他的小視頻）的資源分配再說上行。簡單講：每個1ms的調度周期時間里，基站君的資源調度器收到Bob手機反饋上來的下行鏈路無線信道質量，查表得出調制方式和最高碼率。信號好，采用高階調制方式，碼率高；信號差，采用低階調制方式，碼率低。然后，基站君的資源調度器考慮待傳數據量，查表確定分配多少PRB，如下示意圖。
能不能說的再具體些？
1、Bob手機物理層向基站君發送CQI，表示下行無線信道質量。這個CQI是Channel Quality Indicate 的縮寫，一共4bit，取值1~15，如下表（TS 36.213 Table 7.2.3）。（啥？你問我手機是怎么算出CQI的？鬼才知道，通過解調小區參考信號估計出來的？）
2、基站君收到CQI后，查上表就知道了調制方式和最大碼率。CQI越小，說明信號越不好，采用低階調制方式，碼率越低，即保護比特越多。從表中也能看出，對於同一種調制方式，對應多種碼率。比如CQI = 1~6，調制方式都是QPSK，但碼率越來越高，通過這樣的細分保證調度靈活性。
到這里，基站君已經確定了調制方式和最高碼率，下面就要確定分配多少物理資源（PRB）了。此時，不同基站廠商按照某種小編不知道的算法，將手機反饋的4bit CQI值，換算成一個5bit的MCS值，取值0~26 。MCS是Modulation and Coding Scheme的縮寫，稱為調制編碼策略，如下表（TS 36.213 Table 7.1.7.1） 。后續將通過MCS來確定物理資源，調整調制階數。
3、確定MCS后，繼續查上表，得到一個對應的TBS Index值，范圍也是0~26。TBS Index看名字就知道是用來找TBS的，那TBS是什么鬼？TBS，Transport Block Size，顧名思義是傳輸塊大小，為什么要弄這么個參數呢？小編認（xia）為（chai）：
從MAC傳到物理層的TB數據大小是沒有規律、隨機的，而TBS就相當於用來裝數據的標准大小的筐，用什么樣的車（即多少無線資源）來送走這個筐是固定的。這樣，MAC傳下來的數據先往TBS這個筐里裝，一個小筐不夠就換一個大筐，裝好后，按照所使用筐的標准找車就好了。因為框有好多種，小小框，小框，中筐，大筐，大大筐等等，所以MAC傳下來的數據總能找到合適的筐，這樣一切就是流程化、標准化。只要筐的分類合理，總能在復雜性和有效性之間找到平衡點，這就是TBS的意義。\(^o^)/
4、得到TBS Index值后，繼續查表（如下TS 36.213 Table 7.1.7.2.1）確定PRB數 。有了TBS Index就鎖定了表的某一行，不同的列代表不同的TBS大小，就是小編上面提到的筐，對應有不同的車（PRB）在等着送貨。根據貨的多少（傳輸的數據量）在這一行中選擇一個最合適的筐，即選擇一個大於或等於待傳數據量且與待傳數據量最接近的TBS。這樣，為待傳數據分配多少PRB就跟着確定了。
舉個栗子，TBS Index = 12， 鎖定上表最后一行；假設待傳數據量是4000bit，該行中大於4000且與4000最接近的是4136，所以就選TBS = 4136這個筐來裝數據，對應的PRB = 18，也就是說基站君分配18個PRB來傳這次的數據。
此時，基站君已經知道待傳數據的調制階數、最高碼率、MCS、TBS、PRB數，是不是可以交給物理層發射了？呵呵，還沒完呢。。。難道沒有發現最高碼率還沒派上用場嗎？下面有請最高碼率登場。
5、基站君根據上一步選擇的TBS和PRB數，計算碼率（CR），看是否超過最高碼率。如果沒超過，則萬事大吉；如果超過，MCS就降低一個值，重復第3~5步，直到計算出的碼率小於最高碼率。
那到底要怎么算碼率？(+﹏+)~，碼率 = 信息比特數 / PRB中承載數據的總比特數，其中：
（1）信息比特數 = TBS + CRC，信息比特數是指信道編碼前的數據，所以要包括CRC附加的24bit；
（2）PRB中承載數據的總比特數 = 能用來傳輸數據的RE數 x 調制階數。調制階數已經知道，還要計算總共有多少RE用來傳數據。1個PRB總有168個RE，但這168個RE不能都用來傳數據，要減去開銷（包括同步信道，PBCH，PDCCH等控制信息占用的RE數），不同網絡配置開銷數還不一樣（想知道如何計算開銷？私撩小編吧）。所以PRB中承載數據的總比特數 = PRB數x（168 - 每個PRB中開銷占用RE數）x 調制階數 。
繼續舉栗子。手機反饋CQI=7，基站君通過小編不知道的算法得到MCS=13，查表TBS Index=12，假設待傳數據是4000bit，查表得到TBS=4136，對應PRB=18，則：
（1）CR的分子，信息比特數 = TBS+CRC = 4136+24 = 4160；
（2）CR的分母，PRB中承載數據的總比特數= 18（PRB數）x138（1個PRB中傳輸數據的RE）x 4（調制階數） = 9936； （小編才不會告訴你138是用168減去CFI=2時PDCCH占用RE和CRS占用RE得到的，O(∩_∩)O~）
（3）所以碼率CR = 4160/9936 = 0.419 > 最高碼率0.369；
（4）所以MCS降階選擇12，則TBS Index=11，TBS=4008，PRB=20，重新計算碼率 =（4008+24）/（20x138x4）= 4032/11040 = 0.365 < 最高碼率0.369。
（5）結果OK，Game Over。
總算是把下行資源調度完了，簡單總結下：
啥？還有上行資源調度？
上行資源調度和下行資源調度總原則是一樣的，遵循“獲取無線信道質量→MCS→TBS Index→確定TBS及PRB數”，但是也略有不同。示意圖如下：
1、雖然上行方向是手機發送數據給基站，不過手機的物理層如何處理數據、用哪些無線資源發送也是由基站決定的，在本文一開始，小編就提到，上行和下行的資源調度都是由基站決定的。
2、上行方向資源調度，基站君也要首先獲取無線信道質量。對於下行的無線信道質量，基站君是通過手機反饋的CQI知曉的；那么對於上行，基站君親自操刀測量手機發送的上行SRS（Sounding Reference Signal）信號，估計出信道質量。
3、上行方向由於是手機給基站發數據，所以基站事先不知道手機有多少數據要發，基站不知道數據量大小就沒法決定分配多少資源啊，所以手機要向基站發送BSR（Buffer Status Report），表明手機的緩存里有多少數據要傳。
4、基站君通過信道質量得出MCS，進而查表得到TB Index、TBS、PRB，這個過程和下行一樣，不詳述。
5、基站將決定好的TBS、調制階數、資源數量等信息打包成TF（Transport Format ）發給手機，手機按這些參數指導物理層開工，准備發射。
至此，我們4G網絡數據傳輸流程系列的第二課就Over了，這一課里我們講了物理層中兩個關鍵問題的第一個：下行和上行資源調度，下一課小編將介紹物理層的詳細處理流程，敬請期待。
下課~~
作者：讀萬卷行萬里
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