上回書講到4G網絡物理層處理共11個步驟（Bob小編看一個小視頻的背后發生了這么多事…），並且詳細介紹第一部分：第一步到第五步，從傳輸塊到碼字的處理流程，重點是信道編碼和速率匹配。今天，小編要說說第二部分：第六步到第十一步，重點講4G網絡哼哈二將MIMO和OFDM在物理層如何實現，同時本文也是4G數據傳輸流程的收官之戰。
來吧，和小編一起繼續物理層之戰。第六步~第十一步依次是加擾、調制、層映射、預編碼、資源映射、OFDM符號生成，其中第八步層映射和第九步預編碼實現MIMO，第十一步OFDM符號生成實現另一關鍵技術OFDM。
第六步：加擾。輸入是一串稱為碼字的比特流，與一串已知的碼序列，稱為擾碼，進行異或運算就得到輸出比特流。
A：這么折騰為啥？
B：加擾的目的是為了避免干擾，下行方向避免小區間干擾，上行方向避免用戶間干擾。
A：怎么就避免干擾了？
B：看圖說話。以下行為例，Bob手機所屬基站叫eNB X，旁邊一個基站eNB Y發射的信號對於Bob手機來說就是干擾；基站X發送的數據采用擾碼1數據加擾，這是有用數據；基站Y發送的數據采用擾碼2加擾，這是干擾數據；兩個擾碼1和2是正交的。
B：Bob手機接收到兩個基站的信號后，用擾碼1和接收到的數據做運算，把基站X發送的數據還原出來；而基站Y的數據采用擾碼2加擾，並且擾碼1和擾碼2正交，所以運算后干擾數據就被抵消掉了。這樣Bob手機相當於沒收到干擾基站Y的信號，從而避免小區間干擾。
第七步：調制。輸入是加擾后的一串比特流；輸出是I路和Q路兩路數據。調制的目的很簡單，使無線資源，即一個載波，承載更多的信息bit，提高頻譜利用率，增加傳輸速率和小區容量。怎么使一個載波承載更多的信息bit呢？信息bit就是0101的一串數據，載波上某些參數的變化就能反映出01的信息來，這些參數包括幅度、相位、頻率等。比如，對於一個載波，幅度高代表1，幅度低代表0，相位0度代表1，相位90度代表0，這樣幅度和相位兩個參數就有四種組合，分別代表11,10,01,00四種信息bit。
4G網絡中，數據傳輸采用的是QAM調制方式，就是用一個載波的幅度和相位來表示信息bit。輸入數據，按照調制方式星座圖，將若干個信息bit映射成一個調制符號，調制符號從數學表達上看是一個復數S=I+j*Q，其實部和虛部分別對應輸出的I路和Q路信號值，利用歐拉公式可以計算出幅度和相位。具體映射方式在36.211 7.1中有詳細介紹。
舉個栗子，輸入的一串數據為01011000，采用16QAM調制方式，這8個比特將被映射為兩個調制符號，查36.211 Table 7.1.3-1可以得到映射后的I，Q取值，如下圖。也就是說01011000這串數據通過16QAM調制器后，輸出兩路信號，其中I路取值XX和XX，Q路取值XX和XX（看下圖吧，不知道怎么打根號。。。），對應兩個調制符號。工程實現上當然無法輸出一個復數，只需要把I路、Q路信號的取值保存成一張表，后續處理直接從表中取數就OK。
第八步：層映射，第九步：預編碼。 4G網絡一項關鍵技術是多天線，這里第七步和第八步就是為了實現多天線技術。多天線在移動通信史有重要地位，移動通信發展史就是與無線資源做斗爭的血淚史，而多天線就是一個重要武器，它發現了除頻率、時間等無線資源外另一片新的資源，就是空間資源。2G、3G中已經開發利用了頻域、時域、碼域，4G要好好開發利用空域資源，就像在拓寬車道的基礎上架立交橋。
想利用空域資源，至少得能在空間中區分出不同的路呀，不然肯定撞車，靠什么區分？怎么區分？哈哈，就是靠多天線，發送端多天線，就收端也是多天線，這樣從發送端到接收端連線，就得到一條一條的路，天線越多，路越多，我們的新天地越廣闊。既然這樣，使勁的加天線，豈不更好？用膝蓋想想也是不對的。
天線越多，設計越復雜，越貴啊，對比下帶8根天線長得像蜘蛛的路由器和普通2根天線的路由器價格就知道啦；
天線越多，道路越密，有些路就不好區分了，既然路都分不開了，要多天線有毛線用啊。
所以目前4G網絡的基站一般最多8天線，4G手機一般兩天線。當然，現在大規模天線也如火如荼，成為5G的關鍵技術，小編也會在后續天線系列中說說大規模天線是什么鬼，記得關注呦~
鋪墊了這么多，到底第七、八步是怎么處理的呢？看圖。
還得繼續鋪墊…先說說上圖里層/流、天線端口、物理天線。
物理天線數，就是基站和手機上實際的天線，這是硬件基礎設施，決定了多天線性能的理論上限。現在絕大部分手機有兩根天線，基站最多有八根天線（像某動的TD-LTE基站）。
天線端口：小編編在第二段（自己找哈~）中提到了，多天線技術核心是利用不同天線創造出不同的路，這些路必須得能區分開，不然如果兩條路離得很近，我們也只能把它們當成一條來看了。翻譯成通信汪的話，就是不同天線信道環境要不相關。這里天線端口就是指不相關的物理天線數，那么當然，天線端口<=物理天線數，天線端口數決定了多天線實際最高性能。
層/流：這兩其實是一個意思，但好像在國內大家都叫流，翻譯成E文就成了layer，經常說的下行雙流，上行雙流，以及近期比較火熱的下行四流就是dual layers，four layers。第七步層映射輸出的數據就叫層，層映射輸出幾個layer，就稱為幾流。
終於鋪墊完了，開始說層映射和預編碼哈。我們知道4G 下行最多可以同時處理2個TB，對應兩個CW；上行只能處理一個TB，對應一個CW。而我們上面提到的天線數、層數/流數動不動就4呀，8呀的，顯然比2大，所以存在這么個關系：TB數=CW數<=層數<=天線端口數<=物理天線數，而層映射和預編碼這兩貨就是把CW數、層/流數、天線端口數匹配起來。數學上看，層映射就是串並轉換，預編碼就是和一個矩陣做乘法。層映射串並轉換規則參考TS36.211 6.3.3節，預編碼乘的那個矩陣叫預編碼矩陣，取值參考TS36.211 6.3.4節。
簡單講，通過層印射、預編碼首先將CW變成多層並行數據，進而再與多天線匹配，獲得多天線不同增益，包括復用、分集、波束賦形。當然，具體CW映射到多少層，選擇哪個預編碼矩陣都是由物理層的上層MAC層資源調度器決定的，物理層仍然是個干活的。這其中，也需要手機的參與，包括反饋信道狀態信息（CSI）、預編碼矩陣指數（PMI）、RI等，具體過程說來話長，所以就不說了。
舉個栗子，看下圖。第一個碼字調制后得到4個符號，記為矩陣S；要把它映射到兩層，按照TS36.211 6.3.3規則，串並轉換后得到兩層數據（也就是兩流），數學上看就是個兩行矩陣，第一層是[S0，S2]，第二層是[S1，S3]；假設天線端口數為2，則兩層數據分別乘以一個2*2的預編碼矩陣W，仍然得到一個2*2的矩陣Y，Y的兩行[Y0，Y2]和[Y1，Y3]就是每個天線端口的數據。層數、預編碼矩陣、天線端口數是由基站資源調度器根據手機反饋上來的一些關鍵信息（如RI、CSI、PMI）決定的。
最后，說明一點，層映射和預編碼處理的數據都是復數信號，也就是同時處理I路和Q路。輸出仍然是復信號，對應I和Q兩路，並且每一個天線端口輸出的數據都是如此。
第十步：資源映射， 第十一步：OFDM信號生成。把第十步和第十一步一起講的目的是，在邏輯上，資源映射和OFDM信號生成是分開的，沒什么關系；但在實現上，可以認為二者是同時進行的。這兩個步驟功能很簡單，就是把每一個天線端口對應的數據（I和Q路）映射到二維時頻資源，然后生成OFDM波形，但是不容易理解。這里小編將通過具體工程實現來說明白，下圖是OFDM信號生成器。
一個天線端口輸出的I路和Q路調制數據經過OFDM波形發生器，輸出兩路OFDM信號，I-OFDM和Q-OFDM，完了。
A：完了？這么簡單…你逗我吧？
B：流程和實現就是這樣的，玄妙都在那個專用的DSP信號發生器。
A：說說唄…
B：OFDM的原理和好處都被嚼爛了，就不說了，小編重點說OFDM的實現。
B：OFDM其實就是一系列正交正弦或余弦信號（子載波）的疊加，從數學表達式上看更清晰：OFDM=Σa(k)*cos(kft)，也就是說，在某一個時刻（已知t），如果知道k階子載波的取值cos(kft)，把它和輸入的信號a(k)乘起來，在對k求和，就得到OFDM在t時刻的值。
A：輸入信號a(k)肯定是已知的，只要能產生k階子再波cos(kft)就OK了唄。
B：對，過去產生載波信號使用本振，一個本振產生一個頻率的載波信號，k階載波就需要k個本振。4G網路中，20MHz帶寬時大概有1300多個子載波。
A：那就要用1300多個本振？？受的了嗎…
B：受不了啊，所以這也是OFDM技術原理早就出現了，但一直沒能得到應用的原因之一。直到隨着集成數字電路和數字信號處理器件的迅猛發展，采用專用的DSP來實現OFDM，子載波通過軟件生成，其數量與硬件沒有關系，OFDM才開始邁向高速移動通信領域。
A：這就是上圖“OFDM波形發生器”中DSP的來龍去脈吧！
A：那“復數IFFT算法”又是神馬?
B：現在實現OFDM硬件已經不是問題了，但光有硬件還不行，還要有實現的算法，復數IFFT就是一種算法。
A：一種？這么說有好多可以實現OFDM的算法嘍？
B：當然，剛才說了，某一時刻的OFDM信號實際上就是輸入信號a(k)和k階子載波乘積的疊加，本質就是輸入一個序列a(k)，輸出另一個相同長度的序列。所以只要能滿足這個要求的算法都可以生成OFDM信號。像離散余弦變換、反向離散哈特萊變換、實數IDFT變換等，還有就是復數IFFT變換。
A：為什么選復數IFFT變換呢？
B：小編認為有兩個原因：（1）子載波數量相同時，復數IFFT能傳遞的參數最多，提高帶寬利用率；（2）QAM調制后的信號也是復信號，復數IFFT輸入也是復數，二者一拍即合。
A：明白！
A：還有一個問題…OFDM波形發生的硬件和算法都有了，到底怎么工作呢？
B：復數IFFT算法同時處理I路和Q路，處理流程完全相同，以I路處理為例。
B：首先，基站和手機里要存一張表，這張表是1~k階子載波（正弦或余弦）在0~N-1這N個采樣點的幅值，即函數C(k, n) = cos(k*n*2π/N)取值，k是載波階數，在4G中最大取2048；n是采樣點序號，取值0~N-1。
B：其次，取I路數據的k個值a(1)~a(k)，分別與C(k,n)，即1~k子載波幅值相乘，得到k個值，再把k個值相加，得到采樣點n的OFDM信號幅值，即OFDM(n)=Σa(k)*C(k, n)=Σa(k)*cos(k*n*2π/N)。
B：這樣依次計算出一個采樣周期OFDM信號的幅值：OFDM(0)，OFDM(1)~OFDM(N-1)，再通過D/A轉換就得到OFDM信號波形。
B：放一張時域的OFDM信號波形直觀感受下。
A：這是I路的數據，Q路同理，最后也得到這樣一張圖？
B：聰明。
B：這兩張圖最后通過上變頻/下變頻、功放、合路、濾波變成射頻信號，通過天線發射出去。
A：最后一個問題…上面講辣么多，好像沒有提到資源映射吧？
B：其實已經提到了，我們在說OFDM生成的時候，講到要用子載波幅值和輸入信號做運算，選擇用哪些子載波就是資源映射。這也是由基站資源調度器決定，不是物理層決定。
A：醬紫啊！
B：當然，資源映射也沒這么簡單。還涉及到虛擬資源塊概念，以及集中映射還是分布映射。另外，上行由於采用SC-OFDM，所以一個用戶分配的資源在頻域上是連續的，這點與下行不同。
A：Soga！
至此，4G物理層之戰就大獲全勝，數據傳輸流程也已收官
作者：讀萬卷行萬里
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