LTE中PDCCH结构及传输ldpc码性能仿真研究用的什么仿真图

LTE物理层过程_百度百科
LTE物理层过程
小区搜索与下行同步
通过小区搜索的过程,终端与服务小区实现下行信号时间和频率的同步,并且确定小区的物理层ID。
物理层小区搜索的过程主要涉及两个同步信号,即主、辅同步信号(PSS/SSS)。过程中包括了下行时间和频率的同步、小区物理ID的检测和OFDM信号CP长度的检测(Normal或ExtendedCP)。完成这些操作后,终端就可以开始读取服务小区的广播信道(PBCH)中的系统信息,进行进一步的操作。
这期间,在通过同步信号的检测与服务小区获得同步以后,终端可以利用下行导频信号(CRS)进行更精确的时间与频率同步以及同步的维持。小区搜索过程,如图1所示。
图1小区搜索过程
上行传输时间的调整与同步
通过上行传输时间的调整,终端与服务小区实现上行信号时间的同步,使得不同用户的上行信号同步到达基站。相关过程包括异步随机接入过程中的传输时间调整,以及连接状态下的上行同步保持。
在异步随机接入过程中,作为随机接入的响应消息,基站向终端发送长度为11bit的定时调整命令(TimingAdvanceCommand),终端根据该信息调整上行的发送时间,实现上行同步。
在连接状态下,MAC层的控制信息携带了长度为6bit的定时调整命令,终端将根据该信息对上行的发送时间进行调整,实现上行同步的保持。
定时调整命令的精度是(即15/()),从收到命令到调整后上行发送之间的延时是6ms,即在子帧收到调整命令之后,该信息将终端应用于从子帧开始的上行发送中,如图2所示。
图2同步保持过程
针对上行和下行信号的发送特点,LTE物理层定义了相应的功率控制机制。
对于上行信号,终端的功率控制在节电和抑制用户间干扰的方面具有重要意义,所以,相应地采用闭环功率控制的机制,控制终端在上行单载波符号上的发送功率。
对于下行信号,基站合理的功率分配和相互间的协调能够抑制小区间的干扰,提高同频组网的系统性能,所以,相应地采用开环功率分配的机制,控制基站在下行各个子载波上的发送功率。
3.1上行功率控制
上行功率控制以各个终端为单位,控制终端到达基站的接收功率,使得不同距离的用户都能以适当的功率到达基站,避免“远近效应”。同时,通过小区之间交换干扰情况的信息,进行协调的调度,抑制小区间的同频干扰。
作为上行调度和功率控制的参数,在小区间X2接口上交互的信息有两种。
(1)过载指示(OverloadIndicator,OI):指示本小区每个PRB上受到的上行干扰情况。相邻小区通过交换该消息了解对方目前的负载情况,并进行适当的调整。
(2)高干扰指示(HighInterferenceIndicator,HII):指示本小区每个PRB对于上行干扰的敏感度情况。该消息反应了本小区的调度安排,相邻小区通过交换该信息了解对方将要采用的调度安排,并进行适当的调整以实现协调的调度。例如,本小区用于调度小区边缘用户的PRB将对干扰比较敏感,而用于调度小区中心用户的PRB对干扰比较不敏感。
.上行共享信道的功率控制
LTE物理层上行共享信道PUSCH采用部分功率控制(FractionalPowerControl)结合闭环功率控制的方案,对无线链路的大尺度衰落和小尺度衰落进行补偿。在子帧i,终端PUSCH信道的发射功率可以表示为
(1)PCMAX表示终端的最大发射功率。
(2)MPUSCH(i)表示PUSCH的传输带宽(RB数目)。
,是由高层信令设置的功率基准值。它可以反应上行接收端的噪声水平,针对小区内用户不同类型的上行传输数据包有不同的数值,例如,由PDCCH调度的数据包,没有PDCCH的半静态SPS调度的数据包,根据随机接入响应上行发送的数据包。
(4)表示部分功率控制算法中对大尺度衰落的补偿量。由高层信令使用3bit信息指示本小区所使用的数值。其中,是终端测量得到的下行大尺度损耗。
表示由调制编码方式和数据类型(控制信息或者数据信息)所确定的功率偏移量。它的数值满足
,其中MPR与采用的调制编码方式相关,表示每个资源符号上传输的比特数;=1.25或者0,表示是否针对不同的调制方式进行补偿;而
则表示当PUSCH用于传输控制信息时可能进行的补偿。
(6)是由终端闭环功率控制所形成的调整值,它的数值根据PDCCHformat0/3/3A上的功率控制命令进行调整。物理层有两种闭环功率控制类型——“累计型(accumulation)”和“绝对值型(absolute)”。与上行数据调度相类似,在FDD情况下,PDCCHformat0/3/3A功率控制命令和相应的PUSCH发送之间的时延是4ms;在TDD情况下,该时延的数值根据上下行时间分配比例的不同而有所不同。
定义:终端的功率空间(PowerHeadroom)—作为功率控制过程的参数,物理层对终端剩余的功率空间进行测量,即终端最大发射功率与当前实际发射功率的差值,并上报高层。
.上行控制信道的功率控制
上行控制信道PUCCH采用大尺度衰落补偿结合闭环功率控制的方案。在子帧i,终端PUCCH信道的发射功率可以表示为下式:
表示终端的最大发射功率。
,是由高层信令设置的功率基准值。
(3)是终端测量得到的下行大尺度损耗。与PUSCH不同的是,这里使用了完全功率补偿,即
是根据所承载的CQI和ACK/NACK比特的数目所设置的PUCCH发送功率的偏移量。
表示由PUCCH格式(1/1a/1b/2/2a/2b)所设置的发送功率的偏移量。
是由终端闭环功率控制所形成的调整值。它的功率控制命令由下行调度消息PDCCHformat1/1A/1B/1D/2/2A或者功率控制消息PDCCHformat3/3A所承载。
.SRS的功率控制
除了数据信道和控制信道之外,物理层上行还对SRS的发射功率进行控制,采用了与数据信道PUSCH类似的部分功率补偿结合闭环功率控制的方法。在子帧i,终端SRS的发射功率可以表示为
表示用于SRS的功率偏移,由用户高层信令半静态地进行指示。
表示SRS的传输带宽(RB数目)。
(3)其他参数与PUSCH中的定义相同。
3.2下行功率分配
下行功率分配以每个RE为单位,控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率。下行功率分配中包括提高导频信号的发射功率(即powerboosting),以及与用户调度相结合实现小区间干扰抑制的相关机制。
在频率上和时间上采用恒定的发射功率,基站通过高层信令指示该发射功率的数值。在接收端,终端通过测量该信号的平均接收功率并与信令指示该的发射功率进行比较,获得大尺度衰落的数值。
下行共享信道PDSCH的发射功率表示为PDSCHRE与CRSRE的功率比值,即
表示时隙内不带有CRS的OFDM符号上(例如,2天线、NormalCP的情况下,时隙内的第1、2、3、5、6个OFDM符号),PDSCHRE与CRSRE的功率比值;
表示时隙内带有CRS的OFDM符号上(例如,2天线、NormalCP的情况下,时隙内第0、4个OFDM符号),PDSCHRE与CRSRE的功率比值。
(1)提高CRS的发射功率(即powerboosting)
小区通过高层信令指示
的比值,通过不同的比值可以设置信号在基站总功率中不同的开销比例,由此实现了不同程度提高CRS发射功率的功能。
例如,以发射天线数目等于2为例,规范中支持4种不同的小区配置,
分别对应于CRS占总功率开销为[1/6,1/3,3/6,2/3]的情况。图3表示了
时天线端口#0的信号功率情况,对应的CRS功率开销分别是
,分别实现了CRS高于同一OFDM符号中数据元素3dB和9dB的发送功率。
图3提高CRS导频信号发射功率(2发射天线的情况)
(2)用户功率分配和小区间干扰协调
比值的基础上,通过高层参数
的具体数值,得到基站下行针对用户的PDSCH发射功率,该信息将用于16QAM、64QAM和MU-MIMO等需要幅度信息的检测过程。
的数值关系是
,其中用于MU-MIMO的场景,例如
可以表示功率平均分配给两个用户的情况(LTE物理层采用SFBC+FSTD作为4天线的发送分集方案,该方案在同一时刻只有2根天线进行数据信号的发射,此时
,即3dB的偏移量补偿)。
为了支持下行小区间干扰协调的操作,规范中定义了关于基站窄带发射功率限制(RelativeNarrowbandTxPower,RNTP)的物理层测量,并在小区间X2接口上进行交互。该消息表示了基站在未来一段时间内下行各个PRB将使用的最大发射功率的情况,相邻小区可以利用该消息来协调用户调度的过程,实现同频小区间干扰抑制的效果。
随机接入过程
物理层异步随机接入用于终端接入网络的过程,包括与网络获得上行同步以及接入网络过程中的控制信令交互。异步随机接入可以由终端发起,也可以在“有下行数据到达”的情况下由网络侧通过物理层控制信令触发。
异步随机接入过程主要分为4个步骤,如图4所示。
图4物理层异步随机接入过程
(1)步骤1:UE在随机接入信道(PRACH)上发送随机接入序列Preamble。
(2)步骤2:NodeB在检测到随机接入序列后,通过下行共享信道(PDSCH)发送随机接入响应。该消息至少包含所收到的Preamble码的编号、上行发送的时间调整量(TA)、上行PUSCH调度信息和分配的临时C-RNTI。
(3)步骤3:UE根据随机接入响应中承载的调度信息和TA信息,进行上行数据(PUSCH)的发送。该消息中包含了终端的唯一ID,例如TMSI。
(4)步骤4:NodeB接收UE的上行消息,向接入成功的UE返回竞争解决消息。该消息中包含了接入成功的终端的唯一ID。
其中,步骤1和步骤2是异步随机接入在物理层的主要内容。在步骤1中,终端的物理层根据高层所指示的PRACH信道资源、序列Preamble索引号和功率值,进行相应的随机接入序列的发送,然后进入步骤2,即随机接入响应的接收。在步骤2中,终端的物理层根据高层所指示的RA-RNTI检测对应的随机接入响应消息。
(1)如果成功检测到与所发送的随机接入序列相对应的响应消息,那么终端将根据消息的指示进行上行传输时间的调制,并进行上行数据的发送,进入随机接入上层控制信令交互的过程。
(2)如果没有成功检测到对应的响应消息,那么终端将在等待一段时间后,重新发起步骤1中随机接入序列的发送过程。
下行共享信道传输的相关过程
5.1下行共享信道的接收
LTE物理层下行共享信道的传输包括“调度信息(PDCCH)”和“数据信息(PDSCH)”两部分。在长度为1ms的子帧结构中,前面的1~3个OFDM符号用于传输下行控制信息,其中包括传输数据调度信息的PDCCH;而子帧中剩余的符号用于传输数据信息(PDSCH)。下行数据传输的子帧结构如图5所示。
图5下行数据传输的子帧结构
在下行数据接收的过程中,终端对子帧中PDCCH所承载的调度信息进行检测,如果发现属于自己的调度信息,那么终端将根据该调度信息的指示(包括资源位置、编码调制方法等)解调接收当前子帧中属于自己的PDSCH数据信息。
注:“半持续”调度——LTE中支持“半持续”的调度方式(Semi-PersistentScheduling,SPS)。对于某些业务量不大且较规则的业务(例如VoIP),一次性地对较长时间内的资源使用进行分配,而不需要在每次传输的时候都进行动态分配,通过这样的机制,节省了PDCCH控制信令的开销。
.调度信息PDCCH的接收
终端对子帧中PDCCH信息的接收采用盲检测的方式(,在公共空间(CommonSpace)和用户专用空间(UESpecificSpace)两个部分中根据RNTI来搜索属于自己的PDCCH信息(RNTI信息的长度是16bit,“异或”在PDCCH信息的CRC比特上传输)。其中,根据下行接收的PDSCH数据对象的属性,高层向物理层指示需要检测的RNTI,并由此可以确定相应的需要搜索的PDCCH空间和PDCCH格式。
对于在下行共享信道PDSCH上传输的“广播控制信息(BCCH)”、“寻呼控制信息(PCCH)”和“随机接入响应消息”,高层分别设置了SI(SystemInformation)-RNTI、P(Paging)-RNTI和RA(RandomAccess)-RNTI,当需要接收这些信息时,高层将对物理层进行配置,指示物理层根据相应的RNTI进行PDCCH的搜索,进而根据所得到的PDCCH调度信息完成PDSCH信道所承载的广播、寻呼或者随机接入响应信息的接收。规范中规定,以上这些信息由PDCCHformat1C或者1A进行调度,相应的PDCCH消息位于公共空间(CommonSpace)中。传输这些信息的PDSCH信道采用单天线或者发送分集的传输方式。
为了提供最优化的数据通信能力,对于其他PDSCH数据信息的传输,物理层提供了7种可供选择的传输模式。
模式1:单天线传输。
模式2:发送分集。
模式3:开环空间复用预编码传输(或发送分集)。
模式4:闭环空间复用预编码传输(或发送分集)。
模式5:MU-MIMO预编码传输(或发送分集)。
模式6:闭环单流预编码传输(或发送分集)。
模式7:使用用户专用导频的单流赋形传输(或发送分集)。
注:(1)发送分集作为各种多天线工作模式的回退方案。
(2)在半持续调度(SPS)的情况下,由于没有动态的PDCCH信道对预编码信息进行指示,此时模式3~6将都回退至仅采用发送分集的情况。而模式7由于使用了用户专用导频,不需预编码信息的指示,因此可以在SPS模式下使用。
在数据通信过程中,物理层根据高层的配置,选择其中一种传输模式,并在用户专用空间和公用空间中根据C-RNTI(在半持续调度的情况下,使用SPS-RNTI)搜索相应格式的PDCCH信道,进而根据所得到的调度信息完成PDSCH数据内容的接收。为了方便对PDCCH信息的搜索过程,减少盲检测的运算量,规范中以列表的方式,规定了每一种传输模式所对应的PDCCH控制消息格式,以及可能位于的搜索空间。
例如,对于模式4的闭环空间复用的传输方式,使用PDCCHformat2,消息位于用户专用空间(UESpecificSpace)中;对于模式5的多用户MIMO的传输方式,使用PDCCHformat1D,消息位于用户专用空间(UESpecificSpace)中;发送分集作为各种多天线工作方式的回退方案,使用PDCCHformat1A,消息可能位于公用搜索空间或者用户专用搜索空间中。
.下行资源指示方式
PDCCH信道承载了下行物理资源的调度信息,包括物理资源分配信息、数据的编码调制信息和HARQ过程的相关信息等,终端通过这些信息来定位所分配的PDSCH物理资源,并完成HARQ合并、译码解调等数据接收的物理层处理过程。
根据所调度数据传输属性的不同,设计了不同的PDCCH控制信息格式,用于下行调度的包括DCIformat1、1A、1B、1C、1D,2和2A。这些不同格式适应于不同的场景,而物理资源分配的指示方法是其中一个重要的区别方法。
LTE物理层资源分配的指示以VRB(VirtualResourceBlock)为单位,下行有3种类型的资源位置指示方法,即Type0、Type1和Type2。其中DCIformat1/2/2A使用Type0或者Type1的方法,以不同类型的bitmap方式指示所分配的物理资源LVRB的位置;DCIformat1A/1B/1C/1D使用Type2的方法,以“资源起始位置”结合“连续的RB长度”的方式指示所分配的逻辑序号连续的VRB的位置,这种方式的信令开销小于Type0/1,但是只能够分配逻辑序号连续的若干个LVRB或者DVRB。
(1)在Type0的方法中,先对下行所有的RB资源进行分组,以若干个连续的LVRB构成组(ResourceBlockGroup,RBG),然后以RBG为单位采用bitmap的方式进行指示。其中,每个RBG中包含的RB数目(RBGSize)的大小由系统带宽决定,如表1所示。假设系统下行带宽为,那么Type0的指示方法共需要
表1RBGSize和系统带宽的关系
下行系统带宽
RBGSize(P)
例如,假设系统下行带宽等于50个RB,查表可以得到RBG的大小,那么总共可以划分为17个RBG,其中最后一个RBG只包含2个连续的LVRB。这时对应的bitmap消息需要17bit,其中每个比特表示是否分配了对应位置的RBG,如图6所示。
图6Type0资源分配
(2)在Type1的方法中,将下行所有资源以RBG为单位,分为个RBG子集(RBGSubset),然后在每个subset内部以LVRB为单位采用bitmap的方式进行指示。Type1的比特长度与Type0相同,即
个比特,共包含3个部分的内容。首先用
个比特指示所选择RBGsubset;其次用1个比特指示是否进行偏移,即选择RBGsubset中左边的RBs,或者右边的RBs(如图2-74所示);最后,使用剩下的
个比特,在RBGsubset所选择的范围内采用bitmap指示所分配的LVRB。
例如,假设系统下行带宽等于50个RB,查表可以得到RBG的大小是,可以分为3个RBGsubset,用于RBGsubset内部bitmap指示的比特数目为
,那么对应是否使用偏移,分别形成如图7所示的资源位置指示。
图7Type1资源分配
(3)在Type2的方法中,资源指示消息RIV由“起点RB的位置”和“逻辑序号连续的LVRB/DVRB的长度”共同确定。由和计算RIV的过程采用了“树”的结构,RIV的数值表示了“树”中的一个节点(如图2-75所示),它们数学关系的表达式为
图8Type2资源分配
例如,假设
=10系统下行带宽,那么可生成如图8所示树形图。假设分配的VRB资源起点RBstart=1、长度LCRBs=7,即分配逻辑序号为{1,2,3,4,5,6,7}的VRB,那么根据以上的数学表达式计算得到RIV=48,对应于“树”结构中相应的节点,表示了该节点下的VRB资源。
.下行链路自适应、调制方式和传输块大小的确定
LTE物理层下行数据传输包含了链路自适应的过程,基站根据终端所上报的链路质量信息(CQI/PMI/RI)选择适当的物理资源和相应的编码调制方式进行下行数据的发送,实现对链路资源的优化利用,达到最佳的性能,如图9所示。
图9信道状态信息反馈和下行链路自适应传输
物理层下行支持29种调制编码格式,其中包括了QPSK、16QAM和64QAM三种不同的调制方式和不同的信道编码速率(范围是0.16~0.92)。根据这样的原则,针对每一种物理资源PRB的占用数目,规范中定义了29种传输块大小(TranportBlockSize)。
在进行下行数据传输时,下行调度信息中使用5个比特对所调度数据使用的编码调制格式(MCS)进行指示,接收端根据该信息可以确定数据所使用的调制方式。同时,将这5bitMCS信息和调度信息中所分配的PRB数目相结合,可以查表确定传输块大小,即信道编码数据源大小的信息,由此实现下行数据正确的传输与接收。
值得注意的是,对于MIMO空间复用的传输,在HARQ过程中,初传时1个传输块映射到空间复用的1个数据流上,而重传时根据当时的情况可能将该传输块映射到2个数据流上进行传输,因此在设计规范时进行了考虑,“映射到2个数据流上的传输块大小”与“映射到1个数据流上的传输块大小”具有兼容性,以使得以上所描述的重传操作成为可能。
.CQI/PMI/RI的测量与上报
为了支持下行数据传输过程中链路自适应的调度,网络需要获得下行信道的状态信息。可以采用的方法包括终端对下行信道进行测量后,通过上行信道进行反馈;或者TDD情况下,根据同频带无线信道的互易性,网络可以通过对上行SRS的测量获得上行信道信息,然后利用信道互易的特性得到所需要的下行信道信息。其中通过终端下行测量和反馈的方式是LTE物理层网络端获得下行信道信息的主要途径,也是本部分讨论的主要内容。
LTE物理层下行信道信息的测量和反馈包括以下内容。
(1)信道质量指示(ChannelQualityIndicator,CQI),指示了无线信道的质量,用于自适应地选择适当的调制编码方式。终端采用4bit的消息进行反馈,除了“0”表示无法使用以外,其他的15种组合分别代表了支持的频谱效率为0.15~5.55bit/s/Hz范围内的15种信道质量的可能性。
(2)预编码矩阵指示符(PrecodingMatrixIndicator,PMI),指示了采用的预编码矩阵,用于下行MIMO闭环空间复用的操作。根据天线和流的数目,预编码码本有不同的大小。例如4天线情况下,码本大小等于16,相应的PMI反馈使用4个比特;而2天线情况下,1/2流的码本大小分别为4和2,相应的PMI反馈使用2个或者1个比特。
(3)秩指示(RankIndicator,RI),指示了所支持的空间复用数据流的数目,用于下行MIMO开环/闭环空间复用的操作。
物理层采用“子带”(subband)作为信道信息反馈的频域粒度单位。将下行系统带宽划分为“子带”(subband),根据系统带宽的不同,“子带”的大小可能是4、6或8个连续的PRB。在具体的工作过程中,可以根据所需要的频域粒度选择不同的CQI/PMI信息反馈格式。在反映全带宽信道质量情况的宽带CQI信息的基础之上,还可以进一步地选择具有更小频域粒度的反馈信息以支持更加精确的自适应调度,这些信息包括“BestM”的反馈机制(终端选择M个信道质量最好的子带,反馈它们的位置和组合的信道质量情况),或者子带CQI信息(终端反馈所有子带的信道质量情况)。
规范中定义的反馈方式包括“周期性的”和“非周期性的”。在周期性的方式中,终端按照基站所配置的周期和偏移量,在指定的子帧位置周期性地进行信道信息的反馈。在非周期的方式中,终端根据事件的触发进行信道信息的反馈,事件包括“PDCCHFormat0”或者“随机接入响应消息”中的CQIRequest信息。
非周期性的信道信息反馈在共享信道PUSCH上承载,PUSCH信道具有较强的数据承载能力,这种情况下系统支持子带CQI信息的反馈模式,即在宽带CQI信息的基础上反馈所有子带的信道质量情况,提供充分的信息使得链路自适应具有足够的灵活性。对于非周期的信道信息反馈,一次反馈中所有CQI、PMI和RI信息承载在同一个PUSCH信道上传输。
周期性的信道信息反馈在控制信道PUCCH上承载,也可以以相同的反馈格式复用在共享信道PUSCH上传输。PUCCH信道的数据承载能力有限,这种情况下不支持全部子带CQI信息的反馈,而是采用宽带CQI,或者进一步结合“BestM”的反馈机制(将系统频带分成若干个部分,在各个部分中采用BestM(=1)的子带CQI反馈机制)。周期性信道信息的反馈采用高层信令进行半静态的配置,与非周期性时CQI/PMI/RI信息在一个PUSCH信道上发送的情况不同,周期性的反馈中,“RI”、“宽带CQI/PMI”和可能存在的“各个频带部分的BestM(=1)子带CQI”信息按照各自反馈周期的定义在不同的PUCCH时刻进行传输,相关的配置参数包括以下这些。
(1)NP和NOffset,CQI,代表了CQI的上报周期和偏移量。
(2)H=J×K+1,宽带CQI的上报周期为H×NP,其中是下行频带被分成的部分的个数,代表了在两次宽带CQI之间可以完成的“各个频带部分的BestM(=1)子带CQI”上报的次数。
(3)MRI,RI上报周期与宽带CQI上报周期的关系,即每MRI个宽带CQI上报一次RI。
(4)NOffset,RI,RI上报和宽带CQI上报之间的偏移量。
例如,假设周期性子带CQI反馈使用参数NP=2和NOffset,CQI=1;下行系统带宽
=50,可以得到J=3;假设K=1,可以得到H=3×1+1=4;假设MRI=2和NOffset,RI=-1,那么,相应的RI、“宽带CQI/PMI”和“子带CQI”反馈信息的发送情况如图10所示。
图10周期性CQI/PMI/RI的发送
5.2下行HARQ过程和ACK信息的上报
LTE物理层下行采用异步自适应的HARQ机制,其中“异步”表示了采用不固定的重传时间间隔,即在大于最小重传间隔的情况下,网络可以选择重传数据包的发送时机;“自适应”表示了在数据包重传的时候,可以根据链路自适应的情况,选择使用与初传不相同的调制方式。下行数据传输HARQ甚本过程如图11所示。
图11下行数据传输HARQ基本过程
单个HARQ进程内部采用“停等”的机制,1个下行数据包的传输过程包括下行数据传输、上行ACK反馈,以及可能的重传,直至数据包被正确接收或者因为超出最大重传次数而被丢弃。根据HARQ的重传时延,物理层采用多个并行的HARQ进程,来支持数据的连续传输。
按照对终端和NodeB处理时延的假设(2~3ms)[1],规范中规定了HARQ进程内部各个消息之间的时间关系。图12是Type1FDDHARQ的时序图,其中假设了采用最小重传时间间隔(即8个子帧)的情况。
图12Type1FDD下行HARQ时序图
在Type1FDD中,“下行数据传输(PDSCH)”与“上行ACK反馈(PUCCH)”之间的时延间隔固定等于4个子帧,而“上行ACK反馈(PUCCH)”与“可能的数据重传(PDSCH)”之间的最小时延间隔也等于4个子帧(下行采用异步HARQ,网络可以选择大于最小时延间隔的其他重传时机)。所以,在Type1FDD中,每个终端最多需要8个并行的HARQ进程以支持数据的连续调度与传输。
TDD的情况不同于FDD,TDD对时间资源在上下行之间进行分配,不同的上下行比例配置将形成不同的HARQ时序关系。规范中以列表的形式给出了在Type2TDD各种上下行比例配置情况下,“下行数据传输(PDSCH)”与“上行ACK反馈(PUCCH)”之间的时延间隔关系的数值,这些数值的设计遵循两个原则:(1)在满足最小时延为4个子帧的前提下,在尽可能早的上行子帧上发送ACK反馈,以减小时延;(2)在时间上,尽可能将ACK/NACK信令分布在各个上行子帧上,以平衡负载。[2]Type2TDD下行HARQ时序设计原则如图13所示。
图13Type2TDD下行HARQ时序设计原则(配置#3,DL:UL=7:3)
与TDDHARQ时序相对应,可以得到在各种上下行比例配置的情况下,Type2TDD支持用户下行数据连续传输所需要的HARQ进程的数目。图14是TDD上下行比例配置#1(DL:UL=3:2)的情况,此时每个终端下行最多需要7个HARQ进程,以支持数据的连续传输。
图14Type2TDD下行HARQ进程数目(DL:UL=3:2)
对于其他上下行配比的情况,类似地可以得到下行最大HARQ进程数目,如表2所示。
表2Type2TDD下行HARQ进程数目
TDD上下行比例配置
下行最大HARQ进程数目
0(DL:UL=2:3)
1(DL:UL=3:2)
2(DL:UL=4:1)
3(DL:UL=7:3)
TDD上下行比例配置
下行最大HARQ进程数目
4(DL:UL=8:2)
5(DL:UL=9:1)
6(DL:UL=5:5)
下面介绍下行数据包与ACK反馈的对应关系。
承载上行ACK反馈消息的PUCCH信道的位置与对应的下行数据包之间存在固定的对应关系。以上关于HARQ时序的设计主要描述了二者之间的时间关系,即Type1FDD情况下,对于子帧n的下行数据包将在子帧n+4传输上行ACK反馈;而对于Type2TDD的各种上下行比例配置,规范中也进行了相应的规定。
在确定了时间关系的基础上,规范中进一步确定了具体资源位置的映射关系。具体来说,“对数据包进行调度的下行PDCCH的CCE资源”与“发送上行ACK的PUCCH资源”存在一一对应的关系,根据“对下行数据包进行调度的PDCCH使用的最小CCEindex”可以得到“承载相应的ACK信息的PUCCH信道位置”。
(1)对于“半持续”调度数据的ACK/NACK反馈
对于采用SPS方式传输的下行数据,可能不具有相应的PDCCH调度信息。在这种情况下,使用系统预留给SPS的专用资源进行ACK的反馈(在激活SPS的调度信息中指示),当终端收到激活信令并处于SPS激活状态时,应该使用这些ACK资源,具体的方法包括以下这些。
①对于HARQ初始传输,使用指示的SPSACK资源。
②对于HARQ重传,与动态调度相同,使用和PDCCHCCE相联系的动态ACK资源。
(2)ACK/NACKRepetition
为了获得更大的覆盖能力,LTE规范支持上行ACK/NACKRepetition的功能,可以通过高层信令对终端进行配置。在ACK/NACKRepetition的工作模式下,针对1个下行数据包,将根据高层配置的重复次数,使用多个上行子帧对ACK反馈信息进行重复传输,以提高信息的传输性能。
.Type2TDD的ACK资源分配
上行ACK资源与下行控制信道CCE之间具有对应关系,在系统带宽确定的情况下,CCE的数目取决于下行控制信道PDCCH的符号数目,因此,根据下行子帧中用于PDCCH传输的OFDM符号的数目可以推导出与该子帧相对应的上行子帧中所需要的ACK资源的最大值。
在传输过程中,根据PDCCHCCE的使用情况,实际使用的ACK资源(PUCCHformat1a/1b)是动态变化的,所以在上行信道的设计中,发送PUCCHformat1a/1b的资源位于靠近数据资源的位置,这样,既可以预留足够的资源保证ACK反馈的灵活性,又可以将实际中未使用的PUCCH资源用于数据的传输。
在下行子帧和上行子帧一一对应的情况下(FDD以及TDD的某些情况),上面的机制实现了用于ACK反馈的PUCCH资源的合理设计。但是,对于Type2TDD某些上下行时间分配的设置,其上行子帧数目小于下行子帧数目,在这种情况下,按照对应关系,一个上行子帧可能需要提供对应于多个下行数据子帧的ACK反馈资源。
例如,针对于图15中由圆圈标注的子帧,该子帧将为两个下行子帧提供ACK资源,如果这两个下行子帧都使用了3个PDCCH符号,那么直观的,为了保证能够为所有的下行CCE提供对应的ACK反馈,可以在该上行子帧中进行如图16所示的ACK资源分配,分别为两个下行子帧预留了可能需要的ACK资源的最大值,其中“N3”表示对应于3个PDCCH符号的最大CCE个数,具体的数学表达式有这样的ACK资源分配存在的问题是:如果在传输过程中,对应于第1个下行子帧仅使用了部分的ACK资源,如图中圆圈所标注,那么这一部分剩下的资源由于与PUSCH在频域上不相邻,无法应用于数据的传输,所以造成了资源的浪费。为了缓解资源浪费的问题,对于非对称的情况,规范中采用了“分块交织”的上行ACK资源分配方法[3]。同样仍假设1个上行子帧对应于2个下行子帧,每个下行子帧使用3个PDCCH符号,“分块交织”的ACK资源分配方法如图17所示。
图15Type2TDD下行HARQ的ACK对应关系(DL:UL=7:3)
图16TDD非对称情况——“直观的”上行ACK资源分配方法
图17TDD非对称情况——“分块交织”的上行ACK资源分配方法
即:将对应1个下行子帧的ACK资源总数分成了3段,分别对应CCE号码0~N1-1、N1~N2-1和N2~N3-1。在确定ACK资源时,首先由本下行子帧中CCE的号码,根据的关系确定它所处的分段;然后根据该上行子帧所对应的下行子帧集合的总数M(图17中M=2),以及本下行子帧在集合中的序号m(图2-84中),可以得到ACK对应的资源位置为
,其中N(1)PUCCH是高层配置的参数,表示用于PUCCHformat1a/1b的资源的频域起始位置。
与前一种ACK资源分配方法相比较,使用“分块交织”的好处是,当传输过程中实际使用的ACKPUCCH资源少于预留的数量时,剩余的资源与PUSCH信道在频域上相邻,可以用做数据的传输,所以缓解了资源浪费的问题。
.Type2TDD的ACK反馈模式
TDD上下行非对称的配比同时带来了对ACK反馈模式的相应设计。在Type1FDD中,上下行存在一一对应的关系,终端在任意1个上行子帧上只反馈1个下行子帧数据的ACK信息。如前所述,在Type2TDD中,存在1个上行子帧对应多个下行子帧的情况,特别的是,如果这“多个下行子帧”被调度给同一个终端,那么终端需要在对应的1个上行子帧上反馈多个下行子帧数据的ACK信息,即MultipleACK/NACK的概念。
图18Type2TDD的MultipleACK/NACK
由于LTE物理层上行不支持多个PUCCH信道或者PUCCH信道与PUSCH信道的复用,因此需要设计相关的机制,对与多个下行子帧数据相对应的ACK信息进行处理,将信息进行“捆绑(bundling)”或者“复用(multiplexing)”,在一个PUCCH或者PUSCH信道上进行反馈传输。
针对MultipleACK/NACK的概念,在LTEType2TDD中设计了两种具体的实现方式,即“ACK/NACKbundling”和“ACK/NACKmultiplexing”,在工作过程中,可以根据实际情况,通过高层信令对终端所使用的方式进行配置。
①ACK/NACKbundling表示对多个下行数据包的ACK信息进行“捆绑”合并,形成1个ACK反馈消息,在1个上行子帧中进行反馈。在合并过程中采用“与”的操作,即只有在多个下行数据包全部正确的情况下反馈ACK信息,否则反馈NACK信息。
②ACK/NACKmultiplexing表示对多个下行数据包的ACK信息进行“复用”,并在一个上行子帧中进行反馈,该反馈信息中复用了多个下行数据包的ACK信息,可以指示其中各个数据包接收的正确/错误情况。
下面介绍MultipleACK/NACK操作中数目信息的交互。
与ACK信息和下行数据子帧一一对应的情况不同,在ACK/NACKbundling/multiplexing的操作中,需要获知关于数据包数目的信息。例如,假设在Type2TDD系统的HARQ时序关系中某个上行子帧一共对应M个下行子帧的ACK反馈信息,对于某个用户的具体传输来说,可能使用了M集合中任意数目的下行子帧,因此在对应的ACK反馈过程中,基站和终端需要对相关数目的信息进行交互,避免“漏检”情况的出现。
对于各种不同的情况,规范中定义了一系列相关的机制,包括以下这些。
(1)适用于ACK/NACKBundling的情况
①当ACK信息在PUCCH信道上传输的时候,在下行数据传输对应的PDCCH下行调度消息中包含DAI信息,指示当前一共“捆绑”了几个数据包(
),根据该信息,终端可以判断是否存在下行数据包漏检的情况。同时,完成数据接收后,终端在与最后一个下行数据包对应的PUCCH资源上发送ACK信息,这样“隐式”地指示了关于最后一个数据包的信息,防止由于最后一个数据包的丢失,导致误检的情况。
②当ACK信息在PUSCH信道上传输的时候。
(a)如果该PUSCH传输具有对应的PDCCH上行调度消息,那么该上行调度消息中包含DAI信息,指示一共“捆绑”了几个数据包(
),根据该信息,终端可以判断是否存在下行数据包漏检的情况。同时,完成数据接收后,终端根据检测到的下行数据包的总数,选择1个扰码对PUSCH中发送的ACK信息进行加扰,由此向基站反馈了关于终端检测到的下行数据包总数的信息,防止了由于数据包丢失导致的误检情况。
(b)如果该PUSCH传输不具有对应的PDCCH上行调度消息(例如SPS的情况),那么终端根据数据包的PDCCH下行调度消息中包含的DAI信息判断是否存在漏检。同时,完成数据接收后,终端根据检测到的下行数据包的总数Nbundled,选择1个扰码对PUSCH中发送的ACK信息进行加扰,由此向基站反馈关于终端检测到的下行数据包总数的信息,防止了由于数据包丢失导致的误检情况。
(2)适用于ACK/NACKMultiplexing的情况
①当ACK信息在PUCCH信道上传输的时候,采用PUCCHformat1b中2个bit信息,结合M个下行子帧对应的ACKPUCCH信道位置的选择(ChannelSelection),对集合全部M个下行子帧的接收情况进行指示,包括ACK/NACK/DTX的情况,其中DTX表示终端在相应的位置没有检测到下行数据传输,可能的原因包括该子帧没有被调度给用户或者终端发生了漏检。
②当ACK信息在PUSCH信道上传输的时候。
(a)如果该PUSCH传输具有对应的PDCCH上行调度消息,那么该上行调度消息中包含DAI信息,指示一共复用了几个数据包
,终端根据该信息确定反馈的ACK信息的个数
。根据下行调度消息中指示的当前DAI数值,确定各个ACK信息的复用位置;对于没有检测到数据的位置,将相应的ACK信息设置为“NACK”。
(b)如果该PUSCH传输不具有对应的PDCCH上行调度信息,那么终端将反馈的ACK信息的个数设置为,在HARQ时序关系中,与该上行子帧对应的下行子帧集合的总数
。对于没有检测到数据的位置,将相应的ACK信息设置为“NACK”。
(3)Bundling/Multiplexing都适用的情况
当ACK信息与SR(SchedulingRequest,调度请求)或CQI/PMI信息需要同时传输的时候,可能需要在SR或者CQI/PMI的PUCCH资源位置发送ACK信息,此时无法使用ACKPUCCH信道位置的选择(ChannelSelection)来“隐式”或者“显示”地指示关于子帧数目的信息。因此,在标准中规定,这种情况下终端将使用PUCCHformat1b/2b(或ExtendCP情况下的PUCCHformat2)中携带的2bitACK信息指示终端正确接收到的数据包的总数。
上行共享信道传输的相关过程
6.1上行共享信道的传输
上行共享信道的传输包括“上行调度信息(PDCCH)”和“数据信息(PUSCH)”两个部分。根据PDCCHFormat0中上行调度信息的指示,终端使用相应的PUSCH资源进行上行数据的发送。与下行情况不同的是,在下行共享信道的传输过程中,调度信息与对应的数据信息处于同一个子帧内。而在上行的情况中,终端需要根据PDCCH调度信息的指示,进行上行数据的发送,因此二者之间存在一定的时延。考虑无线传播和设备处理时间的因素,Type1FDD中定义该时延的数值为4ms,即对于子帧中的PDCCH上行调度信息,终端将在子帧进行对应的上行数据传输;对于Type2TDD,与HARQ时序相类似,在时延最小值等于4ms的前提下,具体的时延数值()与TDD上行比例配置相关,在规范中以列表的方式进行了规定。上行数据的调度与传输如图19所示。
图19上行数据的调度与传输
下面介绍Type2TDD的“上行多子帧调度”。
在LTEType1FDD和Type2TDD的大多数情况下,下行子帧的数目大于或者等于上行子帧的数目,此时一个下行子帧中的PDCCH信道最多负责一个上行子帧资源的调度。但是,对于TDD上下行时间比例配置#0(即DL:UL=2:3),下行子帧的数目小于上行子帧的数目,此时需要使用“上行多子帧调度”的机制,即一个下行PDCCH信息调度多个上行子帧的资源,如图20所示。
图20Type2TDD上下行时间配置#0的“上行多子帧调度”
在Type2TDD上下行时间配置#0的时候,PDCCHformat0消息中使用2个比特的“上行子帧位置标识”,使用该标识,一个PDCCHformat0消息可以对2个上行子帧的资源进行调度[4]。2bit标识信息与上行子帧位置的对应关系如下。
(1)下行子帧0中:“10”对应“子帧4”,“01”对应“子帧7”,“11”对应“子帧4和7”。
(2)下行子帧1中:“10”对应“子帧7”,“01”对应“子帧8”,“11”对应“子帧7和8”。
.PDCCH调度信息的接收
终端对PDCCH信息的接收采用盲检测的方式,在公共空间(CommonSpace)和用户专用空间(UESpecificSpace)两个部分中根据RNTI来搜索属于自己的PDCCH信息(RNTI信息的长度为16bit,“异或”在PDCCH信息的CRC比特上传输)。
针对用于上行数据传输过程的不同信息,包括上行资源调度信息、下行数据到达信息(触发随机接入过程)以及功率控制信息,规范中规定了对应的搜索空间、使用的RNTI以及控制信息的格式,由此来方便盲检测的过程。例如,采用C-RNTI的PDCCHformat0消息对应于“上行资源动态调度信息”,采用C-RNTI的PDCCHformat1A消息对应于“下行数据到达信息”,公共搜索空间中采用TPC-PUCCH-RNTI的PDCCHformat3/3A消息对应于“功率控制信息”等。在通信的过程中,终端的物理层根据高层信令的指示进行相应的PDCCH消息的盲检测搜索。
.上行资源指示方式
PDCCH信道使用DCIFormat0指示上行物理资源的调度信息,包括了物理资源分配信息、编码调制信息和HARQ过程的相关信息等,终端将根据这些信息进行上行PUSCH数据的发送。
用于上行资源调度的PDCCHDCIFormat0采用Type2的资源位置指示方法,以“资源起始位置”结合“连续的RB长度”的方式,指示所分配的序号连续的LVRB的位置。与下行采用的Type2指示方法不同的是,根据LTE上行多址方式和信号传输的特点,在上行资源分配中仅支持分配LVRB的情况,即仅分配频域上连续的物理资源。
(1)上行频域分集
对于下行的传输可以通过“分布式”的资源分配,使用分散在频域上的物理资源实现频域分集的效果。而上行的传输仅支持“集中式”的资源分配,为了实现类似的频域分集效果,上行传输定义了“PUSCH跳频(hopping)”的操作,可以通过PDCCHformat0上行资源调度信息中1bit的“跳频标志”进行动态的指示。
具体的PUSCH跳频过程包括“跳频模式”和“跳频类型”的选择。有2种跳频模式,“子帧内跳频结合子帧间跳频”和“仅有子帧间跳频”,由高层信令进行指示。同时,有2种跳频类型,包括Type1——使用ULgrant结合奇偶时隙/子帧的跳频,Type2——使用ULgrant结合预定义的、与CellID相关的hoppingpattern。具体使用的跳频类型的信息在PDCCHDCIFormat0的跳频信息中进行指示。
(2)Type2资源分配实现上/下行频域分集的区别
在使用Type2资源位置指示的时候,下行方向可以通过DVRB的方式实现频域分集的效果,包括了“DVRB向PRB的映射”和“子帧内两个时隙之间的跳频”[5]。
在下行分配两个DVRB-pair的情况下,可以实现4分集的效果,如图21所示。
与下行不同,上行仅支持Type2对LVRB频域连续资源的分配,结合子帧之间或者子帧内的2个时隙之间的“块跳频”实现频域分集的效果。
图21下行DVRB的分配
在上行分配两个LVRB-pair时,以下是子帧内跳频的情况,实现2分集的效果,如图22所示。
图22上行LVRB分配结合子帧内跳频
.上行链路自适应、调制方式和传输块大小的确定
物理层上行数据的传输包含了链路自适应的过程。终端在上行发送SRS,基站利用该信号对用户上行信道的质量进行测量,根据测量的结果选择适当的物理资源和相应的编码调制方式,在上行资源调度信息中进行指示,终端根据基站的指示进行上行数据的发送,实现对链路资源的优化利用,如图23所示。
图23SRS和上行链路自适应
与下行类似,物理层上行支持29种调制编码格式,其中包括了QPSK、16QAM和64QAM3种不同的调制方式和不同的信道编码速率(范围为0.16~0.92),使用与下行相同的传输块大小的表格定义,规定了在各种PRB数目的情况下,所对应的29种传输块大小(TransportBlockSize)。
在进行上行数据传输时,上行调度信息中使用5个比特指示数据的调制编码格式(MCS),终端根据该信息可以确定所使用的调制方法(QPSK/16QAM/64QAM)。同时,将这5bitMCS信息和调度信息中所分配的PRB数目相结合,可以查表确定传输块大小,即信道编码数据源的大小。最后,终端进行信道编码、速率匹配的相关过程,实现上行数据的发送。
下面介绍1个PRB的时候,用于支持上行子帧bundling情况下VoIP数据包传输的特殊表项。
为了提高上行的覆盖能力,LTE物理层设计了“上行子帧bundling”的机制,即将若干个连续的上行子帧捆绑在一起用于1个上行数据包的发送,以实现更好的覆盖能力。这样的机制对于数据包大小相对固定的VoIP业务具有重要的意义,能够提高业务的链路预算,所以LTE标准在TBS表格中专门设计了一个特殊表项,即NPRB=1、ITBS=6时的表项,用于使用上行子帧bundling机制时VoIP数据包的传输。
6.2上行HARQ过程和ACK信息反馈
LTE物理层上行采用同步HARQ机制,即采用预定义的固定的重传时间间隔,如图24所示。
图24上行数据传输HARQ基本过程
单个HARQ进程内部采用“停等”的机制,1个数据包的传输过程包括了上行资源调度、上行数据传输、下行PHICHACK反馈和针对可能的重传数据的上行资源调度以及可能的数据重传,直至上行数据包被正确接收或者因为超过最大重传次数而被丢弃。根据HARQ进程的重传时延,与下行相似,物理层上行采用多个并行的HARQ进行,来支持数据的连续传输。
按照对终端和NodeB处理时延的假设(2~3ms),规范中定义了上行HARQ进程的时序关系,即图24中和的数值。对于Type1FDD,;对于TDD,在满足、的条件下,对于不同的上下行配比,规范中以列表的形式规定了具体的数值。
图25是Type1FDD的上行HARQ时序,可以看出,终端最多需要8个并行的HARQ进程以支持数据的连续传输。
图25Type1FDD上行HARQ时序
对于Type2TDD,由于TDD对时间资源在上下行之间进行分配,不同的上下行比例配置将形成不同的HARQ时序。规范中以列表的形式给出了在Type2TDD各种上下行比例配置的情况下,“上行资源调度”与“上行数据传输”之间时延间隔的数值,以及“上行数据传输”与“下行ACK反馈”之间时延间隔的数值kPHICH。这些数值的设计遵循3个原则,如图25所示:(1)在满足最小时延为4个子帧的前提下,尽量减小调度时延和反馈时延;(2)用做反馈的PHICH资源尽量分散在各个下行子帧上,以平衡负载;(3)针对前一次传输进行ACK反馈的PHICH资源,与可能的重传数据包的上行资源调度信息位于同一个子帧,以保证HARQ时序关系的一致性。
图26Type2TDD上行HARQ时序设计原则(配置#3,DL:UL=7:3)
与TDD的HARQ时序相对应,可以得到在各种上下行比例配置的情况下,Type2TDD支持用户上行数据连续传输所需要的HARQ进程的数目。图27是TDD上下行比例配置#1(DL:UL=3:2)的情况,此时终端上行最多需要4个HARQ进程,以支持数据的连续传输。
图27Type2TDD上行HARQ进程数目(DL:UL=3:2)
对于Type2TDD其他上下行配比的情况,类似地可以得到上行最大HARQ进程数目,如表3所示。
表3Type2TDD上行HARQ进程数目
TDD上下行比例配置
上行最大HARQ进程数目
0(DL:UL=2:3)
1(DL:UL=3:2)
2(DL:UL=4:1)
3(DL:UL=7:3)
4(DL:UL=8:2)
5(DL:UL=9:1)
6(DL:UL=5:5)
1.上行数据包与ACK反馈的对应关系
上行数据包的ACK/NACK信息在PHICH信道上传输,上行数据包与所使用的PHICH信道资源存在固定的对应关系。以上关于HARQ时序的设计主要描述了二者之间的时间关系,在确定时间关系的基础上,规范中进一步确定了具体资源位置的映射关系。具体来说,由上行数据包传输所使用的第一个PRB的序号可以确定对应的PHICH信道的资源位置。
.ULSubframeBundling
由于终端上行发送功率受限,1ms子帧的TTI长度太短,因此LTE中提出了“上行子帧捆绑(ULSubframeBundling)”的概念,主要目的在于实现LTE的VoIP业务与UMTS电路域语音业务以及HSUPA的VoIP业务之间具有相近的业务覆盖能力,保证LTE与WCDMA的站址重用[32]。
在ULSubframeBundling的机制中,将连续的4个上行子帧捆绑后用于数据块的传输,相应的TTI长度增大到4ms,由此提高了LTE上行的覆盖能力[6]。在系统的工作过程中,通过高层信令指示终端是否使用该机制进行上行数据包的传输。
对于Bundling情况下HARQ时序的设计,考虑了与正常数据传输时HARQ时序关系之间的兼容性。首先保持了上行资源调度与捆绑的第一个上行数据子帧之间的调度时延,同时以捆绑的最后一个上行数据子帧作为ACK反馈时间的参考。对于重传时延的设计,将正常上行数据传输时的HARQ重传时延作为主要参考(例如Type1FDD情况下,使用2倍的HARQ重传时延作为Bundling情况下的重传时延),由此保证了Bundling和非Bundling的数据在一起传输时,相互之间具有良好的兼容性,如图28所示。
Type1FDD和Type2TDD上下行比例配置#0(DL:UL=2:3)、#1(DL:UL=3:2)及#6(DL:UL=5:5)支持ULSubframeBundling的操作。对于Type2TDD的其他比例配置情况,由于在这些情况下上行子帧的数目较少,难以提供连续的4个上行子帧,因此不支持Bundling的机制。
图28Type1FDDULSubframeBundling时的HARQ时序关系[26]
[1] 3GPPR1-073673.OntheNumberofHARQ-processes,Nokia,2007.8
[2] 3GPPR1-081542.UplinkACK/NACKtimingforTDD,Ericsson,2008.3
[3] 3GPPR1-082359.ImplictmappingbetweenCCEandPUCCHforACK/NACKTDD,Huawei,2008.6
[4] 3GPPR1-081670.WayforwardofULHARQtimingandMulti-TTIscheduling,CMCC,2008.3
[5] 3GPPR1-082152.DownlinkVRBmappingtoPRBfordistributedtransmission,LGElectronics,2008.5
[6] 3GPPR1-081141.LSonRedundancyVersionSequencesforHARQ,NokiaSiemensNetworks,2008.2
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中国通信学会
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