06_TM51176EN02GLA01_Transport Channel Processing .pdf

Transport Channel Processing

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Transport ranspor t Channel hannel Proce roc essing ssi ng

Contents 1 2 3 4 5 6 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

General Model CRC Coding and Segmentation Turbo Coding Data Modulation Resource Mapping Antenna Mapping Examples of Processing DL-SCH BCH PCH MCH UL-SCH

TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks

3 7 9 15 17 20 24 25 27 29 31 33

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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks


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General General Model Mod el


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NAS NAS Protocol(s) Protocol(s)

App Applilicati cation on LLayer ayer

(Attach/TA e/…) (Attach/TA Updat Update/…)

IP IP // TCP TCP || UDP UDP || … … (E-)RRC (E-)RRC (Radio (Radio Resource Resource Control) Control)

Radio Bearer PDCP’ PDCP’

PDCP PDCP

PDCP’ PDCP’

PDCP PDCP

(Packet (Packet Data Data (Packet (Packet Data Data (PacketData Data (Packet Convergence Convergence Convergence Convergence Convergence Convergence Protocol) Protocol) Protocol) Protocol) Protocol) Protocol)

RLC RLC

RLC RLC

RLC RLC

(Radio (Radio Link Link Control) Control)



PDCP PDCP

ROHC (RFC 3095)

(Packet (PacketData Data (Packet (Packet Data Data Convergence Convergence Convergence Convergence Protocol) Protocol) Protocol) Protocol)

…

…

Security

RLC RLC

RLC RLC

Segment./Reassembly



ARQ

Logical Channel

Scheduling / Priority Handling

Medium Medium Access Access Control Control (MAC) (MAC)

De/Multiplexing HARQ

Transport Channels FDD FDD || TDD TDD - Layer Layer 11 (( DL: DL: OFDMA, OFDMA, UL: UL: SC-FDMA SC-FDMA ))

This part will be discussed

Physical Channels

Fig. 1 1

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General Model

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The following figures show the principles how layer 1 processes transport channel data to bring them on air. Transport channels are block oriented transmission services and transmit one or more transport blocks per transmission time interval (TTI). The TTI is 1 ms (e.g. one sub-frame). Transport blocks may in general have variable size. Typically the number of transport blocks that can be transmitted in a TTI depends on whether spatial multiplexing is done (one transport block is transmitted in the single antenna case and up to two transport blocks simultaneous could be transmitted if MIMO is used) The physical layer now encodes the transport block via a series of coding units which are the following: CRC (Cyclic Redundancy Check): Each transport block is protected with checksum calculated as cyclic redundancy check. The checksum is a 24 bit long CRC. The block error rate that is measured from this checksum will be a criteria of the system. Turbo Coding and Rate Matching: The forward error check that is applied to the transport block with its CRC is based on three available coding algorithms: t urbo coding rate 1/3, convolutional coding rate 1/3 or a 32-to-2 block coding. UL-DSCH, DL-DSCH, MCH and PCH will always use turbo coding, only the BCH uses convolutional coding. The block coder is not for transport channels, it is used by PFCICH for example. Rate matching is done directly after coding, it can puncture or repeat bits. . Data Modulation: Finally the binary data must be brought in the form suitable for the complex arithmetics of OFDMA/SC-FDMA. Therefore always 1, 2, 4 or 6 bits are taken together to build an OOK, BPSK, QPSK, 16QAM or 64QAM symbol. Resource Mapping: One of the key features of EUTRAN is the completely dynamic implemented resource handling. So instead of having a fixed subcarrier/time index for each OFDM symbol generated before, the MAC scheduler assigns subcarrier/time index dynamically for each symbol. Antenna Mapping: The last part is to bring the symbols for one antenna together and modulate the signal (via IFFT, or SC-FDMA) to the RF modulator. This process might include to apply additional phase factors and weighting matrices to optimize MIMO.


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General Mod el fo r DL-SCH

Evolved Node B Transport Bloc ks (variable sizes) TB TB ACK | NA CK

HARQ r r e e l l u u d d e e h h c c s s C C A A M M

HARQ Info CRC CRC

Redundancy Version

Coding Coding + Rate Matchi ng QPSK,

Modulation

Coding Data Modulatio n

Scheme

16QAM, 64QAM

Resource/

Coding Resource Mapping

Power Ass ig nmen t Ant enna

...

Anten na Mapping

Ass ig nmen t

...

3GPP TS 36.302 v8.1.0 Fig. 2General Model for DL-SCH

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CRC Coding and Segmentation


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CRC Coding

CRCused usedfor forerror errordetection detectionon onTB TB! ! CRC Transmitter: Transmitter:

Medium Medium Access Access Control Control (MAC) (MAC) Delivers hee Delivers the the Transport Transport Block Block inc including luding tth

theCRC CRCisiscalcu calc ulated onthe th e the lated on transport block r ecieved from MAC transport block r ecieved from MAC CRCisisappended appendedtotothe thetransport transport CRC block block

MAC MAC header header MAC PDU = MAC MAC PDU = MAC SDU SDU ++ Header Header

Receiver: Receiver: CRCisisalso alsocalcu calc ulated onthe the CRC lated on received bits received bits

Transport Channels

CalculatedCRC CRCbits bitsare arecom compared pared Calculated with t he received CRC bits with t he received CRC bits notequal equal-> ->retransmission retransmissionofofthe the IfIfnot transport block required transport block required

FDD FDD || TDD TDD - Layer Layer 11 (( DL: DL: OFDMA, OFDMA, UL: UL: SC-FDMA SC-FDMA ))

MAC

MAC multiplexing

MAC

MAC SDU

Header

MAC SDU

Header

24 bit CRC

Transport bl ock

Transport blo ck 24 bit CRC

Layer1 CRC (Cyclic Redundancy Coding) insertion

Fig. 3CRC Coding

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Turbo Coding


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The coding structure is based on a combination of two convolutional coders(first and second constituent encoder in the figure). The convolutional codes have a simple hardware implementation, using shift registers. The information bits are interleaved between two encoders. The whole process results in a code that has powerful error correction properties. For the LTE, the same like in UMTS, the scheme of Turbo coder is a Parallel Concatenated Convolutional Code (PCCC) with two 8-state (3 shift registers) constituent coders and one Turbo code internal interleaver. The coding rate of the Turbo coder is 1/3. The input of the Turbo encoder is on transport block, assumed to be of size k in t he example shown The output of the turbo encoder is having 3 types of bits: systematic bits, first parity bits and the second parity bits. Thus, it can be seen that the size of the output of the turbo encoder is having 3 times the size of the input. The difference between the 3 types of generated bits is their importance in case of retransmission (with HARQ in this case). The systematic bits are of higher importance than the parity bits. The usage of systematic and parity bits is useful in the case of incremental redundancy mode of HARQ

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d 1(0), d2(0), …, d k (0)

INPUT :

Systematic bits

One transport block + CRC of size k bits

First parity bits

D

D

d 1(1), d 2(1), …, d k (1)

D

First const ituent encoder

Turbo coder Internal interleaver

Second parity bits d 1(2), d 2(2), …, d k(2)

D

D

D

OUTPUT : 3k bits

Shift registers (convolutiona l coding)

(systematic, fi rst parity and second parity 3GPP TS 36.212 v8.6.0 bits)

Second constit uent encoder

Fig. 4Turbo Coding

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The task of the rate-matching functionality is to extract via puncturing and/or repetition, from the blocks of coded bits delivered by the channel encoder of the turbo coding, the exact set of bits to be transmitted within a given TTI. That i s, to match the number of bits of the transport block with the number of bits which could be mapped on the physical resources. Whether the systematic or if the parity bits will be transmitted is dependent on the redundancy version RV. The RV is received as feedback from the HARQ receiver. For the first transmission (RV=0) as many systematic bits as possible are transmitted. If there is still room (depending on the physical resources availability) also some parity bits are transmitted. For the retransmission (e.g. RV =1) parity bits not included in the fi rst transmission could be included. However what is exactly will be retransmitted is dependent on the redundancy version signaled by the HARQ. Process description The outputs of the Turbo encoder (systematic bits, first parity bits, and second parity bits) are first separately interleaved. The interleaved bits are then inserted into a circular buffer with the systematic bits inserted first, followed by alternating insertion of the first and second parity bits. The bit selection then extracts consecutive bits from the circular buffer to the extent that fits into the assigned resource, wrapping around to the beginning of the buffer if the end of t he buffer is reached. The set of bits to extract depends on the redundancy version corresponding to different starting points for the extraction of coded bits from the circular buffer. As can be seen, there are four different alternatives for the redundancy version. – A Redundancy Version (RV) specifies a starting point in the circular buffer to start reading out bits. Different RVs are specified by defining different starting points to enable HARQ operation. Usually RV = 0 is selected for the initial transmission to send as many systematic bits as possible. The scheduler can choose different RVs on transmissions of the same packet to support both IR and Chase combining HARQ.

12



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Rate Match ing Process RateMatchin Matching: g: Rate forbibit trate rateadaptation adaptation ItItisisuused sed for

Code Block (k bit s)

Thenumber numberof ofbits bitsafter afterthe the The transportchannel channelprocessing processing transport mustbe beadapted adaptedfor forthe the must underlying physic al channels underlying physical ch annels capabilities(Modulation (Modulationand and capabilities CodingScheme, Scheme,Number Numberof of Coding ResourceBloc Blo cks) Resource ks) Technicallythe therate ratematching matchingisis Technically realised through punct uringor or realised through punct uring repetition o fbits bits repetiti on of

Channel Coding – Turbo Codin g 1/3

Coded Bits (3K+12 bit s)

Rate Matching : 3k +12 = e.g. 336 bits ? If No then Puncturing or Repetition

Numberofofresource resourceblocks blocks Number (with 20 20MHz MHzchannelbandwi channelbandwith): th): (with .../ /100 100resou resource rcebloc blocks ks 22 / / 44/ /... Numberof ofbit bitss(assumin (assuminggQPSK): QPSK): Number 168/336/ 336/.../8400 .../8400bits bits 168/

Fig. 5Rate Matching Process

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Systematic

Circular buffer

bits d 1(0), d 2(0), …, d k(0)

V1(0), v 2(0), …,v k(0)

Sub-block

RV=0

interleaving

RV

(2) v (0) 1 v (0) RV=3 v k (1) 2 vk

First d 1(1), d 2(1), …, dk(1) Sub-block interleaving Parity

Bit selection

V1(1), v 2(1), …,vk(1)

v 2(2) v k (0) v 2(1 (2) (1) v1 v 1 ) RV=2

bits Second parity

V1(2), v2(2), …,vk (2)

d 1(2), d 2(2), …, d k (2) Sub-block

Circular buffer

interleaving

bits

RV=1

RV= Redundancy Version (for HARQ retransmission ) 3GPP TS 36.212 v8.6.0

Fig. 6Rate Matching

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Data Modulation


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Modulation Schemes • 3GPP standard defines the following options : QPSK, 16QAM, 64QAM in both directions ( UL and DL) Physical channel

Modulation

PDSCH

QPSK, 16QAM, 64QAM

PMCH

QPSK, 16QAM, 64QAM

6 bits/symbol

PBCH

QPSK

64QAM

PDCCH (PCFICH, PHICH)

QPSK

PUSCH

QPSK, 16QAM, 64QAM

PUCCH

BPSK and/or QPSK

- UL 64QAM not supported in RL10

• Not every physi cal channel i s allowed to use any modulation scheme:

• Scheduler decides which form t o us e depending on carrier quality feedback i nformation from the UE 64QAM: QPSK:

16QAM:

2 bits/symbol

4 bits/symbol

QPSK

16QAM

b0 b1

b 0 b 1b 2b 3

Im

01

Im

11

b 0 b 1b 2b 3 b 4 b 5 Im 1111

Re 10Re

00

Re 0000 Presentation / Author / Date

Fig. 7Modulation Schemes

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16

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5



Resource Mapping


17


The resource mapping is a physical layer issue which will be explained in detail in chapter 7.

18





Resour ce Mapping

Evolved Node B Transport Block s (variable sizes) TB TB ACK | NACK


HARQ Info CRC CRC

Redundancy Version


Modulation


Scheme

16QAM, 64QAM

Resource/

Physical



Layer is sue

...

Explained in

Anten na Mappi ng

Ass ig nmen t

chapter 7

...

Fig. 8Resource Mapping

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19


6

20

Antenna Mapping





Antenna Mapp ing

Evolved Node B Transport Block s (variable sizes) TB TB ACK | NACK


HARQ Info CRC CRC

Redundancy Version


Modulation


Scheme

16QAM, 64QAM

Resource/



...

MIMO

Anten na Mappi ng

Ass ig nmen t

(Chapter 9)

...

Fig. 9Antenna Mapping

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21


Various multiplexing methods are based on different grades of freedom as there are time (TDMA) frequency (FDMA) and code (CDMA). Multi antenna technology additionally may deploy space (SDMA). So in addition to OFDM a set of technologies using multiple transmitter and receiver antennas are used. In particular MIMO (Multiple Input Multiple Output) is a main contribution to the high spectral efficiency of an LTE system. The physical layer of LTE supports several variants which are used to increase the channel’s capacity or to improve coverage and channel quality. In a broader sense any transmission with multiple transmit and multiple reception antennas could be considered to be MIMO. The propagation channel is hereby considered as the transmitting system, so that transmission antennas are handled as input to the channel, whereas receiver antennas are the output of it. However to describe the different multiple antenna modes in a more narrow sense only spatial multiplexing is considered "true" MIMO.

22





MIMO Types MIMO MIMO

Data Data Transmission Transmissi on

Number Number of of Antennas Antennas

Number Number of of Users Users

Pre-Coding

SISO

SU-MIMO

(beamforming) single data stream sent over

(Single Input Single Output)

(Single User MIMO)

multiple input antennas g n i d o c e r p

X

MISO (Multiple Input Single Output)

…

MU-MIMO

…

Spatial Multiplexing multiple data stream sent over

SIMO

multiple input antennas

(Single Input Multiple Output)

g n i d o c e r p

X1 … Xn

…

…

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Diversity Coding single data stream sent over

…

multiple input antennas

…

with different coding e.g. CDMA soft h andover

Fig. 10MIMO Types

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23


7

24

Examples of Processing



7.1



DL-SCH


25


DL-SCH Downli nk Shared Channel

Evolved Node B

UE

Transport Blo cks (variable sizes) TB TB

TB TB

Error indications

ACK | NA CK

HARQ

ACK | NA CK

HARQ

HARQ Info

HARQ Info

r r Redundancy CRC e e CRC+Segmentation l l for error detection u u Redundancy d d e e Version Redundancy Coding h h Turbo c oding + Rate Matching c c for data detection s s QPSK, C C Coding n A A Modulation Data Modulatio 16QAM, M M Scheme

CRC CRC+Concatenation Coding Decoding + Rate Matching Coding Data Demodulation

64QAM

Resource/ Power Ass ig nmen t Ant enna


Coding Resource Demapping

...

...

Ant enna Map pi ng

Ant enna Demap pi ng

...

...

Ass ig nmen t

Fig. 11DL-SCH Downlink Shared Channel

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26

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7.2



BCH


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BCH – Broadcast Channel Evolv ed Node B

UE

One BCH transport block (fixed sizes) Error indication

TB

TB

R=1/3 tail bitting

16 bit CRC+Segmentatio n

16 bit CRC+Concatenation

Convolutional code

Decoding + Rate Matchi ng

Coding + Rate Matchi ng

Data Modulatio n

Data demodulation

QPSK only

Resource Demapping

Resource Mapping

...

...

Anten na Demappin g

An tenna Mappi ng

...

...

Fig. 12BCH – Broadcast Channel

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7.3



PCH


29


PCH – Paging Channel eNodeB

UE

Transport Blo cks

r r e e l l u u d d e e h h c c s s C C Modulation A A M M Scheme

(variable sizes) TB

TB

CRC+Segmentation

CRC+Concatenation

Error indication

Decoding

Coding + Rate Matching QPSK, Data Modulation

Data Demodulation

16QAM, [64QAM]

Resource/ Power Ass ig nmen t enna Ant

Resource Mapping

Resource Demapping

Ant enna Map pi ng


Ass ig nment

Fig. 13PCH – Paging Channel

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7.4



MCH


31


MCH – Multicast Channel eNodeB

UE

Transport Block s

Error indication

(variable sizes) TB TB

TB TB CRC CRC

CRC CRC

r r e e l l u u d d e e h h c c s s C C A A Modulation M M

Decoding Decoding

Coding + Rate Matching Coding + Rate Matching

De-interleaving De-interleaving

Interleaving Interleaving QPSK, Data Modulation Data Modulation

Scheme

Data Demodulation Data Demodulation

16QAM, [64QAM]

Resource/

Resource De-mapping Resource De-mapping ...

Resource Mapping Resource Mapping ... ...

Power Ass ig nmen t

Ant enna Map pi ng

Ant enna

Ant enna De-map pi ng

...

Ass ig nmen t semi-static

...

configuration

Fig. 14MCH – Multicast Channel

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32

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7.5



UL-SCH


33


UL-SCH UL Shared Channel

UE

eNodeB

Transport Blocks delivered from MAC layer

Transport Blocks delivered from MAC layer

(variable sizes) TB

(variable sizes) TB

UL assignment HARQ

Channel state information HARQ

HARQ Info 24 bit CRC+Segmentation

r r e e l l u uRedundancy d d e e Version h h c c s s C C Modulation A A M M Scheme

[64QAM]

Decoding

De-Interleaving

Data Demodulation

Resource/

Resource Mapping

Power Ass ig nmen t enna Ant

HARQ Info 24 bit CRC+Concatenation

r r e e l Turbo cod ing + Rate Matching l u uRedundancy d d e e Version h h Interleaving c c s s C QPSK, C Modulation A A Data Modulation 16QAM, M M Scheme Resource/

ACK | NA CK

Resource Demapping

Power Ass ig nmen t enna Ant

Ant enna Map pi ng

Ass ig nment


Ass ig nment

Fig. 15UL-SCH UL Shared Channel

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34

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06_TM51176EN02GLA01_Transport Channel Processing .pdf

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