LTE 物理层

主讲人：蔡俊物理层概述帧结构下行物理信道E-UTRA无线接口协议结构物理层与层2的媒体接入控制(MediaAccessControl，MAC)子层和层3的无线资源控制(RadioResourceControl，RRC)层具有接口。其中的圆圈表示不同层／子层间的服务接入点(ServiceAccessPoint，SAP)。物理层向MAC层提供传输信道(TransportChannel)。MAC提供不同的逻辑信道给层2的无线链路控制(RadioLinkControl，RLC)子层。逻辑信道是为MAC层提供的不同类型的数据传输业务而定义的。逻辑信道通常可以分为两类：控制信道和业务信道。控制信道用于传输控制平面信息，而业务信道用于传输用户平面信息。传输信道定义了在空中接口上数据传输的方式和特性。一般分为两类：专用信道和公共信道。一个物理信道用一个特定的载频、扰码、信道化码（可选的）、开始和结束时间（有一段持续时间）来定义。对LTE来讲，一个10ms的无线帧被分成10个子帧(FDD模式，帧结构类型1)，每个子帧又分为2个时隙(0.5ms)。一个时隙里包含多个RB（ResourceBlock），每个RB中包括若干个RE（ResourceElement，LTE中最下的资源粒子）。逻辑信道定义传送信息的类型，这些信息可能是独立成块的数据流，也可能是夹杂在一起，但是有确定起始位的数据流，这些数据流是包括所有用户的数据。传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流，这些数据流仍然包括所有用户的数据。物理信道则是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用。逻辑信道＝｛所有用户（包括基站，终端）的纯数据集合｝传输信道＝｛定义传输特征参数并进行特定处理后的所有用户的数据集合｝物理信道＝｛定义物理媒介中传送特征参数的各个用户的数据的总称｝打个比方，某人写信给朋友，逻辑信道＝信的内容传输信道＝平信、挂号信、航空快件等等物理信道＝写上地址，贴好邮票后的信件传输信道的错误发现，并通知高层；传输信道的译码/编码；传输信道到屋里信道的速率匹配；传输信道到屋里信道的映射；物理信道的功率开销；物理信道的调制/解调；频域/时域的同步；无线特性的测量，并通知高层；多输出多输入（MIMO）天线处理；差异化传输；波束成型；RF处理等；在下行方向采用基于循环前缀（CyclicPrefix，CP）的正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址（SingleCarrier—FrequencyDivisionMultiplexingAccess，SC-FDMA)频分双工（FDD）LTE系统为FDD模式（包括全双工和半双工）定义了无线帧结构1，其无线帧子帧长度为10ms，包含20个时隙，每个时隙0.5ms。两个相邻的时隙构成一个子帧，长度为1ms.时分双工（TDD）LTE系统为FDD模式（包括全双工和半双工）定义了无线帧结构2，具有两个时长为5ms的半帧，每个半帧包括8个0.5ms的时隙和3个特殊时隙。支持多媒体广播和多播业务（MultimediaBroadcastandMulticastService,MBMS)。支持多输出多输入（MIMO）传输，在下行方向上可以配置2根或4根传输天线，以及2根或4根接收天线，允许最大4个流的多层传输。LTE公布了两种EUTRA帧结构：一型帧结构，也称通用（Generic）帧结构；二型帧结构，也称作可选（Alternative）帧结构。一型帧结构应用在FDD模式和TDD模式下，二型帧结构仅应用在TDD模式下。特点：适用于全双工FDD、半双工FDD和TDD，在FDD中，上行和下行具有相同的帧结构，但是使用不同的范围。（Ts=1/(15000*2048)=32.55ns）#0#1#2#3#19#18Oneradioframe,Tf=307200Ts=10msOneslot,Tslot=15360Ts=0.5msOnesubframe特点：只适用于TDD，而且存在特殊子帧。Oneslot,Tslot=15360TsGPUpPTSDwPTSOneradioframe,Tf=307200Ts=10msOnehalf-frame,153600Ts=5ms30720TsOnesubframe,30720TsGPUpPTSDwPTSSubframe#2Subframe#3Subframe#4Subframe#0Subframe#5Subframe#7Subframe#8Subframe#9LTETDD支持5ms和10ms的上下行子帧切换周期，在一帧中，共有10个子帧，而每个子帧又分为D，S，U三种类型，这三种类型具体分配方式即为Uplink-downlinkconfigurations:注:U表示用于上行传输时隙，S表示包含DwPTS、GP以及UpPTS的特殊子帧，D表示用于下行传输的时隙。下行物理信道有：①PDSCH传输用户数据；②PDCCH传输与特定PDSCH相关的控制和配置信息（HARQ信令、功控命令、RB分配、AMC配置）；③PBCH传输小区广播信息；④PMCH传输多媒体广播业务；⑤PCFICH传输用于控制信道（PDCCH）的OFDM符号个数；⑥PHICH传输HARQACK/NACK下行物理信道对应于一系列资源粒子的集合，用于承载源于高层的信息。下行物理信号对应于一系列物理层使用的RE，但是这些RE不传递任何来自高层的信息，包括参考信号、同步信号。LTE定义如下3中下行参考信号：①小区特定RS（Cell-specificReferenceSignals），相当于公共导频；②MBSFNRS（MBSFNReferenceSignals），对应MBSFN传输；③UE特定RS（UE-specificReferenceSignals），相当于专用导频下行参考信号的作用至少包括下行信道质量测量和估计以及小区小区搜索等。用于UE捕获小区（时间/载波同步、小区ID）同步信号分为：主同步信号（PSS）；辅同步信号（SSS）；对于帧结构类型1，主同步信号仅仅在时隙0和时隙10中传输；辅同步信号也只在时隙0和时隙10中传输。对于帧结构2（TDD模式），主同步信号在DwPTS的第一个符号发射，辅同步信号在时隙1和11的最后一个OFDM符号发射，如下图所示。DLsubframe#0GPSSSPSSULsubframe#2UpPTSRS/ControlDwPTSDataDLsymbNOFDM符号一个下行时隙slotT0l1DLsymbNlRBscDLRBNN子载波RBscN子载波RBscDLsymbNN资源块资源粒子RE),(lk0k1RBscDLRBNNk（resourceelements）（Resourceelement）下行资源栅格资源栅格RG一个时隙的传输信号可以用一个资源栅格ResourceGrid来表示，其大小为个子载波和个OFDM符号。资源粒子RE资源栅格中的最小单元，它通过索引对来进行惟一标识，其中和，分别标识频域和时域的序号。资源块RB用于描述某些物理信道（主要是数据信道）到资源粒子的映射。定义了两种资源块：物理资源块和虚拟资源块。lk,它与下行传输带宽有关。并且满足：其中=6，并且=110是下行传输的最小和最大带宽。配置常规CP△f=15kHz127扩展CP△f=15kHz6△f=7.5kHz243物理资源块参数对应于每一种CP形式，时隙结构也有所不同：一个物理资源块定义为时域上个连续的OFDM符号，以及频域上个连续的子载波，其中和对应物理资源块参数表中的参数。因此，这样一个物理资源块将包括个资源单元（RE），即时域上长度为一个时隙，频域上的宽度为180kHz。DLsymbNDLsymbN一个虚拟资源块具有物理资源块相同的大小；两种类型的虚拟资源块:分布式（Distributed）传输的虚拟资源块，集中式（Localized）传输的虚拟资源块。LocalizedVRB(LVRB)将若干个连续子载波分配给一个用户，系统可以通过频域调度选择较优的子载波组进行传输，且信道估计复杂度也比较低；但是频域分集增益不大；DistributedVRB(DVRB)分配给一个用户的子载波分散在整个带宽，获得频域分集增益；但是信道估计比较复杂。用户1用户2用户3Localized资源分配方式Distributed资源分配方式用户1用户2用户3由于最小TTI是1ms，而RB为0.5ms为单位，则映射的时候，VRB和PRB也是成对映射的。集中式虚拟资源块LVRB–直接映射到物理资源块上；分布式虚拟资源块DVRB–按照函数关系映射到物理资源块上，在一个子帧中的两个时隙上虚拟到物理资源块的映射是不同的。一个时隙里面可以同时进行LVRB和DVRB的传输。eNodeB可以分配多个VRB给一个UE。用于定义控制信道（PDCCH、PHICH、PCFICH）到资源粒子的映射。一个资源粒子组的资源粒子集合取决于配置的小区专用参考信号数目。它的划分在RB的一个OFDM符号中进行，即12子载波*1OFDM符号中进行；本质包含4个数据块，根据天线配置和当前RS资源的分布，划分REG大小（6RE或者4RE）；REG资源映射下行基带信号产生流程加扰调制层映射预编码RE映射OFDM信号产生RE映射OFDM信号产生加扰调制层天线端口码字下行物理信道基带信号处理，可以分为以下几步：①对将在一个物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰；②对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号③将复值调制符号映射到一个或者多个传输层；④将每层上的复值调制符号进行与编码，用于天线端口上的传输；⑤将每一个天线端口上的复值调制符号映射到资源粒子上；⑥为每一个天线端口产生复值的时域OFDM信号。码字是指来自上层的业务流进行信道编码之后的数据。一个码字指一串比特流；不同的码字区分不同的数据流，其目的是通过MIMO发送多路数据，实现空间复用；一个码字对应一个TB（传输块），一个子帧中（2个时隙）最多可以传输2个码字，codeword0andcodeword1同一个TTI上可以传输多个UE的数据，而不同UE在同一个TTI上利用不同TB块的不同RBpair上传输不同数据。()()()(0)...(1)qqqbitbbM扰码根序列为Gold序列，各个信道其中参数初始值不一样。对于每一个码字q，比特块表示为，其中是在一个子帧中物理信道上传输的码字中的比特数目，在调制之前需要按照下式进行加扰，生成加扰的比特块，即其中扰码序列，即伪随机序列定义为长度为31的Gold序列。扰码序列发生器在每个子帧的开始初始化,其中的初值取决于传输信道类型。2mod)()()(~icibibqqq)1(),...,0()(bit)()(qqqMbb)(bitqM)(icqinitc下行信道类型支持的调制方式PDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAMPHICHBPSKPCFICHQPSKPBCHQPSKPDCCHQPSK功能由于码字数量和发送天线数量不一致，需要将码字流映射到不同的发送天线上。分类1.单天线端口的层映射2.空间复用的层映射3.传输分集的层映射对于在单个天线端口上的传输，使用单层,层数目为1，即,且层映射定义为：并且，无需预编码处理。注：表示码字q的复值调制符号表示复值调制符号到层的映射其中，表示每一层中的调制符号个数，1)()()0()0(idix(0)symblayersymbMM层数目码字数目码字到层的映射112