LTEFDD物理层结构介绍

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1、LTE FDD物理层结构介绍中兴通讯学院课程目标n掌握LTE物理层帧结构n了解物理资源分配n了解物理信道及信号的功能n掌握物理层过程课程内容n物理层概述物理层概述n无线帧结构n物理资源分配n物理信道和信号n物理层过程物理层功能n物理层主要功能：l传输信道的错误检测并向高层提供指示l传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码l混合自动重传请求（HARQ）l传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射l物理信道的功率加权l物理信道的调制解调l时间及频率同步l射频特性测量并向搞成提供指示lMIMO天线处理l传输分集l波束赋形l射频处理物理层主要负责向上层提供底层的数据传输服务物理层（PHY）的位置信令流数据流

2、物理层关键技术关键关键技术技术系统带宽系统带宽OFDMA&SC-FDMA双工方式双工方式调制方式调制方式信道编码信道编码多天线技多天线技术术物理层过物理层过程程物理层测物理层测量量OFDMA/SC-FDMA基本原理n下行采用OFDMAlOFDMA将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享，从而实现不同用户之间的多址接入。这可以看成是一种OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。n上行采用SC-FDMAn利用DFTS-OFDM的特点可以方便的实现SC-FDMA多址接入方式n通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输

3、入端的对应关系，输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实现多用户多址接入Sub-carriers Sub-frame Frequency Time Time frequency resource for User 1 Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for User 3 System Bandwidth OFDMA示例l最大支持64 QAMl通过CP解决多径干扰l兼容MIMOSC-FDMA示例l最大支持 16 QAMl单载波调制降低峰均比（PAPR）lFDMA可通过FFT 实现OFDMA与SC-FDM

4、A的对比OFDMA/SC-FDMA技术优势nLTE系统上行采用SC-FDMA多址技术，下行采用OFDMA多址技术。nOFDMA/SC-FDMA多址技术的优势：l更大的带宽和带宽灵活性n随着带宽的增加，OFDMA信号仍将保持正交，而CDMA 的性能会受到多径的影响n在同一个系统，使用OFDMA可以灵活处理多个系统带宽l扁平化架构n当分组调度的功能位于基站时，可以利用快速调度、包括频域调度来提高小区容量。频域调度可通过OFDMA实现，而CDMA无法实现l便于上行功放的实现nSC-FDMA相比较OFDMA可以实现更低的峰均比,有利于终端采用更高效率的功放l简化多天线操作nOFDMA相比较CDMA实现

5、MIMO容易下行关键技术信道编码n下行各物理信道采用的信道编码方式及编码速率下行信道类型下行信道类型编码类型编码类型编码速率编码速率PDSCHTurbo coding1/3PMCHTurbo coding1/3PHICHRepetition coding1/3PCFICHBlock 1/16PBCHTail biting convolutional coding1/3PDCCHTail biting convolutional coding1/3上行关键技术信道编码n上行各物理信道采用的信道编码方式及编码速率上行信道类型上行信道类型编码类型编码类型编码速率编码速率PUSCHTurbo codi

6、ng1/3PRACHTurbo coding1/3PUCCHTail biting convolutional coding1/3下行关键技术调制方式n下行各物理信道支持的调制方式下行信道类型下行信道类型支持的调制方式支持的调制方式PDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAMPHICHBPSKPCFICHQPSKPBCHQPSKPDCCHQPSK上行关键技术调制方式n上行各物理信道支持的调制方式下行信道类型下行信道类型支持的调制方式支持的调制方式PUSCHQPSK、16QAM、64QAMPRACHQPSK、16QAM、64QAMPUCCHQPSK课程内容n

7、物理层概述n无线帧结构无线帧结构n物理资源分配n物理信道和信号n物理层过程无线帧结构-FDDn每个10ms无线帧被分为10个子帧n每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5msnTs=1/(15000*2048)是基本时间单元n任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行#01个无线帧 Tf=307200 TS=10 ms1个时隙 Tslot=15360TS=0.5ms#11个子帧#2#17#18#191个子帧子帧#5DwPTSGPUpPTS子帧#91个半帧 153600 TS=5 ms1个子帧子帧#0DwPTSGPUpPTS30720TS子帧#41个时隙 Tslot=15360TS1个无线帧 Tf=

8、307200 Ts=10 ms无线帧结构-TDDn每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成n特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1msn支持5ms和10ms上下行切换点n子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送课程内容n物理层概述n无线帧结构n物理资源分配物理资源分配n物理信道和信号n物理层过程物理资源块PRBn一个RB在时域上包含 个OFDM符号,在频域上包含 个子载波n 和 的个数由CP类型和子载波间隔决定DLsymbNRBscNDLsymbNRBscN资源组资源资源定义定义RE一个RE在时域占用一个符号，在频域占用1

9、个子载波，是最小的资源单位REG为控制信道资源分配的资源单位，由4个RE组成CCE由PDCCH资源分配的一个资源单位;一个CCE包含9个REGRB由服务信道资源分配的一个资源单位;RB在时域占用一个时隙，在频域占用12个子载波RBG为业务信道资源分配的资源单位，由一组RB组成REG的概念CCE的概念CCE用于PDCCH分配在PCFICH 和PHICH完成之后，进行PDCCH分配每个CCE包含9个REG，CCE从0开始编号CCE的总数由PDCCH占用的符号数决定CP，子载波间隔和OFDM符号nCP，子载波间隔和OFDM符号之间的关系子载波间隔OFDM符号数(一个时隙)RB占用子载波数RB对应的R

10、E数常规CP15KHz71284扩展CP15KHz612727.5KHz324721个RB在频域上对应12个子载波，180KHz=15 KHz x 12(normal CP)RB和带宽n不同带宽对应的RB数l占用带宽=子载波间隔 x 每RB的子载波数 x RB数l子载波间隔=15KHzl每RB的子载波数=12l备注:当前协议中，最大RB数为110信道带宽信道带宽(MHz)1.435101520RB数数615255075100实际占用带实际占用带宽宽(MHz)1.082.74.5913.518RBG的概念nRBG用于服务信道的资源分配nRBG 由一组RB组成nRBG的个数与系统带宽相关464 1

11、10327 63211 26110(P)RBG 个数个数系统带宽DLRBN课程内容n物理层概述n无线帧结构n物理资源分配n物理信道和信号下行物理信道和信号下行物理信道和信号下行物理信道和信号n物理层过程LTE下行物理信道下行物下行物理信道理信道PCFICH-物理控制物理控制格式指示格式指示信道信道PBCH-物物理广播信理广播信道道PMCH-物物理多播信理多播信道道PDSCH-下下行物理共行物理共享信道享信道PDCCH-下行物理下行物理控制信道控制信道PHICH-物物理理HARQ指示信道指示信道下行物理层信号下行物理层信号:lRS(导频信号)lP(S)-SCH(同步信号)固定位置的信道、信号RS

12、P（S）SCHPBCHPCFICH（相对固定）信道映射的顺序固定位置信道（RS、P（S）SCH、PBCH、PCFICH）PHICHPDCCHPDSCH下行物理信道示意图同步信号时频位置n时、频位置l频域位置：l时域位置n5ms周期同步过程nP-SSS-SS 主要作用是使UE与eNodeB获取帧同步，小区搜索在完成同步的同时，确定小区的物理层小区ID。n同步过程通过2步完成，即l首先检测PSS，完成：n半帧定时，即获得半帧（5ms）边界，n频偏校正，n并获得组内ID 利用3条ZC序列区分3个组内IDl然后再检测SSS，完成：n长/短CP检测（符号同步）盲检测n帧定时，即获得帧（10ms）边界 S

13、SS由两条短码序列交叉组成，用不同的顺序区分两个半帧n并获得组ID下行参考信号n下行参考信号作用l信道估计，用于相干解调和检测，包括控制信道和数据信道l信道质量的测量，用于调度、链路自适应l导频强度的测量，为切换、小区选择提供依据n考虑因素l图样时、频密度n时域：导频间隔小于相干时间n频域：导频间隔小于相干带宽l序列n相关性n序列数量n复杂度n下行参考信号分类l小区专有导频（Cell-specific DL RS，CRS）nTx port 03n主要用于信道估计（控制/数据信道的解调）；信道测量（CQI/PMI/RI测量等）n对应非MBSFN传输lMBSFN导频nTx port 4，n用于解调

14、多播业务n对应MBSFN传输lUE专有导频nTx port 5，专用RS（DRS）n用于传输模式7的数据解调PBCH-物理广播信道n承载BCH包含的系统信息，系统信息包括下行系统带宽、系统帧序号(SFN)、PHICH持续时间以及资源大小指示信息n在PBCH的CRC校验时，附加了天线数目信息n每个第0号子帧的时隙1有4个OFDM符号的PBCH信号数PCFICH-物理控制格式指示信道n传输CFI（Control Format Indicator）信息，用于指示控制区的时域长度，即有几个OFDM符号。l每个子帧中都发射PCFICH，eNodeB通过PCFICH将一个子帧中PDCCH占用的OFDM符号

15、数通知给UE，这个OFDM符号数由CFI来指示，CFI可以取值为CFI=1,2,3,4（4保留小带宽时采用）。lPCFICH占用每个subFrame 第一个OFDM symbol中的4个REG，起始位置决定于PCellID，均匀散布于整个带宽上。n分集方式l空域分集：SFBCl频域分集：4个REG均匀的分布在整带宽PHICH-物理HARQ指示信道nPHICH承载eNodeB对上行发射信号做出的NAK/ACK响应信息nPHICH可以占1、2、3个OFDM符号n编码过程l一个ACK/NACK bit进行三次重复l4（短CP）或2（长CP）倍扩频n信道映射过程l一个（短CP）或二个（长CP）PHIC

16、H组占3个REG（12个子载波）l由于使用了I/Q两路映射，因此一个（短CP）或二个（长CP）PHICH组有8个PHICH信道；l采用先时域再频域的映射n分集方式：SFBCPDCCH-物理下行控制信道nPDCCH承载调度以及其他控制信息，具体包含传输格式、资源分配、上行调度许可、功率控制以及上行重传信息。这些信息可以组成多种控制信息(DCI)格式，被映射到每个子帧的最先的前n（n4）个OFDM符号中，n的具体取值由PCFICH信道中的CFI来指示。n在一个子帧中，可以同时传输多个PDCCH，一个UE可以监听一组PDCCH。每个PDCCH在一个或者多个控制信道单元(CCE)中发射，通过集成不同数

17、目的CCE可以实现不同的PDCCH编码码率。nPDCCH支持4种物理层格式，分别占用1、2、4、8个CCE。CRC附加用户加扰信道编码速率匹配小区内的PDCCH信道合并CRC附加用户加扰信道编码速率匹配CRC附加用户加扰信道编码速率匹配每个天线口的物理资源映射OFDM调制OFDM调制OFDM调制An 1An 0An P小区加扰调制映射层映射预编码PDCCHDCIn1DCI2DCIPDSCH-物理下行共享信道（1）n典型的分组型信道,资源不独占l为了减少VoIP时延，PDSCH也支持semi-persistent方式n可以传寻呼/广播（非PBCH里传输）/用户数据n通过速率控制保证QoSl支持Q

18、PSK,16QAM,64QAM三种调制方式nHARQ 异步/自适应n两种资源映射方式lLocalized：不跳频n调频增益lDistributed：跳频n频域分集增益PDSCH-物理下行共享信道（2）n支持7种传输方案l单天线l分集nSFBC（2Tx）nSFBC+FSTD（4Tx）l开环空间复用nUE只反馈Rank，不反馈PMInLarge Delay CDD+DFT Matrixn轮换的使用precoding Matrixl闭环空间复用nUE反馈Rank和PMIn基站根据UE反馈选择precoding MatrixlMU-MIMOn多个用户使用相同的时、频资源传输数据；n需要相对较多的信道信

19、息的反馈；nR8没有对MU进行额外的优化，基于SU的方式实现MUlBF（有反馈）nRank=1nPMI反馈n公用导频lBF（无反馈）nRank=1n不反馈PMI，基站利用上行信号估计Precoding Vector（UE不知道）n专用导频LTE下行传输信道下行传下行传输信道输信道BCH：广：广播信道播信道MCH：多：多播信道播信道PCH：寻：寻呼信道呼信道DL-SCH：下行共享下行共享信道信道固定的预定义格式；在整个小区的覆盖区域内广播在整个小区覆盖区域发送；支持HARQ；可实现链路自适应；支持波束赋形；支持动态或半静态资源分配；支持UE的非连续接收；支持MBMS业务在整个小区覆盖区域发送；可

20、映射到业务和控制信道使用的物理资源上；支持UE的非连续接收在整个小区覆盖区域发送；对单频点网络（MBSFN）支持多小区的MBMS传输合并；使用半静态资源分配传输信道与物理信道的映射课程内容n物理层概述n无线帧结构n物理资源分配n物理信道和信号下行物理信道和信号下行物理信道和信号下行物理信道和信号n物理层过程LTE上行物理信道上行物上行物理信道理信道PUSCH-物理上行物理上行共享信道共享信道PUCCH-物理上行物理上行控制信道控制信道PRACH-物理随机物理随机接入信道接入信道上行物理层信号上行物理层信号:lDMRS(PUSCH/PUCCH解调参考信号)lSRS(Sounding信号)上行物理

21、信道示意图上行参考信号-DMRSn用于PUSCH解调n与PUSCH相同带宽n一个时隙一个DMRS符号，放在时域中间n用户之间频分复用lMU-MIMO用户之间通过序列循环移位码分复用上行参考信号-SRSn作用l信道测量，用于调度和链路自适应 主要作用l功控l定时调整n梳状结构l相同频率资源上通过序列循环移位来区分用户n8个循环移位，最多复用8个用户SRS带宽0TCk1TCk上行参考信号-SRS时域位置nCell Spcific配置l周期：小区内所有UE的SRS的最短周期l子帧偏移：小区可用的SRS子帧位置nUE Specific配置l周期：某个UE的SRS周期l子帧偏移：某个UE的SRS的子帧位

22、置n放在子帧的最后一个SC-FDMA符号l可以最大程度的避免与PRACH信道干扰bandwidthtPUCCHPUSCHPRACH1msCPSRS上行参考信号-SRS频域位置（1）n树形结构上行参考信号-SRS频域位置（2）n跳频PUSCH-物理上行共享信道nPUSCH携带的信息携带的信息lCarries the UL-SCHl上行数据l下行链路信道质量信息（RICQIPMI）l下行业务信道的ACKNACK信息nPUSCH占用的资源位置占用的资源位置l频域上，PUSCH避开了PUCCH所占用的带宽l时域上，PUSCH避开了参考信号所占用的OFDM符号PUSCHscsymbMMPUCCH-物理上

23、行控制信道nPUCCH所携带的信息lCarries Hybrid ARQ ACK/NAKsin response to downlink transmissionlCarries Scheduling Request(SR)lCarries CQIPMIRireportsnPUCCH占用的时频资源l采用码分区分UE，PUCCH 1/1a/1 b以CAZAC序列和walsh码进行扩频l格式2/2a/2b使用CAZAC序列进行扩频l在两个时隙上采用跳频方式传输PUCCH 的的格式调制调制每子帧字节每子帧字节数数1N/AN/A1aBPSK11bQPSK22QPSK202aQPSK+BPSK212bQ

24、PSK+QPSK22PRACH-物理随机接入信道n帧结构nPreamble格式nPreamble的生成:l由Prachconfiguration index 配置发射的时间，频率位置由系统消息配置占用6个RB的宽度lFDD每个子帧最多有一次接入机会lTDD一个上行子帧内可在不同的频率资源上有多次接入机会（最多6个）LTE上行传输信道上行传上行传输信道输信道UL-SCH：上行共享上行共享信道信道RACH：随机接入随机接入信道信道支持动态链路自适应；支持波束赋形；支持HARQ；支持动态或半静态资源分配可承载有限的控制信息；支持冲突碰撞解决机制传输信道与物理信道的映射课程内容n物理层概述n无线帧结构

25、n物理资源分配n物理信道和信号n物理层过程物理层过程下行物理层过程-小区搜索n小区搜索用于UE获得跟一个Cell的时间/频率同步，并获取Cell的物理层小区ID。n小区搜索的过程如下：n依赖于主同步信号，UE可以获得5ms的基准时间；n依赖于辅同步信号，UE可以获得帧同步和物理层的小区组；n依赖于参考信号，UE可以获得物理层的小区ID；nUE获得物理层小区ID和帧同步后，UE就可以在BCH上读取系统消息）。下行物理层过程-下行同步预备知识n小区IDl小区ID：共504个，由组ID和组内ID组成，即l组ID：有168个，0167l组内ID：有3个，02n同步信号的时/频位置Cell(sector

26、)下行物理层过程-下行同步过程n同步信号分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）。n同步过程如下：l检测PSS，完成n半帧定时，即获得半帧（5ms）边界n频偏校正n并获得组内ID 利用3条ZC序列区分3个组内IDl检测SSS，完成n长/短CP检测（符号同步）盲检测n帧定时，即获得帧（10ms）边界 SSS由两条短码序列交叉组成，用不同的顺序区分两个半帧n并获得组ID上下行功率控制下行功率控制从RRC的角度看，只需要配置公共信道的发射功率即可，而目前对于公共信道的发射功率是和小区的覆盖半径相关，由网规人员依据链路预算确定，通过后台配置。对于PDCCH、PHICH、PDSCH的功率由MAC层

27、基于用户的无线环境、数据量的大小和剩余功率资源动态决定。上行功率控制用来控制不同上行物理信道的发射功率。功率控制原理与分类开环功率控制 确定UE发射功率的一个起始发射功率，作为闭环功控调整的基础闭环功率控制 eNode B通过测量PUCCH/PUSCH/SRS信号的SINR，然后把SINR和SINRtarget比较决定TPC command(通知的是power step size)，并通过PDCCH通知到UE，决定相应子帧的上行发送信号的发射功率。外环：根据信道环境的变化，调整接收信号的SINR目标值 内环：解决损耗以及远近效应的问题，使接收信号保持固定的SINR上行物理层过程-随机接入n随机

28、接入过程用于下列情况:lRRC_IDLE状态下的初始接入l无线链路出错后的初始接入l切换时进行接入lRRC_Connectedn上行失步时，下行数据到达n上行失步时，上行数据到达n基于竞争的随机接入n适用于上面多列出的几种情况n手机在广播的前导集合中随机选取一个前导码n当两个手机选取同一个前导码时，竞争发生n通过四个步骤完成，第四步用于解决冲突l基于非竞争的随机接入n在切换过程或下行链路数据到达时n手机所用的前导码是由基站分配的n随机接入过程通过三步完成，无须解决冲突基于竞争的随机接入n1.UE在RACH上发送随机接入前缀n2.eNB的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送n3.UE的RRC层产生RRC Connection Request 并在映射到UL SCH上的CCCH逻辑信道上发送n4.RRC Contention Resolution 由eNB的RRC层产生，并在映射到DL SCH上的CCCH or DCCH(FFS)逻辑信道上发送基于非竞争的随机接入1.eNB通过下行专用信令给UE指派非冲突的随机接入前缀（non-contention Random Access Preamble），这个前缀不在BCH上广播的集合中。2.UE在RACH上发送指派的随机接入前缀。3.eNB的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送。