LTE移动通信系统第6章 LTE小区搜索.ppt

6.1小区搜索流程6.2同步信号时频结构6.3同步序列设计6.4SCH/BCH发送分集6.5本章小结,6.1小区搜索流程6.2同步信号时频结构6.3同步序列设计6.4SCH/BCH发送分集6.5本章小结,若终端要接入到LTE系统，必须首先进行小区搜索过程。小区搜索过程就是终端与小区取得时间和频率同步，并检测小区标识的过程。终端只有在确定时间和频率参数后，才能实现对下行链路信号的解调，并传输具有精确定时的上行链路信号。LTE的小区搜索过程与3G系统的主要区别是它能够支持不同的系统带宽(1.420MHz)。,终端至少需要获得下面的系统信息：,小区的整个发送带宽；小区ID当SCH没有直接给出帧同步信息时(SCH可以在每个无线帧发送一次或多次)，终端需要得到无线帧的同步信息，终端需要得到无线帧的同步信息,小区搜索流程,小区天线配置信息(发送天线数)BCH带宽的信息(可以定义多个BCH发送带宽)与SCH或BCH有关的子帧CP长度信息,小区搜索流程,小区搜索流程,在LTE系统中，需要识别3个主要的同步：符号定时的捕获，通过它来确定正确的符号起始位置，例如设置FFT窗口位置；载波频率同步，需要它来减少或消除频率误差的影响，其频率误差是由本地振荡器在发射端和接收端间的频率不匹配和终端移动导致的多普勒偏移造成的；采样时钟同步,小区搜索基本流程,终端与LTE网络能够进行通信之前，首先需要寻找网络中的一个小区并获取同步。然后需要对小区系统信息进行接收和解码，以便可以在小区内进行通信和其它正常操作。一旦系统信息被正确解码，终端就可以通过所谓的随机接入过程接入小区。,小区搜索基本流程,终端不仅需要在开机时进行小区搜索，为了支持移动性，还需要不停地搜索相邻小区，取得同步并估计该小区信号的接收质量，相邻小区的接收质量与当前小区有关，之后进行评估，从而决定是否需要执行切换(当终端处于连接模式)或小区重选(当终端处于空闲模式)。,小区搜索基本流程,LTE的小区搜索过程可归纳为如下两种情况：初始同步：凭借初始同步，终端检测LTE小区并对所有需要登记的信息进行解码。例如，当终端接通或失去与服务区的连接时，需要进行初始同步。新小区识别：当终端已经连接到LTE小区且正在检测新的相邻小区时，执行新小区识别。在此情况下，终端向服务区上报新小区相关的测量，准备切换。这种小区识别是周期性重复的，直到服务区质量重新满足，或终端移动到另一小区为止。,小区搜索基本流程,两种情况中，同步过程采用了两种专门设计的物理信号，在每个小区上进行广播，它们分别是主同步信号(PSS，PrimarySynchronizationSignal)和辅同步信号(SSS，SecondarySynchronizationSignal)。这两种信号的检测不仅使时间和频率同步，而且提供终端物理层小区标识(ID)和循环前缀长度，通知终端该小区所使用的是频分双工(FDD)还是时分双工(TDD)。,小区搜索基本流程,终端在初始同步过程中除检测同步信号外，还对物理广播信道(PBCH)进行解码，从而得到关键系统信息。终端在新小区识别过程中不必对物理广播信道进行解码，它只是基于来自新检测小区的参考信号进行信道质量等级测量，并上报给服务小区。,小区搜索基本流程,小区搜索和同步过程可概括如下图所示，该图表示了终端每个阶段所确定的信息，RSRP表示参考信号接收功率(ReferenceSignalReceivedPower)，RSRQ是参考信号接收质量(ReferenceSignalReceivedQuality)。,小区搜索基本流程,一旦终端捕获到帧定时和物理层小区标识，就可以确定小区特定参考信号，并可以开始进行信道估计。之后，它可以对携带最基本系统信息的广播信道进行解码。如果是识别相邻小区，终端并不需要解码PBCH，而只需要基于最新检测到的小区参考信号来测量下行信号质量水平，以决定是进行小区重选还是切换。此时终端会通过参考信号接收功率(RSRP)将这些测量结果上报给服务小区，决定是否进行切换。,小区选择是移动终端选择合适的小区并向其发起注册的过程，终端进行小区选择与重选即确定驻留在哪一个小区的过程。小区(重)选择的过程中需要考虑每种使用无线接入技术(RAT)中每一个适用的频率、无线链路质量和小区状况等。,小区选择过程,小区选择过程,小区选择过程可分为两种情况：初始小区选择和基于存储信息的小区选择。初始小区选择是终端没有关于载波的任何先验信息情况下的小区搜索，这时终端要在全频段进行扫描，通过其自身能力找到一个合适的小区。在每一个载波频率上，终端只需要搜索信号最强的小区，当满足小区选择准则(如下面要介绍的S准则)后，即可以选择该小区进行驻留。,小区选择过程,基于存储信息的小区选择过程是终端已经存储了载波的相关信息情况下的小区选择，由于终端存储的载波相关信息可能包含一些小区参数信息，这可以从以前接收到的测量控制信息或者先前检测到的小区得到。一旦发现一个合适的小区，终端就会选择这个小区。如果存储相关信息的小区都不合适，终端将发起初始小区选择过程。,小区选择过程,(1)小区选择准则(S准则)小区选择过程中，终端需要对将要进行选择的小区进行测量，以便进行信道质量评估，判断其是否符合驻留的标准。终端能正常驻留到一个小区的一个基本条件是该小区可以提供满足S准则的服务水平，即只有在一个小区的测量结果满足如下的S准则时，才有可能成为小区选择和重选目标小区。,小区选择过程,小区选择遵循的S准则如下：,小区选择过程,小区选择过程,(2)小区驻留条件在LTE蜂窝通信系统中，当终端未驻留任何小区时，终端要在所有支持的载频和无线接入技术(RAT)中搜索信号最强的小区，并选择该小区进行驻留。小区驻留必须满足以下四个条件：小区属于所选的陆上移动通信网(PLMN)或者非接入层(NAS)提供的其他允许的PLMN；所选驻留小区不属于被禁止的漫游跟踪区域；所选驻留小区不阻止；所选驻留小区满足S准则。,小区选择过程,(3)小区重选当终端驻留到合适小区，停留时间达到特定值后，就可以进行小区重选。该过程是指终端通过监测邻区和当前小区的信号质量以选择一个最好的小区提供服务信号。在频率和无线接入技术间的小区重选是主要基于绝对优先级。因此终端首先评估基于优先级的所有无线接入技术的频率。然后，终端根据一定的排序准则，根据无线链路质量来比较在所有相关频率上的小区。最后，一旦重选小区，终端验证该小区的可接入性。,6.1小区搜索流程6.2同步信号时频结构6.3同步序列设计6.4SCH/BCH发送分集6.5本章小结,同步信号时频结构,下行同步信号用于支持物理层小区搜索，实现用户终端对小区的识别和下行同步。LTE物理层的同步信号主要包括主同步信号和辅同步信号。对于TDD和FDD而言，主同步信号和辅同步信号的结构是完全一样的，但在帧中时域位置不同。,同步信号时频结构,图6.2FDD方式在时域上的PSS和SSS帧和时隙结构,图6.3TDD方式在时域上的PSS和SSS帧和时隙结构,同步信号时频结构,假设信道相干持续时间远大于一个OFDM符号周期，这种设计可利用主同步信号和辅同步信号的相关性进行相干检测。在特定小区里，主同步信号在每个发送它的子帧里是相同的，而每个无线帧里的两个辅同步信号对于每个无线帧会以指定的方式变化发送，这样使得终端可以识别10ms无线帧的边界位置。,同步信号时频结构,图6.4小区搜索各步骤的频域位置,简化的终端处理过程,同步信号时频结构,在频域上，主同步信号和辅同步信号到子载波上的映射如图6.5所示。主同步信号和辅同步信号在中心6个资源块内传输，同步信号的频域映射不随系统带宽(从6110个资源块的变化范围)变化，这使得终端在没有任何带宽分配的先验信息情况下与网络同步。较短的同步序列也避免了在TDD系统中与上行链路参考信号相关性较高的可能性，该参考信号与辅同步信号是同类序列。,同步信号时频结构,图6.5同步信号PSS/SSS频域结构,对在基站中使用的多天线技术来说，主同步信号和辅同步信号在任何特定的子帧总是从相同的天线端口传输，但在不同的子帧间从不同的天线端口传输，这可得到天线时间切换增益。,6.1小区搜索流程6.2同步信号时频结构6.3同步序列设计6.4SCH/BCH发送分集6.5本章小结,主同步信号序列,主同步信号序列,Zadoff-Chu序列为CAZAC序列(ConstantAmplitudeZeroAuto-Corelation，恒包络零自相关序列)的一种，具有CAZAC序列的全部特性。包括：恒包络特性，即长度不定的ZC序列峰值幅度是恒值；自相关特性，即任意长度的ZC序列经过非周期移位后，与未经过移位的ZC序列不相关；,主同步信号序列,互相关特性，即两个不同的ZC序列之间的互相关和部分相关值约等于零；低峰均比特性，即任意ZC序列的峰值与此ZC序列的均值比值很低；傅里叶变换后仍然是ZC序列，即任意长度的ZC序列经过DFT或者IDFT后依然为ZC序列。,辅同步信号序列,辅同步信号序列是频域长度为62的二进制实数序列(频域实数序列对应时域对称的结构，可用自相关的方法进行搜索)，10ms无线帧中的两个辅同步符号采用不同的序列，包含168种组合，在主同步信道的基础上，指示168个物理层小区组标识。采用2个长度为31的序列()的交织连接，10ms中的两个辅同步时隙采用不同的序列，即,辅同步信号序列,辅同步信号序列,每个辅同步信号序列由频域上两个长度为31的BPSK调制辅助同步码交错构成，即SSC1和SSC2，序列映射如图6.6所示。,图6.6SSS序列映射,系统信息,在LTE中，系统信息通过依赖于两种不同传输信道的两种不同机制进行发送：有限数量的系统信息，对应所谓的主信息块(MIB)，采用BCH进行传送；系统信息的主要部分，对应所谓的系统信息块(SIB)，采用下行链路共享信道进行传输。需要注意的是，MIB和SIB中的系统信息都对应到BCCH逻辑信道。因此，BCCH可基于确切的BCCH信息映射到广播信道和下行共享传输信道。,系统信息,MIB包含下列信息。有关上行链路和下行链路小区带宽的信息，MIB中可用4比特来指示下行链路带宽；有关该小区PHICH配置的信息，终端必须获知PHICH配置信息以便能够接收PDCCH上的L1/L2控制信令；系统帧号(SFN)包含MIB中除了SFN的最后两个最不重要比特之外的所有比特。如下所述，终端可以间接地从BCH解码中获知SFN中的两个最不重要的比特。,系统信息,BCH物理信道处理如信道编码和资源映射，与下行共享传输信道的相关处理和映射具有显著的差别。,BCH采用与PDCCH控制信道相同的1/3速率尾比特卷积码。由于广播信道的传输块比其它信道小，因此广播信道采用卷积编码，而没有采用其他传输信道所使用的Turbo编码。对于这样的小传输块，尾比特卷积编码的性能要优于Turbo编码。,系统信息,信道编码之后紧随的是速率匹配，实际上是对编码比特的重复以及比特级加扰。之后将四相相移键控(QPSK)应用到经过编码和加扰的BCH传输块。,与其他下行链路传输信号不同，如图6.7所示，广播信道的映射不是以资源块为单位的，而是将广播信道映射到子帧0的第二个时隙内的正数第四个符号中，并且只占用72个中心子载波。因此，TDD模式下，广播信道紧跟在子帧0的主同步信号和辅同步信号之后。相关的资源元素不能用于下行共享传输信道传输。,系统信息,广播信道上的MIB只包含了有限的系统信息。而系统信息的主要部分被包含在通过下行共享传输信道传输的不同系统信息块(SIB)中。LTE定义了从SIB1到SIB17的17种不同系统信息块，而这些SIB的特征是通过包含在其中的信息类型所体现的，如表6.3所示。,系统信息,系统信息,与MIB类似，SIB也是被重复广播的。SIB代表了传输的基本系统信息。之后不同SIB被映射到不同系统信息消息(SI)上，SI对应下行共享传输信道上传输的实际传输块，遵循以下限制：映射到相同SI的SIB带有相同的传输周期。例如，带有发送周期为320ms的两个SIB可以被映射到相同SI，而一个带有160ms发送周期的SIB必须映射到不同SI。映射到一个SI的信息比特总数不能超过一个传输块所能传输的极限。,系统信息,图6.8SIB到SI映射实例,总体上说，除SIB1外，SIB到SI的映射是灵活的，并且不同网络中甚至同一网络中可能是不同的。如图6.8所示为一个SIB到SI映射实例的示意图。,系统信息,原则上每个SI可以在定义好起点和长度的时间窗内的任何子帧中传输，对于其他SI，下行共享传输信道上的调度更为灵活。每个SI时间窗的起点和长度是在SIB-1中提供的，如图6.9所示。,图6.9SI传输的时间窗,系统信息,与广播信道情况类似，经历良好信道条件的终端可以在只接收了编码SI映射子帧之一后就对整个SI进行解码，而位于较差位置的终端需要在接收更多子帧后才对该SI进行正确解码。该方法具有两个优点：与广播信道解码类似，经历良好信道条件的终端需要接收较少子帧，这意味着可以降低终端功率消耗。与Turbo编码相比，采用更大码块会带来更大的信道编码增益。,6.1小区搜索流程6.2同步信号时频结构6.3同步序列设计6.4SCH/BCH发送分集6.5本章小结,SCH/BCH发送分集,天线切换是分集技术的一种，即发端拥有多根发射天线，依照一定的规律，如时间或者频率，在天线中进行数据信息的传输。若把时间当作不同天线切换的标准，这种方法就叫做时间切换传输分集(TSTD，TimeSwitchedTransmitDiversity)；若把不同子载波当作不同天线进行切换的标准，这种方法叫做频率切换传输分集(FSTD，FrequencySwitchedTransmitDiversity)。图6.10为这两种切换方式的示意图，其中天线数为2。,SCH/BCH发送分集,图6.10天线切换分集示意图,SCH/BCH发送分集,SCH/BCH发送分集,SCH/BCH发送分集,在多天线情况下，LTE确定主同步信道和辅同步信道采用预编向量切换技术进行发射分集操作。