LTE帧结构和协议资料

1、一、协议知识1. LTE帧结构及物理资源基本概念RE/RB/CCE/REG/RBG帧结构Typel : FDD （全双工和半双工）（FDD上下行数据在不同的频带里传输；使用成对频谱）每一个无线帧长度为 10ms，由20个时隙构成，每一个时隙长度为Tslot = 15630 x Ts = 0.5ms 。对于FDD，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，并且有10个子帧可以用于上行传输。上下行传输在频域上进行分开。#0#1#2#18#19< slot 4<Sub-frame >我One radio frame = 10ms帧结构Type2 : TDD （TDD上下行数

2、据可以在同一频带内传输；可使用非成对频谱）一个无线帧10ms，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每一个半帧由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成，DwPTS和UpPTS的长度可配置，要求 DwPTS、GP以及UpPTS的总长度为1ms。7One radio frame =10 ms- One half frame =5 ms 卡 1 ms 一尸J;1:#2#3!iI#7# 8# 9I1 :11i1H11iiDwPTS GP UpPTSDwPTS GP UpPTSDwPTS: Dow nlink Pilot Time SlotGP: Guard Period(

3、GP越大说明小区覆盖半径越大)UpPTS: Uplink Pilot SlotTs = 1 / (15000x2048) sFrame 帧的长度： Tf = 307200 x Ts = 10msSubframe 子帧的长度：Tsubframe = 30720 x Ts = 1msSlot 时隙的长度： Tslot = 15360 x Ts =0.5ms1 Sub-Carrier = 15 kH z;1 TTI = 1 ms => 1 sub-frame => 2 slots (0.5 ms *2)# for one user, min 2 RB allocati on.1 RB =

4、 12 sub-carriers during 1 slot (0.5 ms) =>12 * 15kHz =180kHz (Bandwidth); => 12 * 7 symbols= 84 REs1 RE = 1 sub-carrier x 1 symbol period ( Each symbol is QPSK, 16QAM or 64QAM modulated.)LTE 支持可变带宽： 1.4MHz, 3, 5, 10, 15 和 20MHz一个小区 最少使用 6 个 RB,即最少包含 72 个 sub-carriers: 6 RB * 12 sub-carriers =

5、72 sub-carriers一个小区 最多 支持 110 个 RB，相当于 1320 个 sub-carriers: 110 *12 =1320 sub-carriersCha nnel ban dwidth BW Cha nnel MHz1.435101520Tran smissi on ban dwidth con figurati onNRB615255075100Normal cyclic prefix in dow nli nkExte nded cyclic prefix in dow nli nkSpecial subframe con figurati onDwPTSUpNo

6、rmalcyclic prefix in upli nkPTSExte nded cyclic prefix in upli nkDwPTSUpNormal cyclic prefix in upli nkPTSExte nded cyclic prefix in upli nk06592 Ts2192 Ts2560 Ts7680 Ts2192 Ts2560 Ts119760 Ts20480 Ts221952 Ts23040 T,324144 Ts25600 T,426336 Ts7680 Ts4384 Ts5120 Ts56592 Ts4384 Ts5120 Ts20480 T,619760

7、 Ts23040 仏721952 Ts-824144 Ts-特殊帧格式 5 : DwPTS:GP:UpPTS => (6592Ts -16Ts) : ( 19744TS -16Ts) : 4384TS => 3:9:2特殊帧格式 7: DwPTS:GP:UpPTS => (21952TS -32Ts) : 4384TS : 4384TS => 10:2:2最小分配单位为:2192 TsConfigure TDD:上下行配置（下图） +特殊帧格式（上图） （e.g.: 2:7 1:7）Upli nk-dow nli nkcon figurati onDow nlin k-

8、to-Upli nkSwitch-point periodicitySubframe n umber012345678905 msDSUUUDSUUU1 2:25 msDSUUDDSUUD2 3:15 msDSUDDDSUDD310 msDSUUUDDDDD410 msDSUUDDDDDD510 msDSUDDDDDDD65 msDSUUUDSUUDTDD支持5ms和10ms的周期转换：=> 5ms转换周期：一个帧的上下半帧的特殊帧格式配置相同，=> 10ms转换周期：一个帧分成上下半帧，下半帧的特殊帧为DwPTS=1ms ，用于DL传输（如上图3，4，5所示）RE : Resou

9、rce Element ，称为资源粒子，是上下行传输使用的最小资源单位。RB包含若干个 RE。一个RB由12个 )。1 RE = 1 subcarrier x 1 symbol periodRB : Resource Block ，称为资源块，用于描述物理信道到资源粒子的映射。一个 在频域上的子载波和时域上一个 slot周期构成(1 RB = 12 subcarriers x 1 slot1 个 RB 在频域上对应 180kHz : 1 RB = 12 subcarriers x 15kHz = 180kHz1个RB在时域上对应1个时隙，1 slot =0.5msCCE : Control C

10、hannel Element，称为控制信道粒子，PDCCH在一个或多个 CCE上传输，CCE对应于9个REG，每个 REG 包含 4个 RE，CCE 从 0开始编号。(1 CCE = 9 REGs = 9 x 4 REs = 36 REs )PDCCH format与CCE之间的关系如下图所示：PDCCH formatNumber of CCEsNumber of REGsNumber of PDCCH bits(QPSK)01972121814424362883872576DL : PDSCH/PDCCH/PHICH/PCFICH/PBCH/REG : Resource Element Gr

11、oup，用来定义控制信道到RE 的映射.(1 REG = 4 REs )System Ban dwidth (Number of DL RBs)RBG Size ( P)< 10111 -26227 -6463 (e.g.: 10MHz - 50 RBs)354 -110 (e.g.: 20MHz - 100 RBs)4RBG : Resource Block Group , RBG是连续的PRB的集合，其大小根据系统带宽配置的不同而定，如下图所示:2.下行物理信道及物理信号的功能和占用时频码域位置(PSS/SSS/RS )CP): -ShrrrelTarSymbolsPage 72Lo

12、cation of PBCH for FS2 (normal CP, exteded? Sanchar GmbH2.1 PBCH : Physical Broadcast Channel(物理广播信道)-主要用来传输MIB信息，MIB消息包含：DL带宽信息；PHICH组号；系统帧号SFN -MIB: DL-Bandwidth, PHICH-Config, SFN, # of antennas.-MIB消息的重复周期为 40ms，起始位置为 subfram#0 of SFN mod 4 = 0 。每10ms传递一次 MIB，传递内容一致, 40ms组成一个MIB消息。可实现时间分集，提高UE接收

13、MIB消息时的增益，改善接收质量2.2 PCFICH : Physical Control Format Indicator Channel(物理控制格式指示信道)-用来指示在一个 sub-frame中PDCCH传输的OFDM symbol数量(1, 2 or 3)-在每个 subframe(TTI)的第 1 个 symbol 上进行传递(symbol 0 within each TTI)-承载CFI信息，每TTI占用16个RE资源，即4个REG2.3 PDCCH : Physical Downlink Control Channel(物理下行控制信道)-用于承载DCI信息，包括资源调度分配和

14、其他控制信息，如与DL-SCH和PCH相关的HARQ信息等-PDCCH 在每个subframe的前3个symbol ( symbol 02 )中进行传递，占用个数由PCFICH承载的CFI消息来确定。-PDCCH的大小对应于一个或者多个CCE，如下图所示：PDCCH formatNumber of CCEsNumber of REGsNumber of PDCCH bits01972121814424362883872576-DSS => Dedicated Search Space (for only one UE) & CSS => Com mon Search Spa

15、ce (for several UEs)PDCCH decoding (4/4)2 candidates having SCCEs eachPDCCH foniiatNo. of CCEsUE 1No. of candidates in common search spaceNo. of candidates in dedicated3822 2442126016d search spacePDCCH formatNo. of CCEsUE 2Nd. of camdidate& in common search spisceNo. of candiclates in aedieated

16、 search space38222442126016£0 C Hc<ia Siemni Hmorfs皿匝珂 皿 QIJIi 仙nnKSffl叩叩叩叩叩叩叩叩khjM Ip. -jp.32 CCEs = 1200 subcarrier(20MHz Bandwidth)Dedicated search space (UE2)kF2.4 PDSCH : Physical Downlink Shared Channel(物理下行共享信道)-用于承载DL-SCH信息，传递 SIB信息(SIB消息传递方向：BCCH -> DL-SCH -> PDSCH )-SIB1消息的重复

17、周期为 80ms，初始位置为 subframe#5 of SFN mod 8 = 0 ，在SFN mod 2 = 0 的帧上重复. SIB - System In formation Blocks-SIB1 : Cell Access Info (PLMN, TAC, CID )；小区选择相关信息；TDD相关配置信息；余下SIB的时域调度信息-SIB2 :公共信道的 无线资源配置(PCCH, RACH); freqInfo (ul-carrierFreq, ul-bandwidth);defaultPagingCycle-SIB3 : Cell re-selectio n in formati

18、 on.(In tra/In ter freque ncy or/a nd In ter-RAT cell re-selectio n)-SIB4 : Neighbor cell related info only for Intra-frequency cell re-selection information.-SIB5 : E-UTRAN Inter-frequencycell re-selection information.-SIB6 : UTRAN frequencies and neighboring cell re-selection.-SIB7 : GERAN frequen

19、cies cell re-selection.-SIB8 : CDMA2000 frequencies and neighbouring cell re-selection.-SIB9 : Home eNB.-SIB10 : ETWS primary notification.-SIB11 : ETWS sec on dary notificati on.-如果UE专用参考信号不被传输，使用天线端口集合P =心，61, or i,1,2,3?-如果UE专用参考信号被传输，则使用天线端口P =52.5 PHICH : Physical HARQ Indicator Channel（物理 HARQ

20、 指示信道）-用于承载HARQ的ACK/NACK-在每个 subframe 的第 1 个symbol 上进行传递（symbol 0 of each subframe ）-一个PHICH组对应于3个REG，12个RE资源2.6 PMCH : Physical Multicast Channel（物理多播信道）-目前不支持，无需掌握没有对传输分集方案进行标准化单天线端口传输，使用端口 4 在支持PDSCH和PMCH混合传输的载波上，PMCH不能再子帧0和5中传输下行物理层信号：对应于一系列物理层使用的 RE，这些RE不传递任何来自高层信息注：物理信号都由ZC序列生成，每一个子载波占用一个ZC序列的

21、符号。SSS和PSS同步信号内容固定，重复发送，不承载任何上层信息，是UE在进行小区搜索时第一个要找的信息。UE进行盲检搜索同步信号，目前只支持Normal CP的格式。2.7 PSS : Primary Synchronization Signal（主同步信号）-频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc-在第 2个subframe 的第 3个symbol 中进行传递（subframe 1 or 6, symbol 2）-指示一个物理小区组内的id : Physical-layer id : 0, 1, 2 （3个）2.8 SSS : Sec on dary Syn chro ni zati

22、on Sig nal（辅同步信号）-频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc-在第1个subframe的最后1个symbol中进行传递（subframe 0 or 5, symbol 6 ）在subframe 0和5中的SSS结构相 同，但是在频域上错开，以区别前5ms或后5ms的半帧。-指示物理小区组号：Physical-layer cell-id group : 0167 （ 168 个）-Total cell IDs: 168 x 3 = 504 cell IDs. （0503）RS : Referenee Signal（参考信号）（every slot, symbol 0&4

23、）用于下行信道估计，信道质量测量以及相关解调，对UE来说是已知信号（RS信号与小区physical id有关，这个在小区搜索过程中的同步信号中获得）频域上：每6个子载波分配一个 RS时域上：每个slot的symbol 0&4用来传递RS， symbol 0和4之间有3个SC的间差，用于时频域分集。多天线传输情况下，天线端口集合与参考信号配置之间的关系：，.Cell-specific RS, non-MBSFN transmission =>P = 00,11 or '0,1,2,3;MBSFN RS, associated with MBSFN tran smissio

24、n =>P = 4UE-specific RS. => P = 5 （用于 BF 技术）3. 上行物理信道及物理信号的功能和占用时频码域位置（UL : PUSCH/PUCCH/PRACH/ SRS/DMRS )PRACH slotDuration( e.g. 1ms)Duration( e,g. 1ms)<>（物理上行共享信道）PUSCH : Physical Uplink Shared Channel Carries the user data from UL-SCH.Carries L1/L2 control in formation : ACK/NACK, CQI

25、, PMI, RI (Ra nk In dicator)PRACHPRACHbandwidthbandwidth(1.08MHz)(1.08MHz)TimePUCCH : Physical Uplink Control Channel(物理上行控制信道)PUCCH承载上行控制信息(UCI )，不与PUSCH同时传输，处于上行带宽的边缘，在 TDD中不在UpPTS域上传输 UCI信息包括以下4部分：Scheduli ng Request (SR). CQI and Scheduli ng Requests are provided to Layer 2.HARQ ACK/NACK for DL

26、tra nsmissio n;CQI reports.PMI reports.3.1 PRACH : Physical Random Access Channel -Carries the ran dom access preamble.-PUCCH具有6种格式，1系列承载SR和ACK/NACK信息，2系列承载CQI/PMI信息，如下图所示：PUCCH formatModulation schemeNumber of bits per subframe, M bitType of information1N/AN/AScheduling Request (SR)1aBPSK1ACK/ NACK

27、1bQPSK2ACK/ NACK2QPSK20CQI/PMI/RI2aQPSK+BPSK21CQI/PMI + 1 bit ACK/ NACK2bQPSK+QPSK22CQI/PMI + 2 bits ACK/ NACK（物理随机接入信道）PRACH Preamble :-频域：6 RB x 180kHz =1.08 MHz-时域：1ms / 2ms / 2 symbols ( UpPTS )-随机接入前导由具有零相关区的ZC (Zadoff-Chu )序列产生，有一个或多个根ZC序列产生。每个小区中包含64个可用的前导。-PRACH 共有5种结构(04 )，目前支持 Format 0, 1

28、& 4 :PRACH Formats and cell rangesCELL RANGE103 ps100 |jsFormat 0Format 1Preamble684 ps520 us-14 Km77 Km1600 psFormat 2CPPreamblePreamble29 Km3 ms1600 ”Format 3CPPreamblePreamble100 KmFormat 4TDD only, in Up PTS一 1.4 Km丁 1© Mckia Siemens- Nei worksRACH :-FDD需要额外配置一个 GP( Guard Period )以适应RTD

29、( Round Trip Delay )，在TDD的特殊帧中已包含这个 GP-FDD在一个子帧中只能分配一个RACH资源，而TDD可以分配多于一个的随机接入资源-TDD模式下，在UpPTS中，可以调度Short RACH ( S-RACH )，与GP结合使用，最多可配置 6个RACH。DwPTSGPUpPTSRACK allocationkJDwPT5 Downlink Riot time SlotUpPSS： Uplink Pilot Time SlotMax 6 RACH cha nrwls随机接入过程：-基于竞争的随机接入过程：如 UE初始接入上行物理层信号：指物理层使用的但是不承载任何

30、来自高层信息的信号，如参考信号。3.2 DRS/DMRS : Demodulation Referenee Signal-与上行数据传输有关，both PUSCH and PUCCH 。（解调用参考信号）-用于信道评估，对 PUSCH和PUCCH信道的连续检测和解调，上行功率控制，时间评估等？ ？ -DRS在时域上的分配：o PUSCH:每个 slot 的第 4th 个symbol （ symbol 3 in every slot ）o PUCCH: DRS 由 PUCCH 的格式来决定（1/1a/1b 或者 2/2a/2b） -DRS在频域上的分配：o PUSCH: DRS与终端的上行传输具

31、有同样的带宽。o PUCCH:如下图所示1 subframe = 5 msTimeACKACKDRSDRSDRSACKACKACKACKDRSDRSDRSACKACKCQID尺SCQICQICQIDRSCQICQIDRSCQICQICQIDRSCQI0123ACK = AcKnowledgmentCQI = Chann创 Quality Indicator DRS = Demcdulati on Reference Signal3.3 SRS : Sounding Referenee SignalSymbol number (normal CP)探测用参考信号）=> 与PUSCH和PUC

32、CH无关与上行数据传输无关，可用于评估上行信道质量，实现以下功能：初始化 MCS （ Modulation and Coding Scheme）选择数据传输的功率控制TA （ Timing AdvaneeUL频率的独立调度（SRS tran smitted in the)Freque ncy depe ndent seheduli ng for the UL )last SC-FDMA symbol in the eon figured subframes.在TDD模式中，UpPTS也可用作传递 SRS4. 逻辑信道、传输信道与物理信道的映射关系:4.1逻辑信道（7）RLCOSTenLogic

33、al channelsN口 TCHonoxTransport channels |Q Fi弘u Sfanens heiwrksRAOHAir interfaceAMQhld S*«n*THi5. MIMO tech nology-Two kinds of MIMO tech ni ques for DL tran smissi ono Transmit diversity -use multiple channels to sendthe same informationstreamImprove coverage and robust ness of data tra nsmiss

34、i ono Spatial multiplexing-use multiple channels to send multiple informationstreamsIn crease throughputSU-MIMO/ MU-MIMO6. PDSCH下行资源分配方式(TypeO/1/2 ); Type 0: PDCCH DCI formats 1,2 and 2ARBs are grouped to RBG. RBGs are selected.System Ban dwidth (Number of DL RBs)RBG Size ( P)< 10111 - -26227 -64

35、63 (e.g.: 10MHz - 50 RBs)364 -110 (e.g.: 20MHz - 100 RBs)4Type 1: PDCCH DCI formats 1,2 and 2ARBs are grouped to RBG subset. First select one RBG subset, the n select the RBs in the RBG subset. RBG subset的值(P )与TypeO中RBG的定义一致。F -1Log2(P)RBG subsetsRB assig nmentType 2: PDCCH with DCI format 1A, 1B,

36、1C and 1D Start RB and width is assigned.7. DCI FormatDCI: Dow nli nk Con trol In formation (ref. 36.212) => Carriered by PDCCH一个DCI传递上下行调度信息，或者针对一个RNTI的上行功率控制命令DCI FormatUse scopeDCI 0zor the scheduli ng of PUSCH(For Upli nk only)DCI 1zor the scheduling of one PDSCH codeword,TM1,2 and 7 (Type0,

37、1)DCI 1Azor the compact scheduli ng of one PDSCH codeword and ran dom access procedure in itiated by a DDCCH order, TM17 (Type 2)DCI 1Czor very compact scheduli ng of one PDSCH codeword(Type 2)DCI 2zor MIMO (e.g.: CL MIMO),TM4 (Type0, 1)zor the scheduli ng of on e/two PDSCH codeword TPC comma nd for

38、 PUCCHDCI 2Azor MIMO (e.g.: OL MIMO),TM3 (Type0, 1)zor the scheduli ng of on e/two PDSCH codeword TPC comma nd for PUCCH* Format 0:用于上行传输，PUSCH的调度- Flag for formatO/format1A differe ntiati on - 1 bit,0=>format 0 and 1=>format 1A- Resource block assig nment and hop ing resource allocati on- Mod

39、ulati on and cod ing scheme- HARQ in formati on and redu ndancy vers ion- TPC comma nd for scheduled PUSCH -2 bits-CQI request Tbit* Format 1:用于传输分集，单码字PDSCH 的调度(Used for the scheduling of single codeword PDSCH)(TM1,2, and 7-not support)- Resource allocati on type, e.g.: type 0 / type 1-1bit- Resour

40、ce block assig nment- Modulati on and cod ing scheme-5 bits- HARQ process n umber-4 bits- TPC comma nd for PUCCH 2 bits* Format 1A:用于下行传输，单码字PDSCH调度，下行数据触发随机接入过程，适用所有TM传输模式。=>Compact scheduli ngof one PDSCH codeword and ran dom access procedure in itiated by a PDCCHorder (为UE分配一个非竞争随机接入的特定preambl

41、e).- Flag for format0/format1A differe ntiati on - 1 bit,0=>format 0 and 1=>format 1A- Resource block assig nment- Modulati on and cod ing scheme-5 bits- HARQ in formation4 bits- TPC comma nd for PUCCH 2 bits« Format 1B: Compact scheduli ng of one PDSCH codeword with precodi ng in formati

42、 on. Closed loop precod ing with rank-1 transmission. （TM6,目前不支持，不需要掌握）« Format 1C: Very compact scheduling of single codeword PDSCH.（Paging, SIB,系统广播信息 ？）- Resource block assig nment- Modulati on and cod ing scheme- Redu ndancy versi on« Format 1D: Compact scheduli ng of one PDSCH codewor

43、d with precodi ng and power offset in formati on. （us ing Multi-user MIMO, TM5,目前不支持）«Format 2: For MIMO （Closed-Loop），两码字，下行PDSCH调度（闭环模式，TM4，需要上报PMI信息）«Format 2A: For MIMO （Open-Loop），两码字，下行PDSCH 调度（开环模式，TM3）« Format 3/3A: Tra nsmissio n of TPC comma nds for PUCCH and PUSCH with 2-bi

44、t or 1-bit power adjustme nts8. LTE相关接口的控制面和用户面协议栈Radio in terfaceControl Pla ne:User Pla ne:PHY: L1 协议，Data Tran sfer via Tran sport Chann els. Error Detecti on. Hybrid ARQ Combi ning. Channel Coding and Rate Match ing. Modulati on and Demodulati on.（发送分集），Beamformi ng （波速成型）Measureme nts.MIMO （多进多

45、岀），Tra nsmit Diversity RF Process ing.MAC: L2协议，主要实现与调度和HARQ相关的功能Data Tran sfer via Logical Chann els. 逻辑信道和传输信道之间的映射UE之间以及一个 UE在不同逻辑信道之间的资源分配和调度 传输格式选择HARQ纠错功能S1 in terfacesUser Pla ne (eNB-S-GW):上层PDU数据传输：TM （透明模式），UM （非确认模式），AM （确认模式）数据传输ARQ纠错功能（CRC检验由物理层完成）串联，分段及重分段功能顺序传送上层数据以及重复检测功能PDCP: L2协议，提

46、供 ROHC可靠头压缩功能，以及加密和完整性保护功能RRC: L3协议，提供广播、寻呼、 RRC连接管理、无线承载控制、移动性、UE测量上报和控制功能等功能NAS:非接入层控制协议，主要实现以下功能SAE承载管理鉴权LTE-IDLE状态下的移动性管理 产生LTE_IDLE状态下的寻呼消息 安全控制Control Pla ne (eNB-MME):S1-APUser pla ne PDUsX2-AP9.LTE相关流程9.1Call Setup 呼叫流程9.2Cell Selectio n小区搜索过程9.3Ran dom Access随机接入过程-In itial access from RRC_

47、IDLE;- RRC Conn ecti on Re-establishme nt procedure;- Han dover;- DL data arrival duri ng RRC_CONNECTED requiri ng ran dom access procedure;-E.g. whe n UL syn chro ni sati on s tatus is “ nsynchro ni sed ”；- UL data arrival duri ng RRC_CONNECTED requiri ng ran dom access procedure;- E.g. when UL syn

48、chronisation status is "non-synchronised" or there are no PUCCH resources for SR available.Contention based (applicable to all five events):Non-contention based (Handover & DL data arrival):UEeNBRandom Access PreambleRandom Access ResponseScheduled TransmissionContention ResolutionUEeN

49、BRA Preamble assignmentRandom Access PreambleRandom Access Response9.4 RRC conn ection establish procedure RRC连接建立过程-SRB: Sig nalli ng Radio Bearer仃 ra nsmissio n of RRC&NAS messages.)o SRB0: for RRC msg, using CCCHo SRB1: for RRC & NAS (before SRB2 established) msg, usingDCCH .o SRB2: for NAS msg, usi ng DCCH . Con figured after security activation together with DRB.-DRB: