LTE物理层介绍

1、TD-LTE物理层结构介绍课程目标 掌握LTE物理层帧结构 了解物理资源分配 了解物理信道及信号的功能 掌握物理层过程课程内容n网络结构与关键技术网络结构与关键技术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3GPP协议版本Page4LTE系统结构：扁平化Page5HLRSGSN /GGSNMSCServerMGWIP / ATM回传网NodeBNodeBNodeBUEUEUERNCIu接口接口Iub接口接口IP承载网HSSSGWMMEIMSeNodeBeNodeBeNodeBPGWLTE系统结构：扁平化 (续)Page6eNodeBMME/S-GWMME/S-GWX2X2X2S1S

2、1S1S1E-UTRANeNodeBeNodeB核心网核心网Page7LTE主要设计目标：三高、两低、一平三高三高 高高峰值速率峰值速率：下行峰值100Mbps，上行峰值50Mbps 高高频谱效率频谱效率：频谱效率是3G的35倍 高高移动性移动性：支持350 km/h（在某些频段甚至支持500km/h）两低两低 低低时延时延：控制面 IDLE -ACTIVE: 100ms，用户面传输: 1Gbps/Page21 频谱效率提升技术：频谱效率提升技术： OFDM（正交频分复用）（正交频分复用）Page22频谱效率提升关键技术：OFDM单载波单载波lOFDM：正交频分复用（Orthogonal Fr

3、equency Division Multiplexing)l多采用几个频率并行发送，以实现宽带的传输lOFDM系统中各个子载波相互交叠，互相正交，从而极大地提高了频谱利用率frequencyfrequencyfrequency传统多载波传统多载波OFDM OFDM系统中各个子载波相互交叠，互相正交，从而极大的提高了频谱利用率OFDM优点1频谱利用率高Page23工信部电信研究院-TD-LTE无线关键技.frequencyOFDM频谱传统FDM频谱 如果某频点衰落较大，可以将用户调度到其它子载波上OFDM优点2对抗频率选择性衰落某UE可用频率某UE不用的频率或低MCS频率资源分配图：深衰落频率

4、选择性衰落Page24OFDM不足1对频率偏移特别敏感 解决方法：LTE使用频率同步解决频偏问题Page25OFDM不足2峰均比(PAPR)高 OFDM系统中由于载波数较多，多载波叠加后PARP比较大Page26l解决方法：下行使用高性能功放，上行使用DFT-S-OFDM技术Page27下行多址技术：OFDMA OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA 是一种资源分配粒度更小的多址方式，同时支持多个用户子载波 TTI： 1ms 频域 时域 用户 1 用户 2 用户 3 系统带宽 子频段：12个子载波 上行多址技术：SC

5、-FDMA Page28 为克服高PAPR对UE功放的限制，LTE的上行采用多址接入技术为SC-FDMA（上行子载波必须连续分配）OFDMA与SC-FDMA的对比课程内容n网络结构与关键技术n无线无线帧结构帧结构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-FDD 每个10ms无线帧被分为10个子帧 每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms Ts=1/(1500*2048) 是基本时间单元 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

6、#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 = 307200 Ts = 10 ms无线帧结构-TDD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个特殊子帧组成特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1ms支持5ms和10ms上下行切换点子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送TD-LTE子帧配置配置切换时间间隔子帧编号012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUU

7、D25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD65msDSUUUDSUUDPage33特殊子帧的时隙配置特殊子帧配置普通CP扩展CPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS03101381194183121031921311211011412118725392822693291271022-81112-Page34TDD与FDD帧结构比较课程内容n网络结构与关键技术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

8、 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PDC

9、CH占用的符号数决定CP，子载波间隔和OFDM符号 CP，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RE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 不同带宽对应的RB数 占用带宽 = 子载波间隔 x 每RB的子载波数 x RB数 子载波间隔 = 15KHz 每RB的子载波数 = 12 备注: 当前协议中，最大RB数为100信道带宽信道带宽(MHz)1.435101520RB数数615255075100

10、实际占用带实际占用带宽宽(MHz)1.082.74.5913.518RBG的概念 RBG用于服务信道的资源分配 RBG 由一组RB组成 RBG的个数与系统带宽相关464 110327 63211 26110(P)RBG 个数个数系统带宽DLRBN课程内容n网络结构与关键技术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-物物理控制格理控制格式指示信式指示信道道PBCH-物理物理广播信道广播信道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

11、-下下行物理控行物理控制信道制信道PHICH-物物理理HARQ指指示信道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RSP（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TDD下行物理信道时频示意图下行同步信号 LTE 同步信号 PSS (Primary Synchronization signal) SSS (Secondary Synchronization signal) 同步信号的作用 小区ID（共504个）

12、，由组ID和组内ID组成，分成168组，每组3个 获得小区ID: 通过检测PSS和SSS来获得小区ID SSS:与小区ID组 一一对应,范围0-167 PSS:与组内ID号 ,范围0-2 小区ID: 定时同步: 在检测PSS和SSS的过程中获得5ms定时和10ms定时 PSS: 5ms 定时同步 SSS: 10ms定时同步 FDD/TDD系统识别，常规CP/扩展CP识别同步信号时频位置 时、频位置 频域位置： 时域位置 5ms周期同步过程P-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。 同步过程通过2步完成，即 首先检测PSS，完

13、成： 半帧定时，即获得半帧（5ms）边界， 频偏校正， 并获得组内ID 利用3条ZC序列区分3个组内ID 然后再检测SSS，完成： 长/短CP检测（符号同步） 盲检测 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 并获得组ID下行参考信号下行参考信号作用 信道估计，用于相干解调和检测，包括控制信道和数据信道 信道质量的测量，用于调度、链路自适应 导频强度的测量，为切换、小区选择提供依据考虑因素 图样时、频密度时域：导频间隔小于相干时间频域：导频间隔小于相干带宽 序列相关性序列数量复杂度下行参考信号分类 小区专有导频（ Cell-specific DL

14、 RS，CRS ） Tx port 03 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） 对应非MBSFN传输 MBSFN导频 Tx port 4， 用于解调多播业务 对应MBSFN传输 UE专有导频 Tx port 5，专用RS（DRS） 用于传输模式7的数据解调下行物理信号 小区专用参考信号 参考信号映射初始位置与小区ID，RB序号，天线端口号，OFDM符号序号等有关。Normal CP，Cell ID=0时Extend CP，Cell ID=0时下行物理信号 UE专用参考信号 在普通子帧中发送，该信号以用户为单位，高层指示是否发送了该信号并且是否用作终端

15、下行数据解调。 仅在承载该用户数据的资源块上传输，天线端口5发送。常规 CP 15kHz扩展 CP 15kHzPBCH-物理广播信道 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 在PBCH的CRC校验时，附加了天线数目信息 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 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。 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

16、号数通知给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）。 PCFICH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。 分集方式 空域分集：SFBC 频域分集：4个REG均匀的分布在整带宽PHICH-物理HARQ指示信道PHICH承载eNodeB对上行发射信号做出的NAK/ACK响应信息PHICH可以占1、2、3个OFDM符号编码过程 一个ACK/NACK bit进行三次重复 4（短CP）或2（长CP）倍扩频信道映射过程 一个（短CP）或二个（长CP）PHICH

17、组占3个REG （ 12个子载波） 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； 采用先时域再频域的映射分集方式：SFBCPDCCH-物理下行控制信道PDCCH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。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，通过集成不同数目

18、的CCE可以实现不同的PDCCH编码码率。PDCCH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）典型的分组型信道,资源不独占 为了减少VoIP时延，PDSCH也支持semi-persistent方式可以传寻呼/广播（非PBCH里传输）/用户数据通过速率控制保证QoS 支持QPSK,

19、16QAM, 64QAM三种调制方式HARQ 异步/自适应两种资源映射方式 Localized：不跳频 调频增益 Distributed：跳频 频域分集增益下行物理信道映射BCCHPCCHCCCHDCCHDTCHMCCHMTCHPCHDL-SCHMCHBCHPBCHPDSCHPMCH逻辑信道传输信道物理信道PDCCH课程内容n网络结构与关键技术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上行物理信道和信号行物理信道和信号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

20、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 )上行物理信道示意图上行参考信号-DMRS用于PUSCH解调与PUSCH相同带宽一个时隙一个DMRS符号，放在时域中间上行参考信号-SRS 作用 信道测量，用于调度和链路自适应 主要作用 功控 定时调整 梳状结构 相同频率资源上通过序列循环移位来区分用户 8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 Cell Spcific配置 周期：小区内所有UE的SRS的最短周期 子帧偏移：小区可用的SRS子帧位置 UE Speci

21、fic配置 周期：某个UE的SRS周期 子帧偏移：某个UE的SRS的子帧位置 放在子帧的最后一个SC-FDMA符号 可以最大程度的避免与PRACH信道干扰bandwidthtPUCCHPUSCHPRACH1msCPSRSPUCCH-物理上行控制信道PUCCH所携带的信息 Carries Hybrid ARQ ACK/NAKsin response to downlink transmission Carries Scheduling Request (SR) Carries CQIPMIRireportsPUCCH占用的时频资源 采用码分区分UE，PUCCH 1/1a/1 b以CAZAC序列和

22、walsh码进行扩频 格式2/2a/2b使用CAZAC序列进行扩频 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+BPSK212bQPSK+QPSK22PUSCH-物理上行共享信道 PUSCH携带的信息携带的信息 Carries the UL-SCH 上行数据 下行链路信道质量信息（RICQIPMI） 下行业务信道的ACKNACK信息 PUSCH占用的资源位置占用的资源位置 频域上，PUSCH避开了PUCCH所占用的带宽 时域上，PUSCH避开了参考信号所占用的OFDM符号PUSCHscsy

23、mbMM对于同一个UE而言，PUCCH和PUSCH不能同时进行传输，因为这样会破坏上行的单载波特性。PUSCH的存在，表明已经分配了上行的资源，因而SR不需要在PUSCH中传输。需要通过PUSCH进行传输的信令包括HARQ和CQI（包括RI，PMI等）。PUSCH中控制信令与数据的复用如下图所示：物理随机接入信道PRACH 物理随机接入信道PRACH Physical Random Access Channel（PRACH） 用于UE随机接入时发送preamble信息 。 PRACH在频域占用6个RB。 PRACH时域结构： Preamble: CP + Sequence Preamble之后

24、需要预留保护间隔 物理随机接入信道PRACH Preamble使用Zadoff-Chu序列产生 ，根据时域结构、频域结构以及序列长度的不同，可以将Preamble分为如下五种格式。物理随机接入信道PRACH 物理随机接入信道PRACH Format03 频域资源位置 子载波间隔1.25KHz ，常规子载波间隔的1/12 1个PRACH信道包含864个子载波（61212=864） 长度为839的preamble序列被映射至中间的839个子载波上。物理随机接入信道PRACH 物理随机接入信道PRACH Format4 频域资源位置 子载波间隔7.5KHz ，常规子载波间隔的1/2 1个PRACH信

25、道包含144个子载波(6122=144) 长度为139的preamble序列被映射至中间的139个子载波上 物理随机接入信道PRACH上行物理信道映射CCCHDCCHDTCHUL-SCHPRACHPUSCHRACHPUCCH逻辑信道传输信道物理信道课程内容n网络结构与关键技术n无线帧结构n物理资源分配n物理信道和信号n物理层过程物理层过程下行同步上行初始同步：nUE在随机接入信道上发送preamble码neNodeB根据preamble码的到达位置，将调整信息反馈给UEnUE根据该信息进行后续的发送时间调整 上行同步保持：neNodeB可以根据上行信号估计接收时间生成上行时间控制命令字nUE在

26、子帧n接收到的时间控制命令字，UE在n+x子帧按照该值对发送时间提前量进行调整下行初始同步：n初始下行同步是小区搜索过程。 UE通过检测小区的主要同步信号，以及辅助同步信号，实现与小区的时间同步 下行同步保持：n小区搜索成功后，UE周期性测量下行信号的到达时间点，并根据测量值调整下行同步，以保持与eNB之间的时间同步 LTE物理层过程同步接收数据小区搜索 ，获得和小区的时频同步正常通信过程中周期性地进行同步跟踪和补偿能否可以正常同步跟踪是否是否和小区建立初始同步是否LTE物理层过程同步手机开机过程手机开机过程 PLMN选择和小区选择 P-SCH、S-SCH和PBCH所处位置和系统带宽无关，从而

27、使UE可在系统带宽未知情况下完成小区搜索。 手机开机过程 PLMN选择和小区选择 PLMN Selection Location Registration PLMNs available PLMNselected Location Registration response Registration Area changes Indication to userManual ModeAutomatic modeService requests NAS Control Radio measurements Cell Selection and Reselection 手机开机过程 PLMN选择

28、UE会根据自身能力在E-UTRAN频段中扫描所有的载频信道，以寻找可用的PLMN。UE将搜索最强小区，读取其系统信息来确定这个小区所归属的PLMN。如果在最强小区上读到了一个或多个PLMN，UE将把所找到的满足一定质量门限PLMN作为高质量PLMN报给NAS；能获取到PLMN ID，但是不满足质量门限的PLMN将和测量值一起上报给NAS层。 PLMN的选择结果由NAS层给出。 一旦选定了PLMN，就可以进行小区选择过程了。 手机开机过程 小区搜索目的 检测小区的物理层小区ID（Physical Cell-ID） 完成下行时间/频率同步 下行CP模式检测：normal或extended模式 检测

29、eNodeB所用的发射天线端口数 读取PBCH（即MIB） 获取SFN、下行系统带宽和PHICH配置信息 手机开机过程 小区选择分为：初始小区选择和存储信息小区选择 Initial Cell Selection无需E-UTRAN载频对应射频信道的先验知识，UE会根据能力扫描在E-UTRAN的频带内扫描所有射频信道，在每个载频上UE需要搜索一个最好小区，一旦找到一个合适小区，就选择这个小区。 Stored Information Cell Selection需要根据UE通过以前的测量控制信元或者检测到小区储存起来的载频信息,为指导进行小区选择。如果找到合适小区，就选择这个小区；否则还是要发起In

30、itial Cell Selection。 手机开机过程 小区搜索过程 手机开机过程 广播消息读取 MIB（Master Information Block），在PBCH中承载 PBCH每10 ms无线帧出现一次，位于Slot#1前4个OFDM符号中央6个RB UE首先需要读取PBCH来获取接收其它系统消息的必要信息（SFN、下行系统带宽、PHICH配置） SIB（System Information Block） 包含SIB1SIB11，均映射到PDSCH SIB1，重复周期是80 ms（位于SFN mod 8 = 0边界），每重复周期内传输4次（位于SFN mod 2 = 0无线帧） SI

31、B1携带了其它SIB的调度信息（SI序号、窗长、周期），基于这些调度信息来读取其它SIB 每个SI包含一个或多个SIB，并可在SI窗内重复发送 UE通过HARQ重传合并（不带ACK/NACK反馈）提高系统消息接收性能 UE随机接入过程 随机接入过程特点 TDD/FDD共有； 和小区大小无关的处理过程； 分为竞争接入和非竞争接入； UE和eNB请求/应答方式完成； 随机接入过程的目的 请求初始接入； 从空闲状态向连接状态转换； 支持eNodeB之间的切换过程； 取得/恢复上行同步； 向eNodeB请求UE ID； 向eNodeB发出上行发送的资源请求。UE随机接入过程 随机接入过程触发 在RRC

32、_IDLE 状态时，发起的初始接入； 在RRC_CONNECTED 状态时，发起的连接重建立处理； 小区切换过程中的随机接入； 在RRC_CONNECTED状态时，下行数据到达发起的随机接入；如上行失步 在RRC_CONNECTED状态时，上行数据到达发起的随机接入；如上行失步 或 无SR使用的PUCCH资源（SR达到最大传输次数）UE随机接入过程 随机接入过程分类 基于竞争的接入: 手机在广播的前导集合中随机选取一个前导码 使用Preamble Group A/B 当两个手机选取同一个前导码时，竞争发生 适用于所有的随机接入场合 基于非竞争的接入: 手机所用的前导码是由基站分配的 随机接入过

33、程通过三步完成 仅适用于场合3和4第四步用来解决冲突无须解决冲突UE随机接入过程 Preamble分类 Preamble ID个数：可配，最多64个（063） Preamble A: 059; Preamble B: 459; Dedicated Preamble（剩下的ID）。 PRACH频域位置： 起始RB Number由高层（L3）后台配置。60ULRBNnRAPRBoffsetUE随机接入过程 基于竞争的随机接入过程UE随机接入过程 MSG1：随机接入前导发送 根据MSG3消息块大小和路损情况决定在Preamble Group A/B中随机选择一个Preamble码在PRACH信道上发送。 根据eNodeB指示的根ZC序列号、循环移位配置、是否采用r