最全面LTE物理层总结

1、All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #Physical Layer IntroductionZhu Xiaoqiang2011.3.7All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #2p LTE的性能需求指标p 与LTE物理层相关的协议编号及内容p 物理信道的种类p 传输信道与物理信道的映射p 物理层相关参数p 物理信道结构p 参考信号和信道估计功能p LTE物理层过程目录目录All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #3LTE的需求指标的需求指标p 支持1.4MHz-20

2、MHz带宽p 峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPP R6的2-4倍p 提高小区边界的比特率，保证业务的一致性p 用户面延时：零负载（单用户、单数据流）、小分组条件下单向时延小于5msp 控制面延时：从驻留状态转换到激活状态的延迟小于1OOms p 每个小区在5MHz带宽下最少支持200个用户 p 实现合理的终端复杂度、成本和耗电p 对低速移动优化系统，同时支持高速移动p 以尽可能相似的技术同时支持成对（paired）和非成对（unpaired）频段 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #4与与LTELTE物理层相关

3、的协议编号及内容物理层相关的协议编号及内容 p TS 36201物理层总体描述p TS 36211物理信道、参考信号、帧结构p TS 36212信道编码、交织、速率匹配、复用p TS 36213随机接入等物理层的工作过程p TS 36214物理层的测量技术p TS 36302物理层向高层提供的数据传输服务All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #5物理信道的种类物理信道的种类p下行物理信道 PDSCH：下行物理共享信道，承载下行数据传输、SIB和寻呼信息 PBCH：物理广播信道，传递UE接入系统所必需的系统信息，如带宽、天线数目和小区ID等 PMCH：

4、物理多播信道，传递MBMS（单频网多播和广播）相关的数据 PCFICH：物理控制格式指示信道，表示一个子帧中用于PDCCH的OFDM符号的数量 PHICH：物理HARQ指示信道， 用于eNodB向UE反馈和PUSCH相关的ACK/NACK信息 PDCCH：下行物理控制信道，用于指示和PUSCH，PDSCH相关的格式，资源分配，HARQ信息，位于子帧的前n个OFDM符号，n1：大延时CDD的空间复用p 闭环空间复用：在闭环空间复用模式下，UE可以假设eNodeB采用零延时CDD的空间复用。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #32下行控制信道下行控制

5、信道PDCCH p PDCCH（Physical downlink control channel）物理下行控制信道，承载的控制信息DCI主要包括：下行数据传输的调度信息、上行数据传输的调度赋予和功率控制命令以及上行发送数据的ACK/NACK。 下行调度信息用于通知被调度的UE如何处理下行发送的数据，一个控制信道承载一个MAC ID的下行调度信息。 上行调度赋予用于给UE的上行数据传输分配资源，一个控制信道承载一个MAC ID的上行调度赋予。 ACK/NACK下行控制信令中还包括上行传输数据的HARQ反馈，对于单数据流传输，每个传输块只需1bit信令；但对多流MIMO传输，可能需要多个比特。

6、此外，DCI控制信息还应包括与HARQ重传相关的冗余版本RV和新数据指示符NDI。p PDCCH与PDSCH采用时分复用，PDCCH占据一个子帧的前N个符号，N=3 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #33下行控制信道下行控制信道PDCCHp REG和CCE在PDCCH上，承载DCI（Downlink Control Information）的基本单元是CCE（Control Channel Element）。由于PDCCH的传输带宽内可以同时包含多个PDCCH，为了更有效地配置 PDCCH和其他下行控制信道的时频资源，LTE定义了两个专用的控制

7、信道资源单位：RE组(RE Group，REG)和控制信道粒子(Control Channel Element，CCE)。1个REG由4个频域上并排的RE组成，即4个子载波1个OFDM符号。一个CCE由9个REG构成，一个PDCCH又由若干个CCE构成。定义REG如此小的资源单位，主要是为了有效地支持PCFICH(物理控制格式指示信道)、PHICH(物理HARQ指示符信道)等数据率很小的控制信道的资源分配；而定义相对较大的CCE，是为了用于数据量相对较大的PDCCH的资源分配。每个CCE包含9个REGs（Resource Element Group，每个REG包括4个可用的RE，见TS 362

8、11 6.24 resource-elementgroups），每个REG包含4个REs，也就是一个CCE是包含36个RE的一个连续资源块。那么在系统带宽和用于PDCCH的symbol数量确定后基本可以计算出总的CCE数量（从总的RE数量中去掉PCFICH，PHICH以及参考信号所占的RE，再除以36）。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #34下行控制信道下行控制信道PDCCH一个物理控制信道在一个或者多个控制信道粒子CCE（control channel element）上传输，其中一个CCE对应9个RE的集合。PDCCH支持的多种格式如下表所

9、示，每个PDCCH可以占用1，2，4，8个CCE。多个PDCCHS可以同时在一个子帧中传输，占用不同CCE，在接收端采用盲检测的方法区分某个用户的PDCCH All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #35下行控制信道下行控制信道PDCCHp PDCCH时频结构 PDCCH和数据信道的复用选用TDM方式，在频域上占用整个RB，时域上只占用部分OFDM符号，放置在一个子帧的前n个(n3)OFDM符号，每个CCE应占满这个子帧内PDCCH区域的所有OFDM符号，以获得尽可能长的时域长度。也就是说，一个子帧内各个CCE之间是FDM复用的，不同的PDCCH占用不

10、同的CEE资源 p DCI格式 一个DCI传输下行数据传输的调度信息、上行数据传输的调度赋予和功率控制命令以及上行发送数据的ACK/NACK。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #36下行控制信道下行控制信道PDCCHp 下行控制信道PDCCH的系统结构eNodeB端发送的信号处理流程为：CRC处理（包括RNTI掩码处理）、咬尾卷积编码、速率匹配、加扰、QPSK调制、层映射、预编码、RE映射、IFFT、加循环前缀、数字上变频、DAC、天线发射。UE端接收的信号处理流程：ADC、数字下变频、时间与频率同步、去循环前缀CP、FFT、RE逆映射、信道估计

11、、信号检测、层逆映射、QPSK解调、解扰、速率匹配、信道解码、盲检测与CRC校验等p RE资源映射/逆映射预编码以后，对于天线P上的符号序列，以4个符号为一组映射到相应的一个REG（包括4个可用的RE）资源上。记) 34(),24(),14(),4()()()()()()(iyiyiyiyizppppp表示在P天线上的第i个符号组，构成 )1(),.,0(quad)()(Mzzpp在符号组进行映射前，还必须对Mquad个符号组进行交织，交织方案与咬尾卷积编码速率匹配的子块交织方案样，矩阵交织法，行写入（32列），然后列变换，在列读出。得到序列 ) 1(),.,0(quad)()(MwwppAl

12、l Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #37下行控制信道下行控制信道PDCCH接下来进行循环移位，其移位的方式如下 quadcellID)()(mod)(MNiwiwpp) 1(),.,0(quad)()(Mwwpp射到一个REG上，先k=0，l=0，按增序进行，需要注意的是不能占用参考信号和RBscDLRBNNk再以一个REG为单位进行映射，映射的方式是将数据组映PCFICH和PHICH信道所占用的资源。k为整个带宽，逆映射根据该RE的映射方案提取相应的符号。，l=03，为PCFICH指示的符号数。All Rights Reserved Alcatel

13、-Lucent 2007, #38下行控制信道下行控制信道PDCCHp 盲检测盲检测方法即对有限的若干种PDCCH配置一一尝试，每个UE可以同时监测一定数量的候选(Candidate) PDCCH，最终解调出其中的内容。UE监测的候选PDCCH集的大小(即候选PDCCH的数量)由高层信令控制，这个值大小应该适中，既支持一定的PDCCH灵活性，又具有可以接受的复杂度。一个PDCCH可能的时频位置可由该PDCCH包含的CCE的数量隐性地指示。下图是盲检测原理的一个示例，它假设可供PDCCH使用的CCE的数量为六个，尺寸为一个CCE的PDCCH可能位于任何一个CCE，尺寸为两个CCE的 PDCCH可

14、能的位置有三个，尺寸为三个CCE的PDCCH可能的位置有两个。这样，可能的 PDCCH配置共有11种，UE会一一尝试解码这11个候选PDCCH，最终解调出PDCCH。 PDCCH盲检测的数量直接关系到UE解码PDCCH的复杂度，虽然采用更多的盲检测可以获得更大的PDCCH灵活性，但却会使UE的盲检测过程过于复杂，从而增加UE的成本和功耗。最终确定，一个处于激活状态UE的最大PDCCH盲检测数量为44个。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #39下行控制信道下行控制信道PDCCHAll Rights Reserved Alcatel-Lucent 2

15、007, #40物理广播信道物理广播信道PBCH p 信道功能：PBCH广播信道主要传输小区系统信息，PBCH的结构与小区搜索过程有紧密联系，其中携带的信息用于在小区搜索过程中向UE广播基本的系统信息，称为MIB（Master Information Block）。BCH映射到PBCH。p DBCH：DBCH的准确的定义是承载在DL-SCH传输信道中的SIB （system information block）系统信息，这些信息可以由系统较灵活地在调度的资源上传送。UE有能力同时接收DL-SCH中的广播信息和单播数据的。UE也有能力同时接收PBCH和DL-SCH，因此，通过DL-SCH传送DB

16、CH信息是完全可行的。DL-SCH映射到PDSCH。p MIB：BCH上传输MIB(Master Information Block)，是系统中需要频繁传输的系统信息，包括dl-Systembandwidth, phich-Configuration，systemFrameNumber，PHICH的时域长度（3bit）；DL-SCH传输SIB，RE功率指示以及其他的SI(System information)，它们都address到SI-RNTI。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #41物理广播信道物理广播信道PBCH p SIB：DBCH上传输

17、的信息块称为SIB，主要包括： 一个或多个标识； 跟踪区域编号； 小区标识号； 指示小区禁用状态指示，用于所有共享的； 对每个共享均有预留给运营商使用； 为所有共享PLMN使用一个公共的比特用于小区预留的扩展； 调度信息，即除了SU-1意外其他调度单元的周期等信息； SIB映射信息，即指示出SIB在哪个SU中传输。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #42物理广播信道物理广播信道PBCH p PBCH传送的TTI（PBCH信息的更新周期）为40ms，在40ms周期内传输4次PBCH，位于每一个无线帧的第一个子帧的第二个时隙的前4个符号。这4个PBC

18、H中的每一个都应该能独立解码，也就是说，如果一个UE信道条件足够好，则只要在40ms内接收一个PBCH所在的子帧，就可以解调出PBCH传输块。可以理解为，40ms的周期相当于对PBCH数据连续进行4次重传，而不需要UE对PBCH进行ACK/NACK的反馈。由于PBCH的TTI为40ms，UE除了通过PSC和SSC获得帧时钟外，还需要获得40ms时钟，经过研究决定采用盲检测的方法获得。如图1，PBCH的结构。p PBCH的产生方法：信道编码模块通过速率匹配产生长度可用于4个子帧的PBCH的编码块，经过统一的加扰和调制映射到4个子帧的PBCH上。由于4个子帧的PBCH采用的是扰码不同的码段，实际上

19、相当于不同的扰码。p 频域上，PBCH和PSCH、SSCH一样，占据系统带宽中央的1.08MHz（除DC子载波）的全部72个子载波。p 接收端根据PBCH的时频位置，使用滑窗方法盲检测，一旦发现crc校验结果正确，则说明当前滑动窗就是40ms的帧边界，并且可以根据PBCH的内容得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置。 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #43物理广播信道物理广播信道PBCHp 发射端PBCH的数据的处理流程为：加扰、CRC处理、信道编码、速率匹配、交织、QPSK调制、层映射与预编码、RE映射、IFFT变换、加循环前缀CP、数

20、字上变频、DA转换、多天线发射。p 接收端的解调过程：ADC、数字下变频、时间与频率同步、去CP、FFT、RE逆映射、信道估计、信号检测、QPSK解调、解交织、速率匹配、信道解码、CRC校验。p 需要注意的是：广播信道对可靠性要求最高，因此其支持的物理层功能反而最少。BCH采用最可靠的调制方式QPSK、编码，仅支持单天线和传输分集发送，物理层配置完全是静态的，因此不需要支持任何自适应功能。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #44参考信号和信道估计参考信号和信道估计All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #

21、45参考信号和信道估计功能All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #46LTE参考信号设计All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #47参考信号辅助信道建模和估计p 辅助信道建模：信道估计与设定的信道模型有关，其本身由物理传播特性所决定，物理特性包括发射接收天线数、传输带宽、载波频率、小区配置和ENODEB与UE接收机间的相对速度。载波频率和系统带宽主要决定了信道的散射特性小区部署控制了多径、传播延迟和空间相关特性相对速度设置了信道时变特性p 辅助信道模型p时频域相关：WSSUS信道模型p空间域相关：Krone

22、cker模型All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #48频域信道估计All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #49时域信道估计All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #50空域信道估计All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #51上行链路参考信号p 上行RS的作用用于相干解调所需的信道估计用于上行调度的信道质量探测功率控制定时估计支持下行波束成形的到达方向估计p上行链路支持两种RS解调RS：在物理上行共享信道上与上行链路数据的

23、传输相关联，并且（或）和控制信令在物理上行控制信道相结合（PUCCH）。这些RS主要用于信道估计中的相干解调。探测RS：不与上行数据和（或）控制传输相关联，主要用于确定信道质量，使得在上行链路中能够进行频率选择性调度。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #52LTE物理层过程物理层过程All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #53同步和小区搜索p小区搜索：UE可以确定时间和频率参数，这对解调下行链路信号和传输具有精确定时的上行链路信号是必要的。pLTE系统中，需要识别3个主要的同步要求符号定时的捕获，通过它

24、来确定正确的符号起始位置载波频率同步，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UE移动导致的多普勒频移造成的采样时钟同步也是必要的All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #54PRACH随机接入过程All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #55PRACH随机接入过程(1)随机接入初始化：MAC层向物理层提供：随机接入信道配置索引prach-ConfigurationInde、随机接入信道频率偏移prach-FrequencyOffset（确定初始PRACH位置）

25、、TDD 上下行配置、随机接入前导序列的格式preamble format（从随机接入信道配置索引prach-ConfigurationInde中查表获得）、逻辑前导根序列索引RACH_ROOT_SEQUENCE，前导序列组类型标识High-speed-flag，前导序列循环移位值，随机接入前导发送功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER、随机接入无线网络临时标志RA-RNTI、PDCCH信道的监测窗（规定起止监测时间）。(2)利用从上层获得的随机接入前导序列preamble index（RACH_ROOT_SEQUENCE，High-speed-flag，）获取待发送的随机接入前导序列。(3)在上层指示的随机接入信道资源上，对上层提供的随机接入前导发送功率做如下处理后作为随机接入前导的实际发送功率，发送随机接入前导序列：PPRACH = min, PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER + PL(4)在上层规定的时间内（随机接入响应窗）监测PDCCH信道： 若检测到随机接入响应（使用RA-RNTI检测到对应的PDCCH）并在相应的UL-SCH中检测到随机接入前导序列索引（前导序列指示符），说明前导序列已被eNode B检测到，UE按UL-SCH指示的资源和传输方案发送资源调度请求，并在规定的时间内检测来自eNode B的冲