LTE帧结构和协议

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Type1：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。帧结构Type2：TDD (TDD上下行数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DwP

2、TS、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。DwPTS: Downlink Pilot Time SlotGP: Guard Period(GP越大说明小区覆盖半径越大)UpPTS: Uplink Pilot SlotTs = 1 / (15000x2048) s Frame 帧的长度：Tf = x Ts = 10msSubframe 子帧的长度：Tsubframe = 30720 x Ts = 1msSlot 时隙的长度：Tslot = 15360 x Ts = 0.5ms 1 Sub-Carrier = 1

3、5 kHz; 1 TTI = 1 ms = 1 sub-frame = 2 slots (0.5 ms *2) # for one user, min 2 RB allocation.1 RB = 12 sub-carriers during 1 slot (0.5 ms) =12 * 15kHz = 180kHz (Bandwidth); = 12 * 7 symbols= 84 REs 1 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

4、, 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 = 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-carriersChannel bandwidth BWChannel MHz1.435101520Transmission bandwidth configuration NRB615255075100Special subframe configurationNormal cyclic p

5、refix in downlinkExtended cyclic prefix in downlinkDwPTSUpPTSDwPTSUpPTSNormal cyclic prefix in uplinkExtended cyclic prefix in uplinkNormal cyclic prefix in uplinkExtended cyclic prefix in uplink01234567-8-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 =

6、(21952Ts-32Ts) : 4384Ts : 4384Ts= 10:2:2最小分配单位为: Configure TDD: 上下行配置（下图） + 特殊帧格式（上图） (e.g.: 2:7 1:7)Uplink-downlink configurationDownlink-to-Uplink Switch-point periodicitySubframe number012345678905 msDSUUUDSUUU1 2:25 msDSUUDDSUUD2 3:15 msDSUDDDSUDD310 msDSUUUDDDDD410 msDSUUDDDDDD510 msDSUDDDDDDD6

7、5 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：Resource Element，称为资源粒子，是上下行传输使用的最小资源单位。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RB包含若干个RE。一个RB由12个在频域上的子载波和时域上一个slot周期构成（1 RB = 12 subcarr

8、iers x 1 slot）。1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 =0.5ms CCE：Control Channel 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 o

9、f PDCCH bits(QPSK)01972121814424362883872576REG：Resource Element Group，用来定义控制信道到RE的映射.（1 REG = 4 REs）RBG：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：System Bandwidth(Number of DL RBs)RBG Size (P)10111 26227 6463 (e.g.: 10MHz - 50 RBs)364 110 (e.g.: 20MHz - 100 RBs)42. 下行物理信道及物理信号的功能和占用

10、时频码域位置（DL：PDSCH/PDCCH/PHICH/PCFICH/PBCH/ PSS/SSS/RS）2.1 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MIB消息时

11、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其他控制信息，如与D

12、L-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 = Common Search Space (for several UEs)2.4

13、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 Information 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

14、（PCCH, RACH); freqInfo (ul-carrierFreq, ul-bandwidth); defaultPagingCycle- SIB3: Cell re-selection information. (Intra/Inter frequency or/and Inter-RAT cell re-selection)- SIB4: Neighbor cell related info only for Intra-frequency cell re-selection information.- SIB5: E-UTRAN Inter-frequency cell re-

15、selection information.- SIB6: UTRAN frequencies and neighboring cell re-selection.- SIB7: GERAN frequencies cell re-selection.- SIB8: CDMA2000 frequencies and neighbouring cell re-selection.- SIB9: Home eNB.- SIB10: ETWS primary notification. - SIB11: ETWS secondary notification.- 如果UE专用参考信号不被传输，使用天

16、线端口集合P = , , or - 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

17、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）

18、- 指示一个物理小区组内的id：Physical-layer id：0, 1, 2 (3个)2.8 SSS：Secondary Synchronization Signal（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 = 5

19、04 cell IDs. (0503)RS：Reference Signal （参考信号）（every slot, symbol 0&4）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 = , , or MB

20、SFN RS, associated with MBSFN transmission = 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）PUSCH：Physical Uplink Shared Channel （物理上行共享信道）Carries the user data from UL-SCH.Carries L1/L2 control information：ACK/NACK, CQI, PMI, RI (Rank Indicator)PUCCH：P

21、hysical 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：Scheduling Request (SR). CQI and Scheduling Requests are provided to Layer 2.HARQ ACK/NACK for DL transmission;CQI reports.PMI reports. - 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

22、：PUCCH formatModulation schemeNumber of bits per subframe, Type of information1N/AN/AScheduling Request (SR)1aBPSK1ACK/ NACK1bQPSK2ACK/ NACK2QPSK20CQI/PMI/RI2aQPSK+BPSK21CQI/PMI + 1 bit ACK/ NACK2bQPSK+QPSK22CQI/PMI + 2 bits ACK/ NACK3.1 PRACH：Physical Random Access Channel （物理随机接入信道）- Carries the r

23、andom access preamble.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 & 4：RACH：- FDD需要额外配置一个GP（Guard Period）以适应RTD（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

24、，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。 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来自高层信息的信号，如参考信号。3.2 DRS/DMRS：Demodulation Reference Signal （解调用参考信号）- 与上行数据传输有关，both PUSCH and PUCCH。- 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

25、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有同样的带宽。o PUCCH: 如下图所示3.3 SRS：Sounding Reference Signal （探测用参考信号）= 与PUSCH和PUCCH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 Advance）UL频率的独立

26、调度（Frequency dependent scheduling for the UL）SRS transmitted in the last SC-FDMA symbol in the configured subframes.在TDD模式中，UpPTS也可用作传递SRS。4. 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）5. MIMO technology- Two kinds of MIMO techniques for DL transmission：o Transmit diversity use multiple channels to send the sam

27、e information stream Improve coverage and robustness of data transmission o Spatial multiplexing use multiple channels to send multiple information streams Increase throughput SU-MIMO/ MU-MIMO6. PDSCH下行资源分配方式（Type0/1/2）； Type 0: PDCCH DCI formats 1, 2 and 2ARBs are grouped to RBG. RBGs are selected.

28、System Bandwidth(Number of DL RBs)RBG Size (P)10111 - 26227 6463 (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, then select the RBs in the RBG subset.RBG subset的值（P）与Type0中RBG的定义一致。RBG subsets：Log

29、2(P) RB assignment：Type 2: PDCCH with DCI format 1A, 1B, 1C and 1DStart RB and width is assigned.7. DCI Format DCI: Downlink Control Information (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 0For the scheduling of PUSCH (For Uplink only)DCI 1For the sched

30、uling of one PDSCH codeword, TM1, 2 and 7 (Type0, 1)DCI 1AFor the compact scheduling of one PDSCH codeword and random access procedure initiated by a PDCCH order, TM17 (Type 2)DCI 1CFor very compact scheduling of one PDSCH codeword (Type 2) DCI 2For MIMO (e.g.: CL MIMO), TM4 (Type0, 1)For the schedu

31、ling of one/two PDSCH codewordTPC command for PUCCH DCI 2AFor MIMO (e.g.: OL MIMO), TM3 (Type0, 1)For the scheduling of one/two PDSCH codewordTPC command for PUCCH Format 0: 用于上行传输，PUSCH的调度- Flag for format0/format1A differentiation - 1 bit, 0=format 0 and 1=format 1A- Resource block assignment and

32、hoping resource allocation- Modulation and coding scheme- HARQ information and redundancy version- TPC command for scheduled PUSCH 2 bits- CQI request 1bit 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 allocation type, e.g.: type

33、 0 / type 1 1bit- Resource block assignment- Modulation and coding scheme 5 bits - HARQ process number 4 bits- TPC command 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 scheduling of one PDSCH codeword and random access procedure initiated by a PDCCH order (为UE分配一个非

34、竞争随机接入的特定preamble).- Flag for format0/format1A differentiation - 1 bit, 0=format 0 and 1=format 1A- Resource block assignment - Modulation and coding scheme 5 bits- HARQ information 4 bits- TPC command for PUCCH 2 bits Format 1B: Compact scheduling of one PDSCH codeword with precoding information. C

35、losed loop precoding 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 assignment - Modulation and coding scheme- Redundancy version Format 1D: Compact scheduling of one PDSCH codeword with precoding and

36、 power offset information. (using 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: Transmission of TPC commands for PUCCH and PUSCH with 2-bit or 1-bit power adjustments8. LTE相关接口的控制面和

37、用户面协议栈Radio interfaceUser Plane:Control Plane:PHY: L1协议， Data Transfer via Transport Channels. Error Detection. Hybrid ARQ Combining. Channel Coding and Rate Matching. Modulation and Demodulation. Measurements. MIMO（多进多出）, Transmit Diversity（发送分集）, Beamforming（波速成型）. RF Processing.MAC: L2协议，主要实现与调度和

38、HARQ相关的功能 Data Transfer via Logical Channels. 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RLC: L2协议，主要实现与ARQ相关的功能，保证数据传输的可靠性 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

39、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S1 interfacesUser Plane (eNB-S-GW):Control Plane (eNB-MME):X2 interfacesUser Plane (eNB-eNB):Control Plane:9. LTE相关流程9.1 Call Setup 呼叫流程9.2 Cell Selection 小区搜索过程9.3 Random Access 随机接入过程-Initial access fr

40、om RRC_IDLE;-RRC Connection Re-establishment procedure;-Handover;-DL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure;-E.g. when UL synchronisation status is “non-synchronised”;-UL data arrival during RRC_CONNECTED requiring random access procedure;-E.g. when UL synchronisation 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):9.