LTE 物理层PPT课件

1、.,1,LTE 物理层,主讲人：蔡俊,.,2,物理层概述 帧结构 下行物理信道,内容结构,.,3,物理层概述,.,4,物理层协议结构,E-UTRA无线接口协议结构,.,5,物理层与层2的媒体接入控制 (Media Access Control，MAC)子层和层3的无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)层具有接口。其中的圆圈表示不同层子层间的服务接入点(Service Access Point，SAP)。物理层向MAC层提供传输信道(Transport Channel)。MAC提供不同的逻辑信道给层2的无线链路控制(Radio Link Control，RLC)子层

2、。,物理层协议结构（续）,.,6,逻辑信道是为MAC层提供的不同类型的数据传输业务而定义的。 逻辑信道通常可以分为两类：控制信道和业务信道。 控制信道用于传输控制平面信息，而业务信道用于传输用户平面信息。,逻辑信道（知识补充）,.,7,传输信道定义了在空中接口上数据传输的方式和特性。 一般分为两类：专用信道和公共信道。,传输信道（知识补充）,.,8,一个物理信道用一个特定的载频、扰码、信道化码（可选的）、开始和结束时间（有一段持续时间）来定义。 对LTE来讲，一个10ms的无线帧被分成10个子帧(FDD模式，帧结构类型1)，每个子帧又分为2个时隙(0.5ms)。一个时隙里包含多个RB（Reso

3、urce Block），每个RB中包括若干个RE（Resource Element，LTE中最下的资源粒子）。,物理信道（知识补充）,.,9,逻辑信道定义传送信息的类型，这些信息可能是独立成块的数据流，也可能是夹杂在一起，但是有确定起始位的数据流，这些数据流是包括所有用户的数据。 传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流，这些数据流仍然包括所有用户的数据。 物理信道则是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并在最终调制为模拟射频信号发射出去；不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者

4、是不同的功用。,逻辑信道、传输信道和物理信道三者之间的关系（知识补充）,.,10,逻辑信道所有用户（包括基站，终端）的纯数据集合 传输信道定义传输特征参数并进行特定处理后的所有用户的数据集合 物理信道定义物理媒介中传送特征参数的各个用户的数据的总称,逻辑信道、传输信道和物理信道三者之间的关系（续）,.,11,打个比方，某人写信给朋友， 逻辑信道信的内容 传输信道平信、挂号信、航空快件等等 物理信道写上地址，贴好邮票后的信件,逻辑信道、传输信道和物理信道三者之间的关系（续）,.,12,传输信道的错误发现，并通知高层； 传输信道的译码/编码； 传输信道到屋里信道的速率匹配； 传输信道到屋里信道的映

5、射； 物理信道的功率开销； 物理信道的调制/解调； 频域/时域的同步； 无线特性的测量，并通知高层； 多输出多输入（MIMO）天线处理； 差异化传输； 波束成型； RF处理等；,物理层功能,.,13,在下行方向采用基于循环前缀（Cyclic Prefix，CP）的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM） 在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址（Single CarrierFrequency Division Multiplexing Access，SC-FDMA),物理层的多址方案,.,14,频分双工（FDD） LTE

6、系统为FDD模式（包括全双工和半双工）定义了无线帧结构1，其无线帧子帧长度为10ms，包含20个时隙，每个时隙0.5ms。两个相邻的时隙构成一个子帧，长度为1ms. 时分双工（TDD） LTE系统为FDD模式（包括全双工和半双工）定义了无线帧结构2，具有两个时长为5ms的半帧，每个半帧包括8个0.5ms的时隙和3个特殊时隙。,物理层的双工方式,.,15,支持多媒体广播和多播业务（Multimedia Broadcast and Multicast Service ,MBMS)。 支持多输出多输入（MIMO）传输，在下行方向上可以配置2根或4根传输天线，以及2根或4根接收天线，允许最大4个流的多

7、层传输。,物理层概述（续）,.,16,帧结构,.,17,LTE公布了两种EUTRA帧结构：一型帧结构，也称通用（Generic）帧结构；二型帧结构，也称作可选（Alternative）帧结构。 一型帧结构应用在FDD模式和TDD模式下，二型帧结构仅应用在TDD模式下。,帧结构,.,18,特点：适用于全双工FDD、半双工FDD和TDD，在FDD中，上行和下行具有相同的帧结构，但是使用不同的范围。（Ts=1/(15000*2048)=32.55ns）,一型帧结构,.,19,特点：只适用于TDD，而且存在特殊子帧。,二型帧结构,.,20,LTE TDD支持5ms和10ms的上下行子帧切换周期，在一帧

8、中，共有10个子帧，而每个子帧又分为D，S，U三种类型，这三种类型具体分配方式即为Uplink-downlink configurations:,二型帧结构（续）,注 :U表示用于上行传输时隙，S表示包含DwPTS、GP以及UpPTS的特殊子帧，D表示用于下行传输的时隙。,.,21,下行物理信道,.,22,下行物理信道有： PDSCH传输用户数据； PDCCH传输与特定PDSCH相关的控制和配置信息（HARQ信令、功控命令、RB分配、AMC配置）； PBCH传输小区广播信息； PMCH传输多媒体广播业务； PCFICH传输用于控制信道（PDCCH）的OFDM符号个数； PHICH传输HARQ

9、ACK/NACK 下行物理信道对应于一系列资源粒子的集合，用于承载源于高层的信息。,下行物理信道,.,23,下行物理信号对应于一系列物理层使用的RE，但是这些RE不传递任何来自高层的信息，包括参考信号、同步信号。,下行物理信号,.,24,LTE定义如下3中下行参考信号： 小区特定RS（Cell-specific Reference Signals），相当于公共导频； MBSFN RS（MBSFN Reference Signals），对应MBSFN传输； UE特定RS（UE-specific Reference Signals），相当于专用导频 下行参考信号的作用至少包括下行信道质量测量和估计

10、以及小区小区搜索等。,下行物理信号-参考信号,.,25,用于UE捕获小区（时间/载波同步、小区ID） 同步信号分为：主同步信号（PSS）；辅同步信号（SSS）； 对于帧结构类型1，主同步信号仅仅在时隙0和时隙10中传输；辅同步信号也只在时隙0和时隙10中传输。 对于帧结构2（TDD模式），主同步信号在DwPTS的第一个符号发射，辅同步信号在时隙1和11的最后一个OFDM符号发射，如下图所示。,下行物理信号-同步信号,.,26,下行物理信道-时隙结构,下行资源栅格,.,27,资源栅格 RG 一个时隙的传输信号可以用一个资源栅格Resource Grid来表示，其大小为 个子载波和 个OFDM符号

11、。 资源粒子 RE 资源栅格中的最小单元，它通过索引对 来进行惟一标识，其中 和 ，分别标识频域和时域的序号。 资源块 RB 用于描述某些物理信道（主要是数据信道）到资源粒子的映射。定义了两种资源块：物理资源块和虚拟资源块。,下行物理信道-时隙结构（续）,.,28,它与下行传输带宽有关。并且满足： 其中 =6，并且 =110是下行传输的最小和最大带宽。,的大小设置,.,29,时隙中OFDM符号个数,物理资源块参数,.,30,时隙中OFDM符号个数（续）,对应于每一种CP形式，时隙结构也有所不同：,.,31,一个物理资源块定义为时域上 个连续的OFDM符号，以及频域上 个连续的子载波，其中 和

12、对应物理资源块参数表中的参数。因此，这样一个物理资源块将包括 个资源单元（RE），即时域上长度为一个时隙，频域上的宽度为180kHz。,物理资源块（PRB）,.,32,一个虚拟资源块具有物理资源块相同的大小； 两种类型的虚拟资源块:分布式（Distributed）传输的虚拟资源块，集中式（Localized）传输的虚拟资源块。,虚拟资源块（VRB）,.,33,Localized VRB (LVRB) 将若干个连续子载波分配给一个用户，系统可以通过频域调度选择较优的子载波组进行传输，且信道估计复杂度也比较低；但是频域分集增益不大； Distributed VRB (DVRB) 分配给一个用户的子

13、载波分散在整个带宽，获得频域分集增益；但是信道估计比较复杂。,虚拟资源块（VRB）（续）,.,34,由于最小TTI是1ms，而RB为0.5ms为单位，则映射的时候，VRB和PRB也是成对映射的。,VRB映射方式,.,35,集中式虚拟资源块 LVRB 直接映射到物理资源块上； 分布式虚拟资源块 DVRB 按照函数关系映射到物理资源块上，在一个子帧中的两个时隙上虚拟到物理资源块的映射是不同的。 一个时隙里面可以同时进行LVRB和DVRB的传输。eNode B可以分配多个VRB给一个UE。,VRB映射方式（续）,.,36,用于定义控制信道（PDCCH、PHICH、PCFICH）到资源粒子的映射。 一

14、个资源粒子组的资源粒子集合取决于配置的小区专用参考信号数目。 它的划分在RB的一个OFDM符号中进行，即12子载波*1OFDM符号中进行； 本质包含4个数据块，根据天线配置和当前RS资源的分布，划分REG大小（6RE或者4RE）；,资源粒子组（REG）,.,37,资源粒子组（REG）（续）,REG资源映射,.,38,下行基带信号产生流程,下行物理信道处理过程,.,39,下行物理信道基带信号处理，可以分为以下几步： 对将在一个物理信道上传输的每一个码字中的编码比特进行加扰； 对加扰后的比特进行调制，产生复值调制符号 将复值调制符号映射到一个或者多个传输层； 将每层上的复值调制符号进行与编码，用于

15、天线端口上的传输； 将每一个天线端口上的复值调制符号映射到资源粒子上； 为每一个天线端口产生复值的时域OFDM信号。,下行物理信道处理过程（续）,.,40,码字是指来自上层的业务流进行信道编码之后的数据。 一个码字指一串比特流 ； 不同的码字区分不同的数据流，其目的是通过MIMO发送多路数据，实现空间复用； 一个码字对应一个TB（传输块），一个子帧中（2个时隙）最多可以传输2个码字，codeword0 and codeword1 同一个TTI上可以传输多个UE的数据，而不同UE在同一个TTI上利用不同TB块的不同RB pair上传输不同数据。,码字,.,41,扰码根序列为Gold序列，各个信道

16、其中参数初始值不一样。 对于每一个码字 q，比特块表示为， 其中 是在一个子帧中物理信道上传输的码字 中的比特数目，在调制之前需要按照下式进行加扰，生成加扰的比特块 ，即 其中扰码序列 ，即伪随机序列定义为长度为31的Gold序列。扰码序列发生器在每个子帧的开始初始化, 其中 的初值取决于传输信道类型。,加扰,.,42,调制,.,43,功能 由于码字数量和发送天线数量不一致，需要将码字流映射到不同的发送天线上。 分类 单天线端口的层映射 空间复用的层映射 传输分集的层映射,层映射,.,44,对于在单个天线端口上的传输，使用单层 , 层数目为 1 ，即 ,且层映射定义为： 并且 ，无需预编码处理

17、。 注： 表示码字q的复值调制符号 表示复值调制符号到层的映射 其中 ， 表示每一层中的调制符号个数，,层映射-单天线方式,.,45,层映射-空间复用方式,层数目小于或等于物理信道传输所使用的天线端口数目,.,46,层映射-传输分集方式,层数目等于物理信道传输所使用的天线端口数目,.,47,功能 预编码器是将来自层映射的向量块映射到不同的天线端口上。 分类 预编码也分单天线发射、空间复用、发射分集三种预编码模式。,预编码,.,48,对于在一个天线端口上进行的传输，预编码定义为： 其中， 是物理信道传输所使用的单天线端口序号，并且 , 。,预编码-单天线方式,.,49,空间复用的预编码仅仅与空间

18、复用的层映射结合起来使用。空间复用支持 2 或者 4 天线端口，即可用的天线端口集合分别为 或者 。 分无延迟CDD和大延迟CDD两种预编码模式。 无延迟CDD 大延迟CDD 其中， 是预编码矩阵， 和 是支持大延迟CDD的矩阵 注：CDD，循环延时分集cyclic delay diversity,预编码-空间复用方式,.,50,传输分集的预编码仅仅与传输分集的层映射结合起来使用。传输分集的预编码操作分别对 2 天线端口和 4 天线端口进行定义。 定义：略（见书本）,预编码-传输分集方式,.,51,对于物理信道传输使用的每一个天线端口，复值符号块 将从 开始映射到用于传输的虚拟资源块上的资源粒

19、子 。向天线端口p上没有预留为其他用途的资源粒子 上映射，从一个子帧中的第一个时隙开始，按照每一个维度的增序进行，优先考虑分配的物理资源块上的维度 k ，然后是维度 。,资源粒子映射,.,52,主辅同步信号、导频信号、广播信息映射位置是固定的，控制格式指示信息的位置可以估算出，也基本上是固定的。一般来说，先映射以上固定信息；再按照广播信息规定的HARQ指示信息位置，映射HARQ指示信息；然后在相应的控制符号内其他的RE上，映射控制信息；最后把业务信息映射到剩余的RE上。,资源粒子映射（续）,.,53,一般步骤： 确定系统参数； 参考符号的物理资源映射； 同步信号的物理资源映射； PBCH符号的

20、物理资源映射； PCFICH符号的物理资源映射； PHICH符号的物理资源映射； PDCCH符号的物理资源映射； PDSCH（PMCH）符号的物理资源映射。,资源粒子映射（续）,.,54,天线端口指用于传输的逻辑端口，与物理天线不存在定义上的一一对应关系。天线端口由用于该天线的参考信号来定义。等于说，使用的参考信号是某一类逻辑端口的名字。具体的说： p=0，p=0,1，p=0, 1, 2, 3指基于cell-specific参考信号的端口； p=4指基于MBSFN参考信号的端口； p=5为基于UE-specific参考信号的端口。 对于p=4、5的情况，P=0,4,5都指单天线端口预编码，即使

21、用的发送天线为1。,知识补充-天线端口,.,55,码字用于区分空间复用的流； 层用于重排码字数据； 天线端口决定预编码天线映射。 三者的大小关系 码字数 层数 天线端口数,知识补充-码字、层、天线端口之间的关系,.,56,仅在支持非MBSFN传输的小区中的所有下行子帧中传输; 在MBSFN传输的子帧中，仅前2个OFDM符号用于传输小区专用参考信号； 仅适用于子载波间隔 的情况； 天线端口使用情况：0，0,1，0,1,2,3，即小区专用参考信号在天线端口03中的一个或者多个端口上传输。,小区专用参考信号,.,57,参考信号序列 定义为 其中 是一个无线帧中的时隙序号，且 是一个时隙中的OFDM

22、符号序号。伪随机序列 定义为长度为 31 的 Gold 序列。,小区专用参考信号（续）,.,58,小区专用参考信号（续）,下行参考信号映射（常规CP）示意图,.,59,一个子帧内，天线口0,1发8个导频符号；而天线口2，3发4个导频符号。且各个天线口为导频预留的资源位置是一样的，对于天线端口2和3，映射后剩余的资源单元，协议中规定要保留且承载内容为0。,小区专用参考信号（续）,.,60,MBSFN参考信号只在分配给MBSFN传输的子帧中传输。MBSFN参考信号在天线端口4上传输。 仅仅定义了采用扩展CP情况下的MBSFN参考信号。 MBSFN参考信号序列 定义为： 公式各参数的意义与小区专用参

23、考信号序列公式中各参数的意义相同。,MBSFN参考信号,.,61,MBSFN参考信号（续）,下行MBSFN参考信号时频分布（扩展CP，频率间隔15kHz） 注：其中 表示在天线端口p用于传输参考符号的资源粒子,.,62,MBSFN参考信号（续）,下行MBSFN参考信号时频分布（扩展CP，频率间隔7.5kHz）,.,63,终端专用参考信号用于支持单天线端口的PDSCH传输。 终端专用参考信号在天心端口5上传输 终端传输参考信号仅仅在PDSCH对应的资源块中传输。 UE专用参考信号序列 定义为： 其中 表示PDSCH传输对应的资源块的传输带宽（资源块个数）。,终端专用参考信号,.,64,终端专用参

24、考信号(续）,下行UE专用参考信号时频分布（常规CP）,.,65,终端专用参考信号(续）,下行UE专用参考信号时频分布（扩展CP）,.,66,主辅同步信号的资源粒子映射,主辅同步信号在FDD帧的位置,主辅同步信号在TDD帧的位置,.,67,FDD 时域 主同步信号（PSS）只在每个无线帧的时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号的RE上传输； 辅同步信号（SSS）只在每个无线帧的时隙0和时隙10 的倒数第二个OFDM符号的RE上传输。 TDD时域 主同步信号在DwPTS上的第三个OFDM符号上传输； 辅同步信号在时隙1和时隙11的最后一个OFDM符号上传输。,主辅同步信号的资源粒子映射（续）,.

25、,68,承载调度分配和其他控制信息，用于指示和PUSCH、PDSCH相关的格式、资源分配以及HARQ信息； 在LTE中采用TDM方式复用下行控制信令，物理下行控制信道PDCCH放置在一个子帧的前n个（n小于等于3）OFDM符号，具体的数目由PCFICH确定； PDCCH的映射由资源组REG和控制信道粒子CCE（控制信道粒度）构成，一个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则由若干个（一般取9个）REG构成。在实际映射中，每个CCE应占满这个子帧内PDCCH区域的所有的OFDM符号，以获得尽可能长的时域长度。,物理下行控制信道（PDCCH）,.,69,物理下行

26、控制信道（PDCCH）（续）,.,70,用于指示承载一个子帧中用于PDCCH传输的OFDM符号个数（1个、2个或3个）； PDCCH共有4种格式，每种格式对应于不同数量CCE。 PCFICH大小仅为2bit，放置在第一个OFDM符号中，PCFICH的2bit信息通过4个长度均为16QPSK符号的序列来承载，一个PCFICH序列的16个符号被分散到整个系统带宽，不同小区放置在不同的子载波组上。,物理控制格式指示信道（PCFICH）,.,71,物理控制格式指示信道（PCFICH）,.,72,承载MIB（Master Information Block）信息，包括带宽、天线数目、小区ID等； PBC

27、H映射到资源块时，占用第一个子帧的第二个slot的前四个OFDM符号。,物理广播信道（PBCH）,.,73,物理广播信道（PBCH）（续）,.,74,功能详解： 系统带宽；系统帧序列； 天线信息（隐藏在CRC的校验位上）； 由于对可靠性要求最高，其支持的物理功能最少，采用可靠调制（QPSK），编码和多天线分集发送； 物理层配置完全是静态的，不需要支持任何自适应功能； PBCH在40ms里面重复发送四次，速率匹配时产生了用于4个无线帧的PBCH的编码块，然后统一加扰调制。但是4段编码块所用的扰码段不同，即采用不同的扰码，实现干扰随机化。 每一次都是自解码，也可以合并解码，因此40模式里面都丢失的

28、可能性比较低。,物理广播信道（PBCH）（续）,.,75,LTE子帧资源映射,.,76,LTE在整个基带上的资源映射,.,77,上行物理信道,.,78,信道映射,.,79,控制信道包括： BCCH(Broadcast Control Channel) 广播控制信道，下行信道； PCCH(Paging Control Channel ) 寻呼控制信道，下行信道； CCCH(Common Control Channel) 公共控制信道，上行、下行信道； MCCH(Multicast Control Channel) 多播控制信道，下行信道； DCCH(Dedicated Control Channel) 专用控制信道，上行、下行信道； 业务信道包括： DTCH(Dedicated Traffic Channel) 专用业务信道，上行、下行信道； MTCH(Multicast Traffic Channel) 多播业务信道，下行信道。,LTE系统中的逻辑信道,.,80,下行传输信道 BCH(Broad