LTE物理层技术.ppt

LTE物理层技术,目录,LTE物理层过程,LTE物理层概述,多址技术,双工方式与帧结构,信道带宽,物理资源概念,LTE物理层信道与信号,起源、特征、功能,LTE标准发展,05-6,07-3,09初,04-12,06-6,08-9,需求讨论,SI,完成R8规范,TR25.930,TR25.912TR25.814TR25.813,WI stage2,TR36.300,WI stage3,TS36.211TS36.212TS36.213,R10/9起动,TDD帧结构,大唐移动的研究,BF,帧结构融合,传输信道的纠错编码/译码,HARQ软合并,编码的传输信道向物理信道映射,物理信道功率加权,无线特征测量，并向高层提供指示,频率与时间同步,MIMO天线处理,传输信道的错误检测，并向高层提供指示,物理信道调制与解调,射频处理（射频相关规范）,物理层概述,物理层概述,支持频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种模式；,LTE物理层的多址方案：下行采用OFDM,上行采用SC-FDMA；,基于分组交换思想，使用共享信道；,主要特征,支持多输入多输出（MIMO）传输。,目录,LTE物理层过程,LTE物理层概述,多址技术,双工方式与帧结构,信道带宽,物理资源概念,LTE物理层信道与信号,起源、特征、功能,支持的信道带宽（Channel Bandwidth）1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHzLTE系统上下行的信道带宽可以不同 下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播 上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播,信道带宽与传输带宽配置有如下对应关系：,信道带宽,目录,LTE物理层过程,LTE物理层概述,多址技术,双工方式与帧结构,信道带宽,物理资源概念,LTE物理层信道与信号,起源、特征、功能,OFDM vs.CDMA技术的优势：频谱效率高；带宽扩展性强；抗多径衰落；实现MIMO技术较简单；频域调度灵活；自适应强，可以灵活选择调制编码方式，更好的适应信道的频率选择性；,结论：下行采用OFDM，上行采用SC-FDMA,下行多址技术的选择,上行多址技术的选择,多址技术,SC-FDMA vs.OFDM优势：终端能力有限，发射功率受限；SC-FDMA采用单载波技术，峰均比（PAPR）低，有效提高RF功率放大器的效率，降低终端成本和耗电量；,并行低速传输 OFDM的基本原理是将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号。,Bandwidth,OFDM技术原理(1),OFDM技术原理(2),抗频率选择性衰落,引入循环前缀CP（Cyclic Prefix）；CP保护间隔长于信道时延扩展；,OFDM技术原理(3),OFDM用于地面移动通信系统，必须解决多径时延扩展问题；,抗多径时延ISI,OFDM 收发信机结构,OFDM收发信机结构,OFDM实现原理,上行采用SC-FDMA技术DFT-S-OFDM（低CM特性）连续映射等间隔映射,上行多址技术,目录,LTE物理层过程,LTE物理层概述,多址技术,双工方式与帧结构,信道带宽,物理资源概念,LTE物理层信道与信号,起源、特征、功能,FDD:上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；TDD:上行传输和下行传输在相同的载波频段上进行；基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送；H-FDD:上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；基站/终端在不同的时间进行信道的发送/接收或者接收/发送；H-FDD与FDD的差别在于终端不允许同时进行信号的发送与接收，即H-FDD基站与FDD基站相同，但是H-FDD终端相对FDD终端可以简化，只保留一套收发信机并节省双工器的成本。,双工方式,FDD帧结构-帧结构类型1，适用于FDD与HD FDD一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成；每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成；,帧结构,TDD帧结构-帧结构类型2，适用于TDD一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成 每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成 常规子帧：由两个长度为0.5ms的时隙构成 特殊子帧：由DwPTS、GP以及UpPTS构成 支持5ms和10ms DLUL切换点周期,帧结构,TDD帧结构上下行配置,帧结构,目录,LTE物理层过程,LTE物理层概述,多址技术,双工方式与帧结构,信道带宽,物理资源概念,LTE物理层信道与信号,起源、特征、功能,物理资源概念,无线帧,OFDM符号,天线端口,基本时间单位,时隙-slot,子帧,物理资源,接收机用来区分资源在空间上的差别，包括三类天线端口：CRS：天线端口03MBSFN：天线端口4DRS：天线端口5,资源单元(RE)对于每一个天线端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元叫做资源单元；资源块(RB)一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个资源块；,物理资源概念,资源单元组(REG)控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道 每个REG中包含4个数据RE控制信道单元（CCE）36RE，9REG组成,物理资源概念,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,上行物理信道,下行物理信道,下行物理信号,上行物理信号,下行物理信道,PBCH：物理广播信道调制方式：QPSK,PDSCH：物理下行共享信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PCFICH：物理控制格式指示信道调制方式：QPSK,PMCH：物理多播信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PDCCH：物理下行控制信道调制方式：QPSK,下行物理信道,PHICH：物理HARQ指示信道调制方式：BPSK,下行物理信道一般处理流程,下行物理信道,加扰,调制,层映射,预编码,RE映射,OFDM信号产生,物理广播信道PBCH：PBCH传送的系统广播信息包括下行系统带宽（4bit）、SFN子帧号（8bit）、PHICH（3bit）指示信息等；PBCH的RE映射；,常规CP,扩展CP,下行物理信道,物理控制格式指示信道PCFICH：PCFICH用于指示在一个子帧中传输PDCCH所使用的OFDM个数 CFI：2bit信息 1/16编码，QPSK调制 PCFICH映射到控制区域的第一个OFDM4个REG上 第一个REG的位置取决于小区id符号上的 4个REG之间相差1/4带宽,下行物理信道,物理HARQ指示信道PHICH PHICH用于承载HARQ应答信息；多个PHICH叠加之后可以映射到同一个PHICH group，一个PHICH group对应于12RE；对于TDD，不同子帧中的PHICH group数目不同；,下行物理信道,PHICH信道的RE映射 PHICH group的物理资源映射 PHICH长度分为两个等级，其所占用的OFDM符号个数如下表所示 一个PHICH group由3部分组成，分别映射到一个REG上,具体频域位置取决于-小区id PHICH group序号-所在OFDM符号中的REG数目-以及PHICH扩展长度的大小,下行物理信道,物理下行控制信道PDCCH：PDCCH用于承载资源分配信息，包括功率控制信息等;逻辑映射一个PDCCH是一个或者几个连续CCE的集合；根据PDCCH中包含CCE的个数，可以将PDCCH分为如下图四种格式；物理映射多个用户的PDCCH进行复用和加扰等操作，映射到没有用于传输PCFICH和PHICH的REG上。,下行物理信道,物理下行共享信道PDSCH:PDSCH用于承载Unicast数据信息没有专用导频时，按照PBCH同样的端口映射Port 组合0 0,1 0,1,2,3发射专用导频时，按照port 5 映射 PDSCH资源分配优先级最低，只能占用其他信道/信号不用的RB;物理多播信道PMCH：用于承载Multicast数据信息；对于混合载波（PMCH+PDSCH）时，PMCH在MBSFN子帧传输；MBSFN子帧概念前1 or 2 符号可以用于unicast;其他符号用于Multicast业务,下行物理信道,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,上行物理信道,下行物理信道,下行物理信号,上行物理信号,确定唯一的物理小区id；,下行信道质量测量；下行信道估计，用于UE端的相干检测和解调；小区搜索；,同步信号,参考信号,主同步信号 辅同步信号,小区专用参考信号 MBSFN参考信号终端专用的参考信号,下行物理信号,同步信号,FS2，常规CP,下行物理信号,同步信号序列 主同步信号使用Zadoff-Chu序列；共有3个PSS序列，每个对应一个小区ID：辅同步信号使用的序列由两个长度为31的二进制序列通过交织级联产生，并且使用由主同步信号序列决定的加扰序列进行加扰，长度为31的二进制序列以及加扰序列都由m序列产生；,下行物理信号,共有168组SSS序列，与小区ID组序号 一一对应,小区专用参考信号,常规CP,下行物理信号,1,R,F,o,u,r,a,n,t,e,n,n,a,p,o,r,t,s,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,0,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,1,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,2,even,-,numbered slots,odd,-,numbered slots,Antenna port,3,MBSFN参考信号,扩展CP，15kHz,扩展CP，7.5kHz,下行物理信号,终端专用参考信号,常规CP,扩展CP，7.5kHz,下行物理信号,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,上行物理信道,下行物理信道,下行物理信号,上行物理信号,PUSCH：物理控制格式指示信道调制方式：QPSK,16QAM,64QAM,PRACH:物理随机接入信道调制方式：QPSK,PUCCH：物理上行控制信道调制方式：QPSK,下行物理信道,上行物理信道,上行物理共享信道PUSCH：,用于承载上行业务数据；上行资源只能选择连续的PRB，并且PRB个数满足2、3、5的倍数；在RE映射时，PUSCH映射到子帧中的数据区域上；PUSCH的基带信号产生的流程：,上行物理信道,加扰,调制,传输预编码,RE映射,SC-FDMA信号产生,上行物理控制信道PUCCH：,上行物理信道,PUCCH格式：,PUCCH format 1/1a/1b结构,常规CP,上行物理信道,PUCCH format 1/1a/1b RE映射 1比特SR信息经过序列扩展和正交复用，形成96个比特，映射到PUCCH format 1中的数据部分 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCCH format 1a中的数据部分 2比特ACK/NACK信息，经过QPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCCH format 1b中的数据部分 参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCH format 1/1a/1b中的参考信号部分,PUCCH format 1/1a/1b的具体映射RB位置与其序号，PUCCH带宽以及时隙位置有关,上行物理信道,PUCCH format 2/2a/2b 结构,常规CP,扩展CP,上行物理信道,PUCCH format 2/2a/2b RE映射 20比特CQI信息经过QPSK调制，形成10个符号，经过序列扩展之后形成120个符号，映射到PUCCH format 2/2a/2b中的数据部分 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘之后形成为12个符号，映射到PUCCH format 2a中每个时隙中的第二个RS上 2比特ACK/NACK信息，经过QPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘之后形成为12个符号，映射到PUCCH format 2a中每个时隙中的第二个RS上 参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCH format 2/2a/2b中的参考信号部分,LTE支持一个PRB上，format1/1a/1b与format2/2a/2b混合存在,PUCCH format 2/2a/2b的具体映射RB位置与其序号以及时隙位置有关根据序号从小到大一次映射到m=0，m=1，m=2的RB上,上行物理信道,上行物理随机接入信道PRACH：时域结构 Preamble:CP+Sequence Preamble之后需要预留保护间隔（GT）,小区中间用户发送Preamble,小区边缘用户发送Preamble,上行物理信道,序列产生 Preamble使用Zadoff-Chu序列产生 序列长度 Preamble format 03：839 Preamble format 4：139频域结构 一个PRACH占用6个RB Preamble信号采用的子载波间隔与上行其它SC-FDMA符号不同 Preamble format 03：1250Hz Preamble format 4:7500Hz,Preamble format 03,Preamble format 4,上行物理信道,PRACH 格式 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:,Preamble格式4在帧结构2中的UpPTS域中传输,上行物理信道,PRACH 资源映射 TDD 一个上行子帧（包括UpPTS）中可以同时存在多个PRACH信道；当存在多个上行PRACH信道时，优先考虑占用不同的子帧，如果时间上分配不开，再考虑一个子帧中支持多个PRACH信道；不同小区的PRACH信道在时域尽量错开；对于format 03，Preamble与PUCCH相邻，对于多于一个PRACH时，分别与频带两侧的PUCCH相邻；对于format 4，Preamble放置在频带边缘，并且根据系统帧号变换是高频的一侧，还是低频的一侧。,上行物理信道,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,上行物理信道,下行物理信道,下行物理信号,上行物理信号,上行物理信号,上行信道估计，用于eNodeB端的相干检测和解调；上行信道质量测量；,参考信号,解调用参考信号(DRS)探测用参考信号(SRS),PUSCH 解调用参考信号,常规CP,扩展CP,上行物理信号,PUCCH 解调用参考信号,上行物理信号,探测用参考信号,上行物理信号,对上行信道质量进行估计，用于上行信道调度,探测用参考信号-主要参数,上行物理信号,符号位置,子帧偏移,是否同时传输SRS与ACK/NAKC,持续时间,子帧位置,周期,时域参数,1.UE通过广播信息获得小区允许的带宽信息；,4.UE通过RRC信令获得具体的带宽配置；,5.UE通过RRC信令获知其是否进行RS跳频；,3.UE通过RRC信令获知其使用的Comb信息,2.UE通过RRC信令获得具体的SRS传输PRB位置；,上行物理信号,探测用参考信号,-频域参数,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,随机接入,小区初搜,同步控制过程,功率控制和功率分配过程,小区搜索过程,为什么要进行小区搜索,完成UE与基站之间的时间和频率的同步，并识别小区id；,完成小区初搜后，UE接收基站发出系统信息；,小区搜索是UE接入系统的第一步，关系到能否快速，准确的接入系统。,5ms 定时，获得,计算得到,读取MIB,读取SIB,主同步信号,辅同步信号,PBCH,DBCH,其他系统信息,公共天线端口数目（盲检）SFN下行系统带宽 PHICH配置信息,小区初搜流程,小区搜索过程,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,随机接入,小区初搜,同步控制过程,功率控制和功率分配过程,为什么要进行随机接入过程,随机接入过程,UE通过随机接入与基站进行信息交互，完成后续如呼叫，资源请求，数据传输等操作；,实现与系统的上行时间同步；,随机接入的性能直接影响到用户的体验，能够适应各种应用场景、快速接入、容纳更多用户的方案；,随机接入过程,随机接入前导(Preamble)的发送,随机接入响应,随机接入过程,Preamble,当UE收到eNB的广播信息需要接入时，从序列集中随机选择一个preamble序列发给eNB,然后根据不同的前导序列来区分不同的UE.,随机接入过程,UE侧随机接入流程,1.解析传输请求，获得随机接入配置信息；2.选择preamble序列 1)基于竞争的随机接入：随机选择preamble 2)无竞争的随机接入：由高层指定preamble 3.按照指定功率发送preamble 4.盲检用RA-RNTI标识的PDCCH-检测到，接收对应的PDSCH并将信息上传；-否则直接退出物理层随机接入过程，由高层 逻辑决定后续操作；,随机接入过程,适用于初始接入,1.UE端通过在特定的时频资源上，发送可以标识其身份的preamble序列，进行上行同步2.基站端在对应的时频资源对preamble序列进行检测，完成序列检测后，发送随机接入响应。3.UE端在发送preamble序列后，在后续的一段时间内检测基站发送的随机接入响应4.UE在检测到属于自己的随机接入响应，该随机接入响应中包含UE进行上行传输的资源调度信息5.基站发送冲突解决响应，UE判断是否竞争成功,竞争的随机接入流程,随机接入过程,适用于切换或有下行数据到达且需要重新建立上行同步时,1.基站根据此时的业务需求，给UE分配一个特定的preamble序列。（该序列不是基站在广播信息中广播的随机接入序列组）2.UE接收到信令指示后，在特定的时频资源发送指定的preamble序列 3.基站接收到随机接入preamble序列后，发送随机接入响应。进行后续的信令交互和数据传输。,无竞争的随机接入流程,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,随机接入,小区初搜,同步控制过程,功率控制和功率分配过程,为了使各个用户信号之间到达接收机时保持正交性,需保证来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同步到达基站;,由于系统中CP的存在，同步精度的要求有所降低，理论上同步误差在CP范围内对即可在时间同步；,下行同步在用户端检测和调整,上行同步在基站测进行检测，并通过闭环反馈的方式对用户上行发送时间进行调整；,什么是同步控制过程,同步控制过程,上行同步控制的方法,同步控制过程,上行同步TA的确定,上行同步控制方法,控制UE采用不同的时间提前量(TA),使各UE的信号基本同时到达eNodeB；eNodeB通过上行时钟控制信令指示UE采用适当的TA；,当UE进行上行数据发送,eNodeB可估计其上行接收时钟,产生时钟控制指令；当UE暂没有发送上行数据时,TA的测量可根据SRS、Preamble码等来确定；,上行同步控制过程,1.LTE的上行定时调整颗粒度为16Ts(0.52uS)，上行定时调整命令通过 2.UE接收到定时调整量 后，需要按照此相应的下行帧定时提前 3.的时刻发送相应的上行帧数据，如下图；对于TD-LTE，为基站侧上行至下行的切换保护时间，约为614Ts，即20us,上行同步控制的流程MAC层信令的方式发送给UE；,目录,LTE物理层信道与信号,LTE物理层过程,LTE物理层概述,随机接入,小区初搜,同步控制过程,功率控制和功率分配过程,功率控制与功率分配,小区内上行功率控制：决定物理信道中一个SC-OFDMA符号的平均功率；下行功率分配：决定每个资源单元(RE)上的符号能量；,小区间通过小区之间信息交互实现；交互信息指示基站调度器分配小区边缘UE的PRB,以及对小区间干扰敏感的PRB；,上行功率控制,PUSCH功率控制,对于UE,子帧i发送PUSCH时按照以下公式计算发射功率:,为RAN4定义的与终端功率等级对应的最大发射功率；,为该次PUSCH传输分配的PRB个数；,为传输格式相关调整量,为路径损耗补偿因子，通过选择合适的因子可以获得小区 边缘吞吐 量和小区间干扰之间的折衷,f(i)为闭环功率调整命令，通过PDCCH发送,PL为UE测量的下行路径损耗,为PUSCH期望接收功率，是小区专属部分 和UE专属部分 两者之和。其中包括两套参数：j=0对应非动态调度的PUSCH传输，j=1 对应动态调度的PUSCH传输；,上行功率控制,PUCCH功率控制,对于UE,子帧i发送PUSCH时按照以下公式计算发射功率:,为PUCCH期望接收功率，它是小区专属部分 和UE专属部分 两者之和；,为PUCCH格式相关的功率调整量，定义为每种PUCCH类型相对于基准PUCCH 格式(PUCCH format 1a)的功率偏置；,g(i)为闭环功率调整命令，通过PDCCH发送；,计算公式中其他参数与PUSCH相同；,上行功率控制,上行SRS的功率控制,对于UE,子帧i发送PUSCH时按照以下公式计算发射功率:,为与PUSCH相比的SRS功率偏移量，该偏移量有两套参数，具体选择哪一套参数中的哪个值由高层配置；,为当前子帧中的SRS发送带宽；,计算公式中其他参数与PUSCH相同；,上行功率控制,上行闭环功率调整命令有两种生效方式，分别是：绝对值调整方式累积值调整方式PUSCH和SRS的功率控制可由高层信令配置采用绝对值调整方式or 累积值调整方式PUCCH只能采用累积值调整方式闭环功率调整命令的发送方式如下表所示Format 3/3A中携带的TPC优先级低于其他DCI Format,上行闭环功率控制,上行功率控制,对于格式0和格式1的Preamble，_Preamble 0dB对于格式2和格式3的Preamble，_Preamble-3dB对于格式4的Preamble，_Preamble 8dB,随机接入功率控制,随机接入Preamble的发射功率按照如下公式计算:,Po_pre是随机接入Preamble的发射功率初始值，其动态范围为-120,-90 dBm，并以2dB为颗粒度，用4bits信令指示；,dB_rampup是随机接入Preamble的发射功率调整步长，其取值可能为 0,2,4,6 dB，用2bits信令指示；,_Preamble是不同随机接入Preamble格式的特定的偏移量，随机接入Preamble长度越短，需要的发射功率越高：,功率控制和功率分配,为什么要进行下行功率分配,基站发射总功率一定，需要将总功率分配给各个下行物理信道；,为下行公共参考信号分配合适的功率，满足小区边缘用户下行测量性能和信道估计性能；,为下行公共信道/信号分配合适的功率，满足小区边缘用户的接收质量；,为用户专属数据信道分配合适的功率，满足用户接收质量的前提下，尽量降低发射功率，减少对邻小区的干扰；,保持OFDM符号的总功率尽量一致，保证功放效率并减少功率浪费；,下行功率分配,基本概念与术语,AEA/ECRSBEB/ECRS,下行功率分配,EPRE:每资源单元能量；,ECRS：每个天线端口上CRS的EPRE；,EA：下行每个天线端口上不包含CRS的OFDM符号上的数据EPRE；,E：下行每个天线端口上包含CRS(或导频空洞)的OFDM符号上的数据EPRE；,下行功率分配,下行公共信道/信号的功率分配,包括广播信道、同步信号、寻呼信道、控制信道等；这些信道/信号的功率根据各自的解调/检测性能设置，通过链路预算的方法按照保证小区边缘用户接收质量进行静态或半静态配置；具体的功率设置结果不需通知用户,下行公共参考信号的功率分配,下行公共参考信号的功率分配由基站决定，决定原则为根据小区大小，信道环境等因素，考虑小区边缘用户的下行测量性能和信道估计性能进行静态或半静态配置；下行公共参考信号EPRE通过系统信息向小区广播，用户可依此计算路损等。,下行功率分配,下行用户数据的功率分配,PB的取值,分配方法,定义,分配原则,下行用户数据的功率分配,基站进行下行功率调整时保持EB/EA比不变，并通过系统参数PB向小区内所有用户广播该比值。,根据用户的反馈(例如CQI)，为接收质量较差的用户分配较大的功率。,基于UE的下行数据功率分配，具体是设置分配给某一UE的物理资源上数据RE的能量，即EA和EB,PB的取值实际是和CRS的功率开销相对应,下行用户数据的功率分配,下行功率分配,小区间功率协调,通过基站间X2接口交互信息的方式实现小区间的功率控制,上行方向,基站之间交互过载指示(OI)信息，向邻小区通知本小区在哪些PRB上检测到高干扰；,基站之间交互高干扰指示(HII)信息，向邻小区通知本小区使用的哪些PRB上可能对邻小区造成高干扰；,基站根据OI和HII信息，对邻小区标记为高干扰的PRB的调度做一定的限制，例如将其调度给低功率的用户；,下行功率分配,小区间功率协调,通过基站间X2接口交互信息的方式实现小区间的功率控制,下行方向,基站之间交互相对窄带发射功率(RNTP)信息，向邻小区通知本小区在哪些PRB上发射了高功率,基站根据RNTP信息，对邻小区标记为高功率的PRB的调度做一定的限制，例如将其调度给低功率的用户；,谢谢您的关注,