[信息与通信]LTEPHY介绍 for 市场.ppt

200904,LTE系统物理层介绍(一),大唐移动通信设备有限公司系统与标准部肖国军,主要内容 LTE 起源及里程碑 物理层概述 信道带宽 多址技术 双工方式与帧结构 物理资源概念,物理信道 下行上行 物理信号下行上行,LTE 关键技术多天线技术控制信道设计与调度信令,LTE起源及里程碑,驱动力利益之争运营商，设备商业务需求新业务的更高需求同时要满足原业务的平稳过渡性价比的不断提升需求摩尔定律（反摩尔定律）,LTE（Long-Term Evolution）起源LTE项目的启动主要有三方面的考虑：系统竞争力基于CDMA技术的3G标准HSD/UPA增强系统应对来自于WiMAX的市场压力为应对ITU的4G标准征集做准备,The justification of the Study Item was that with enhancements such as HSDPA and Enhanced Uplink,the 3GPP radio-access technology will be highly competitive for several years.However,to ensure competitiveness in an even longer time frame,i.e.for the next 10 years and beyond,a long-term evolution of the 3GPP radio-access technology needs to be considered.-3GPP TR 25.913,LTE里程碑,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,里程碑 大唐移动在2005年5月正式开始LTE技术的研究，并直接参与3GPP LTE的标准化工作 大唐移动全面跟进LTE标准化的各个阶段：2005年11月，与TD-SCDMA系统兼容的帧结构被3GPP接受，作为LTE TDD系统的帧结构之一，与HCR兼容的帧结构并存。后分别命名为Frame Structure Type2和Frame Structure Type1(可以同时用于FDD与TDD)。2007年05月，波束赋形技术正式被3GPP接受，开始进行专用导频的研究 2007年11月，基于Frame Structure Type2，两个TDD帧结构进行融合，形成新的Frame Structure Type2，原Frame Structure Type1不再适用于TDD 3GPP开始基于Frame Structure Type2，全面开展TDD相关的标准化工作,物理层概述,主要特征基于OFDM技术的空中接口 基于分组交换思想，使用共享信道支持FDD和TDD两种双工方式 主要功能 物理层通过使用MAC子层的传输信道，向高层提供数据传输服务，主要功能包括 传输信道的错误检测，并向高层提供指示 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 物理信道调制与解调 频率与时间同步 无线特征测量，并向高层提供指示 MIMO天线处理（预编码，空间复用，传输分集，波束赋形）射频处理（射频相关规范）,多址技术,多址方式 OFDM vs.CDMA多数公司认为OFDM可以获得更高的频谱效率少数公司认为频谱效率相当，且具有更好的后向兼容性OFDM vs.SC-FDMA（上行）多数公司认为OFDM导致高PAPR，影响UE的成本和电池寿命，建议采用单载波OFDM技术少数公司认为采用OFDM技术，另外采用一些增强技术解决PAPR问题，主要是Wimax阵营结论下行OFDM上行SC-FDMA,下行采用OFDM技术 OFDM 原理 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 原理简化接收机处理（均衡）利用频率分集增益,上行采用SC-FDMA技术DFT-S-OFDM原理连续映射等间隔映射,信道带宽(系统),信道带宽 支持的信道带宽（Channel Bandwidth）1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHz LTE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,双工方式与帧结构,双工方式,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。,帧结构 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 TDD帧结构 特殊子帧配置,物理资源概念,物理资源概念 基本时间单位 天线端口 LTE使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口的定义是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口。天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。由于目前LTE上行仅支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源，所以上行还没有引入天线端口的概念。目前LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号05。,CRS：天线端口03MBSFN：天线端口4DRS：天线端口5,物理资源概念 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,物理信道,下行物理信道 PDSCH：物理下行共享信道 PMCH：物理多播信道 PDCCH：物理下行控制信道 PBCH：物理广播信道 PCFICH：物理控制格式指示信道 PHICH：物理HARQ指示信道,下行物理信道一般处理流程,下行物理信道调制方式,下行物理信道码字数目、层数目以及预编码操作 PMCH 发射分集（不需要标准化）,下行物理信道的RE映射 控制区域与数据区域TDM；PCFICH、PDCCH、PHICH映射在控制区域；PDSCH、PMCH、PBCH映射到数据区域；,常规CP,扩展CP,下行物理信道的RE映射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OFDM符号上的4个REG上 第一个REG的位置取决于小区id 4个REG之间相差1/4带宽,下行物理信道的RE映射 PHICH用于承载HARQ应答信息 PHICH Group HI信息在信道编码之后长度为3比特，经过BPSK调制以及正交扩展之后，长度分别为12比特（常规CP，正交序列长度为4）以及6比特（扩展CP，正交序列长度为2），对应于一个PHICH。对于扩展CP，6比特信息需要通过补零匹配PHICH的大小（12比特）。多个PHICH叠加之后可以映射到同一个PHICH group，使用正交序列进行区分。对于常规CP配置，一个PHICH group包括8个PHICH；对于扩展CP配置，一个PHICH group包括4个PHICH一个PHICH group对应于12RE 对于FDD，所有子帧中的PHICH group数目相同 有四种配置，由高层控制（PBCH）对于常规CP，数目分别分别为总RB个数的1/48、1/16、1/8以及1/4 对于扩展CP，数目分别分别为总RB个数的1/24、1/8、1/4以及1/2,下行物理信道的RE映射 PHICH Group 对于TDD，不同子帧中的PHICH group数目不同，可以根据上述四种配置之一，分别乘以0，1或者2获得TDD不同子帧中的PHICH group数目。与上下行配置有关，具体见下面表格,下行物理信道的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,PHICH扩展长度为2的子帧 PHICH扩展长度为3的子帧,下行物理信道的RE映射 PDCCH用于承载资源分配信息，包括功率控制信息等 逻辑映射 控制信道单元（CCE:Control Channel Element）：逻辑单元，对应于9个REG 一个PDCCH是一个或者几个连续CCE的集合，即DCI通过信道编码、速率匹配之后，首先映射到一个或者多个CCE上 根据PDCCH中包含CCE的个数，可以将PDCCH分为如下四种格式 物理映射DCI映射到CCE上之后，需要将多个用户的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。,下行物理信道的RE映射 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 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,上行物理信道 PUSCH：物理上行共享信道 PUCCH：物理上行控制信道 PRACH：物理随机接入信道,PUSCH,调制方式包括QPSK、16QAM以及64QAM传输预编码即DFT操作。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处理流程,PUCCH 格式,PUCCH format 1/1a/1b结构,常规CP,扩展CP,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,PUCCH format 2/2a/2b 结构,常规CP,扩展CP,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,PRACH 结构 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,PRACH 结构 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,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,PRACH 资源映射 FDD 一个上行子帧中只能同时存在最多一个PRACH信道，并且与PUCCH相邻，固定在频带的一侧 当存在多个上行PRACH信道时，不同小区的PRACH信道在时域尽量错开,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。,PRACH 资源映射,物理信号,下行物理信号 同步信号 主同步信号 辅同步信号 参考信号 小区专用参考信号 MBSFN参考信号 终端专用的参考信号,同步信号,FS1，常规CP,FS2，常规CP,同步信号序列 主同步信号使用Zadoff-Chu序列 副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。,小区专用参考信号,常规CP,小区专用参考信号,扩展CP,MBSFN参考信号,扩展CP，15kHz,扩展CP，7.5kHz,用户专用参考信号,扩展CP,扩展CP，7.5kHz,上行物理信号 上行参考信号 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,PUCCH 解调用参考信号,探测用参考信号 主要用途 对上行信道质量进行估计，用于上行信道调度 对于TDD，可以利用信道对称性获得下行信道质量 主要参数 时域参数 符号位置：位于配置SRS的上行子帧的最后一个SC-FDMA符号；对于UpPTS，其所有符号都可以用于传输SRS 子帧位置（SRS sub-frame configuration）：UE通过广播信息获得哪一个子帧中存在SRS。配置了SRS的子帧的最后一个SC-FDMA符号预留给SRS，不能用于PUSCH的传输 子帧偏移（Sub-frame offset）：UE通过RRC信令获得SRS所在的具体子帧位置 持续时间（Duration）：UE通过RRC信令获知其传输时间是一次性的还是无限期的 周期（Period）：UE通过RRC信令获知其在一个持续时间内传输的周期，支持2、5、10、20、40、80、160ms 是否同时传输SRS与ACK/NAKC（Simultaneous transmission of ACK/NACK and SRS）：UE通过RRC信令或者其是否允许其同时传输SRS与ACK/NACK，如果是，则使用截断的PUCCH来传输ACK/NACK，即PUCCH的最后一个SC-FDMA符号被打掉。,探测用参考信号 主要参数 序列参数 循环移位（Cyclic shift）：UE通过专用RRC信令获得序列的循环移位值 频域参数 SRS带宽配置（SRS bandwidth configuration）：UE通过广播信息获得小区允许的SRS的带宽信息 SRS带宽（SRS-bandwidth）：UE通过RRC信令获得具体的带宽配置 频域位置（Frequency-domain position）：UE通过RRC信令获得具体的SRS传输PRB位置 跳频信息（Frequency-hopping information）：UE通过RRC信令获知其是否进行SRS跳频 Transmission comb：UE通过RRC信令获知其使用的Comb信息,多天线技术,LTE系统的天线配置 下行 利用公共天线端口，LTE系统可以支持单天线发送（1x），双天线发送（2x）以及4天线发送（4x），从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益 利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术，LTE系统可以支持更多发送天线，比如8天线发送，从而提供传输分集、空间复用增益同时，提供波束赋形增益 上行 目前，LTE系统上行仅支持单天线发送 可以采用天线选择技术提供空间分集增益,空间复用,SISO,MISO,SIMO,MIMO,空间复用 多码字传输 多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2。,单码字 多码字,基于预编码的空间复用 在空间复用传输之前，多个数据流使用一个线性的预编码矩阵或者向量进行预编码操作 在发送层数与发射天线相等(NL=NT)的情况下，预编码操作可以正交化多个并行的传输，增加不同数据流之间的隔离度 进一步，在发送层数小于发送天线数目(NLNT)的情况下，预编码操作还可以获得波束赋形增益/传输分集增益,MU-MIMO 下行MU-MIMO:将多个数据流传输个不同的用户终端，多个用户终端以及eNB构成下行MU-MIMO系统 下行MU-MIMO可以在接收端通过消除/零陷的方法，分离传输给不同用户的数据流 下行MU-MIMO还可以通过在发送端采用波束赋形的方法，提前分离不同用户的数据流，从而简化接收端的操作 LTE下行目前同时支持SU-MIMO和MU-MIMO,SU-MIMOMU-MIMO,MU-MIMO 上行MU-MIMO:不同用户使用相同的时频资源进行上行发送（单天线发送），从接收端来看，这些数据流可以看作来自一个用户终端的不同天线，从而构成了一个虚拟的MIMO系统，即上行MU-MIMO LTE上行仅仅支持MU-MIMO这一种MIMO模式,SU-MIMOMU-MIMO,传输分集 ST/FBC,STBC,SFBC,LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC,传输分集 TSTD,LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例,传输分集 FSTD,LTE系统并没有直接采用FSTD技术，而且与其他传输分集技术结合起来使用,传输分集 SFBC+FSTD,LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC,波束赋形 波束赋形技术要求使用小间距的天线阵列，且天线单元数目要足够多 波束赋形技术的实现方式是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束，从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上 波束赋形技术可以充分的利用TDD系统的信道对称性 DOA SVD,下行多天线传输模式 单天线传输（port0）传输分集发送分集模式两天线用SFBC模式，4天线用SFBC+FSTD模式。开环空间复用开环复用模式依据信道矩阵Rank进行判断，如果RI=1,此时变成发送分集模式，如果RI1,使用大时延CDD进行空间复用。闭环空间复用闭环空间复用需要反馈PMI，由PMI指示codebook。MU-MIMO 闭环Rank1预编码闭环单流，需要反馈PMI，适用于RANK=1的场景。单天线传输（port5）,控制信道设计与调度信令,信令 信息分类数据信令（高层、物理层）一些信令设计的基本问题信令的内容信令的格式与结构信令与数据复用结构,下行信令LTE系统数据与信令的复用结构 TDM vs.FDMDLUL,下行信令结构 Semi-static vs.dynamicCFI?具体结构PCFICHPHICH PDCCH,PDCCH每个PDCCH承载一条DCI每个子帧可能存在多条DCIPDCCH format：1/2/4/8 CCEDCI format:UL grant:DCI 0DL grant:DCI1,1a,1b,1c,1d,2,2a,下行调度信令 UL Grant:DCI0,If the number of information bits in format 0 is less than the payload size of for format 1A(including any padding bits appended to format 1A),zeros shall be appended to format 0 until the payload size equals that of format 1A.,调度信令 DL Allocation DCI format 1 for SIMO,调度信令 DL Allocation:DCI format 2 is used for scheduling PDSCH to UEs configured in closed-loop spatial multiplexing mode.,调度信令 资源分配类型 类型0：使用bitmap指示具体分配的资源块组（RBG），每一个资源块组的大小为P，与系统带宽有关 类型1：(1)基于资源块分组，形成P个子集(2)在一个子集中使用1比特表示是从左侧，还是从右侧开始选取RB(3)使用bitmap指示在一个子集中具体分配的资源块（RB）,50 RBs exampleP=32 bits表示子集1 bits表示左/右14比特bitmap,调度信令 资源分配类型 类型2：使用RB起点，以及包含RB的个数，指示调度的多个连续的物理/虚拟RB if then else,PDCCH的CCE mapping 4种PDCCH format,搜索空间概念 common space UE-specific space每子帧最大44次盲检,动态调度情况：,半持续调度情况：,上行信令 FDM跳频结构 承载内容：ACK（SR）CQI（SNR，RI，PMI）单载波特性的影响PUSCH 与PUCCH不同时存在信令插入PUSCH发送信令冲突Joint传输drop,上行信令 TDD特殊问题 多ACK/NACKACK bundlingACK multiplexing DTXDAI,THANK YOU!,