LTE物理层基本概念.ppt

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1、TD-SCDMA长期演进技术 LTE物理层,TD网规网优部 梁晋仲 2008年11月,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,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,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,下行OFDM 上行SC-FDMA

2、,LTE多址方式,OFDM即正交频分多路复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），与传统的多载波调制（MCM）相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性。,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,IDFT,IFFT,OFDM调制,OFDM解调,OFDM FFT实现,采样频率Fs 采样周期Ts FFT点数NFFT 子载波间隔f 有用符号时间Tu 循环前缀时

3、间Tcp OFDM符号时间TOFDM 可用子载波数目Nc,关键参数：f,Tcp以及Nc采样频率以及FFT点数与实现相关,OFDM主要参数,子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输 7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波数目 循环前缀长度 一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同,LTE系统中，利用NFFT=2048的采样周期定义基本时间单元：Ts=1/Fs=1/(15000 x2048)秒,LTE OFDM主要参数,单载波特性：a)信号具有低的峰均比b)传输带宽取决于M,DFTS-OFDM原理,子载波间隔 15kHz 子载波数目 循环

4、前缀长度 一个时隙中不同DFTS-OFDM符号的循环前缀长度不同,LTE DFTS-OFDM关键参数,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,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

5、套收发信机并节省双工器的成本。,双工方式,TDU,传输时延与终端接收/发送转换：TDU RTT+TUE,Rx-Tx,避免基站间的干扰：TDU RTTa/2+RTTb/2,TDD保护间隔,TUD,一般情况下，帧结构中需要保留上行与下行之间的保护间隔，用于基站的接收与发送转换,TDD保护间隔,TUD,LTE TDD系统中的TUD，通过定时提前来创造,TDD保护间隔,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

6、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 5ms DLUL切换周期：特殊子帧在两个半帧中都存在 10ms DLUL切换周期：特殊子帧只在第一个半帧中存在,子帧0，子帧5以及DwPTS永远是下行 UpPTS以及UpPTS之后的第一个子帧永远为上行,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,帧结构,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,基本时间单位 天线端口 LTE使用

7、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。,小区专用参考信号传输天线端口：天线端口03MBSFN参考信号传输天线端口：天线端口4终端专用参考信号传输天线端口：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

8、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,RB参数,（常规子帧）,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,物理资源概念,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,常规子帧：常规子帧由两个时隙组成，每个时隙长度0.5ms 下行Unicast/MBSFN子帧 下行MBSFN专用载波子帧 上行常规子帧 特殊子帧：特殊子帧由三个特殊域组成，分别为DwPTS、GP和UpPTS，特殊子帧只存在帧结构类型2中,子帧结构,控制区域与数据区域进行时分 控

9、制区域OFDM符号数目可配置,下行Unicast/MBSFN子帧,数据传输方式 localized distributed,下行Unicast/MBSFN子帧,下行MBSFN专用载波子帧中不存在控制区域 即控制区域OFDM符号数目为0,下行MBSFN专用载波子帧,控制区域与数据区域进行频分 数据传输方式 Localized Localized+FH,上行常规子帧,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,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 PH

10、ICH：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,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,PDSCH、PMCH以及PBCH映射到子帧中的数据区域上；PMCH与PDSCH或者PBCH不能同时存在于一个子帧中 PDSCH与PBCH可以存在于同一个子帧中 由于子帧0和子帧5存在PBCH，所有子帧0和子帧5不能传输PMCH,常规CP,扩展CP,下行物理信道的RE映射,PDCCH、PCFICH以及PHICH映射到子帧中的控制区域上 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 PCFIC

11、H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,PDCCH用于承载资源分配信息，包括功率控制信息 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P

12、HICH的REG上。,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

13、一个RB 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 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 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，具体见下页表格,下行物理信道的RE映射,PHICH Group,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

14、所示 一个PHICH group被划分为3部分，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,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,上行物理信道,调制方式包括QPSK、16QAM以及64QAM传输预编码即DFT操作，为了简化DFT实现，要求DFT操作的点数必须为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,上行物理信道

15、PUSCH,上行物理信道 PUCCH格式,常规CP,扩展CP,上行物理信道 PUCCH Format 1/1a/1b结构,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 form

16、at 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 1/1a/1b RE映射,常规CP,扩展CP,上行物理信道 PUCCH Format 2/2a/2b结构,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

17、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,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 PUCCH Format 2/2a/2b RE映射,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 PRACH 结构,序列

18、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 结构,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

19、中传输,上行物理信道 PRACH 格式,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,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for

20、mat 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 PRACH 资源映射,上行物理信道 PRACH 资源映射,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,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,下行物理信号,FS1，常规CP,FS2，常规CP,同步信号,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

21、序列都由m序列产生。,同步信号序列,常规CP,小区专用参考信号,扩展CP,小区专用参考信号,常规CP，15kHz,扩展CP，7.5kHz,MBSFN参考信号,常规 CP 15kHz,扩展CP，15kHz,用户专用参考信号,上行参考信号 解调用参考信号（DRS)探测用参考信号（SRS）,上行物理信号,常规CP,扩展CP,PUSCH解调用参考信号,参见前面PUCCH相关部分,PUCCH解调用参考信号,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，

22、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（不一定对，需确认）是否同时传输SRS与ACK/NAKC（Simult

23、aneous 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（Fre

24、quency-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,探测用参考信号,内容,信道带宽多址技术双工方式与帧结构物理资源概念子帧结构物理信道物理信号物理层过程,FS1，常规CP,FS2，常规CP,小区搜索 时频资源,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

25、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。,小区搜索 同步信号序列,5ms 定时，获得,10ms 定时，获得,计算得到,读取MIB,读取SIB,Primary synchronization signal,Secondary synchronization signal,PBCH,DBCH,公共天线端口数目（盲检）SFN下行系统带宽 PHICH配置信息,其他系统信息,小区搜索流程,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,随机接入 PRACH结构,序列产生

26、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,随机接入 PRACH结构,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,随机

27、接入 PRACH格式,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,随机接入 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，Preamb

28、le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。,随机接入 PRACH资源映射,随机接入 PRACH资源映射,基于竞争的随机接入 由Idle状态进行初始接入 无线链路失败后进行初始接入 切换时进行随机接入 在Active情况下，下行数据到达，如果没有建立上行同步，则需要随机接入 在Active情况下，上行数据到达，如果没有建立上行同步，或者没有资源发送调度请求，则需要随机接入 无竞争的随机接入 切换时进行随机接入 在Active情况下，下行数据到达，如果没有建立上行同步，则需要随机接入,随机接入过程,Preamble：5 bits 随机id1 bit 信道质量信息,PDCCH:RA-RNTIPDSCH:随机id TA UL grant Temporary C-RNTI,PUSCH:主要用于建立RRC链接,PDCCH:Temporary C-RNTIPDSCH:UE Contention Resolution Identity 其他RRC消息,基于竞争的随机接入过程,PDCCH:RA-RNTIPDSCH:TA UL grant Preamble id,Preamble资源分配,Preamble:Preamble id,无竞争的随机接入过程,