第5章-LTE物理层协议

第5章LTE物理层协议5.1物理层概述5.2帧结构与系统参数5.3资源映射与调度5.4物理信号5.5物理信道5.1物理层概述LTE的物理层协议由如下5个规范构成。（1）TS36.201物理层概述。（2）TS36.211物理信道与调制。（3）TS36.212复用与信道编码。（4）TS36.213物理层过程。（5）TS36.214物理层测量。5.1物理层概述TS36.201是概述性文档，而其他4个文档为具体的规范文档，这4个文档所描述的内容与高层的关系如图5-1所示。5.1.1物理层协议结构图5-1给出了物理层周围的E-UTRA无线接口协议结构。物理层与层2的媒体接入控制（MediaAccessControl，MAC）子层和层3的无线资源控制（RadioResourceControl，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（ServiceAccessPoint，SAP）。物理层向MAC层提供传输信道（TransportChannel）。MAC提供不同的逻辑信道给层2的无线链路控制（RadioLinkControl，RLC）子层。5.1.2物理层相关功能为了提供数据传输服务，物理层将提供如下功能。（1）传输信道的错误检测并向高层提供指示。（2）传输信道的前向纠错（ForwardErrorCorrection，FEC）编码解码。（3）混合自动重传请求（HybridAutomaticRepeat-reQuest，HARQ）软合并。（4）编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配。（5）编码的传输信道与物理信道之间的映射。（6）物理信道的功率加权。（7）物理信道的调制与解调。（8）频率和时间同步。（9）射频特性测量并向高层提供指示。（10）多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）天线处理。（11）传输分集。（12）波束赋形。（13）射频处理。5.1.3物理层协议规范简介1．物理层概述对于LTE的物理层的多址方案，在下行方向上采用基于循环前缀（CyclicPrefix，CP）的正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM），在上行方向上采用基于循环前缀的单载波频分多址（SingleCarrier-FrequencyDivisionMultiplexingAccess，SC-FDMA）。5.1.3物理层协议规范简介2．物理信道与调制下行定义的物理信道包括物理下行共享信道（PhysicalDownlinkSharedChannel，PDSCH）、物理多播信道（PhysicalMulticastChannel，PMCH）、物理下行控制信道（PhysicalDownlinkControlCHannel，PDCCH）、物理广播信道（PhysicalBroadcastCHannel，PBCH）、物理控制格式指示信道（PhysicalControlFormatIndicatorCHannel，PCFICH）以及物理HARQ指示信道（PhysicalHARQIndicatorCHannel，PHICH）。5.1.3物理层协议规范简介3．复用与信道编码LTE传输块的信道编码方案为Turbo编码，编码速率为R=1/3，它由两个8状态子编码器和一个Turbo码内部交织器构成。在Turbo编码中使用栅格终止（TrellisTermination）方案。4．物理层过程LTE操作中涉及多个物理层过程，这些过程包括小区搜索、功率控制、上行同步和上行定时控制、随机接入相关过程、HARQ相关过程。5．物理层测量无线特性在终端和基站进行测量，并在网络中向高层报告。这包括用于同频和异频切换的测量，用于不同无线接入技术（RadioAccessTechnology，RAT）之间切换的测量，定时测量，用于无线资源管理（RadioResourceManagement，RRM）的测量。5.2帧结构与系统参数1．后向兼容性2．带宽扩展性3．无线接入网（RAN）延迟4．高数据率5．多普勒频移和相位噪声6．支持广域覆盖7．E-MBMS系统的数据率8．控制选项数量5.2.1FDD帧结构（FS1）一个子帧定义为两个相邻的时隙，其中第i个子帧由第2i个和2i+1个时隙构成，如图5-2所示。5.2.1FDD帧结构（FS1）1．FDD下行帧结构（FS1）FDDLTE上、下行均采用简单的等长时隙帧结构。如图5-3所示，LTE系统沿用了UMTS系统一直采用的10ms无线帧长度。5.2.1FDD帧结构（FS1）2．FDD上行帧结构（FS1）FDDLTE的上行帧结构在时隙以上层面完全和下行相同（如图5-4所示）。5.2.2TDD帧结构（FS2）帧结构类型2适用于TDD模式。每一个无线帧由两个半帧构成，每一个半帧长度为5ms。每一个半帧由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成。1个常规时帧的长度为0.5ms。DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，并且要求DwPTS、GP以及UpPTS的总长度等于1ms。具体配置如表5-1所示。配置常规CP扩展CPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS06592Ts/321936Ts/102192Ts/17680Ts/320480Ts/82560Ts/1119760Ts/98768Ts/420480Ts/87680Ts/3221952Ts/106576Ts/323040Ts/95120Ts/2324144Ts/114384Ts/225600Ts/102560Ts/1426336Ts/122192Ts/17680Ts/317920Ts/75120Ts/256592Ts/319744Ts/94384Ts/220480Ts/85120Ts/2619760Ts/96576Ts/323040Ts/92560Ts/1721952Ts/104384Ts/2———824144Ts/112192Ts/1———5.2.2TDD帧结构（FS2）子帧1包含DwPTS、GP以及UpPTS，子帧6在表5-1所列的配置0、1、2和6中包含DwPTS、GP以及UpPTS。所有其他子帧包含两个相邻的时隙，其中第i个子帧由第2i个和第2i+1个时隙构成，如图5-5所示。5.2.2TDD帧结构（FS2）LTETDD支持5ms和10ms的上/下行子帧切换周期。具体的配置参见表5-2，其中D表示用于下行传输的子帧，U表示用于上行传输的子帧，S表示包含DwPTS、GP以及UpPTS的特殊子帧。配置切换周期子帧序号012345678905msDSUUUDSUUU15msDSUUDDSUUD25msDSUDDDSUDD310msDSUUUDDDDD410msDSUUDDDDDD510msDSUDDDDDDD610msDSUUUDSUUD5.2.2TDD帧结构（FS2）5ms周期FS2如图5-6所示，将一个10ms无线帧分为两个5ms的“半帧”（HalfFrame）。5.2.2TDD帧结构（FS2）10ms周期FS2如图5-7所示，和5ms周期FS2不同，这种帧结构在一个10ms无线帧中只包含一个特殊子帧，位于子帧1，其余子帧均为常规子帧。5.2.2TDD帧结构（FS2）5ms周期FS2支持的上/下行子帧比例如图5-8所示。5.2.2TDD帧结构（FS2）10ms周期FS2支持的上/下行子帧比例如图5-9所示。5.2.2TDD帧结构（FS2）例如，FS1的主同步信道（PSCH）和辅同步信道（SSCH）分别位于时隙0的倒数第1个和倒数第2个符号。而在FS2中，PSCH放置在DwPTS的第3个符号，SSCH则放置在时隙1的最后一个符号（如图5-10所示）。5.2.3发送时间间隔（TTI）长度较大的TTI可以更有效地支持低数据率业务、优化QoS、降低调度开销、提高系统效率。而针对延迟比较敏感的实时业务，则应该采用尽可能小的TTI，以降低传输延迟。可以考虑采用半静态（Semi-static）方式或动态（Dynamic）方式改变TTI的长度。在采用半静态TTI时，可以通过高层信令来调整TTI。在采用动态TTI时，系统可以直接通过物理层动态地将若干个连续的时隙连起来组成一个TTI。5.2.4子载波间隔OFDM系统的子载波间隔选择取决于频谱效率和抗频偏能力的折中。在一定的CP长度（取决于小区大小和多径信道特性）下，子载波间隔越小，OFDM符号周期越长，系统频谱效率越高。5.2.5循环前缀（CP）长度如图5-11所示，多径延迟在OFDM系统中的影响首先是造成符号间干扰（lSI）和载波间干扰（ICI）。5.2.5循环前缀（CP）长度LTE系统支持的3种符号结构如图5-12所示，常规小区的单播系统采用4.6875s的CP和66.67s的符号；大小区的单播系统或单播/MBMS混合载波的E-MBMS系统采用16.67s的CP和66.67s的符号；DC-/MBMS系统采用33.33s的CP和133.33s的符号。5.3资源映射与调度5.3.1资源单位的定义1．下行RB的定义（1）物理资源块①物理资源块的定义。如果将1个符号×1个子载波定义为一个资源粒子（ResourceElement，RE），则一个PRB包含M×N个RE，如图5-13所示。②物理资源块的大小。5.3.1资源单位的定义（2）虚拟资源块如图5-14所示，集中式分配方式将若干连续子载波分配给一个用户，这种方式下系统可以通过频域调度选择较优的子载波组进行传输，从而获得频域上的调度增益和时域上的多用户分集增益。5.3.1资源单位的定义2．上行RB的定义（1）RB的定义上行RB也可以分为LRB（LocalizedRB）和DRB（DistributedRB）两种，如图5-15所示。（2）RB的大小RB的大小应该和上行数据的最小载荷相匹配。一个RB的时域大小为一个时隙，即0.5ms。一个时隙在常规CP情况下包含7个SC-FDMA块，在扩展CP情况下包含6个SC-FDMA块。5.3.1资源单位的定义3．控制信道资源单位的定义LTE定义了两个专用的控制信道资源单位：RE组（REGroup，REG）和控制信道粒子（ControlChannelElement，CCE）。1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由若干个REG构成，一个PDCCH又由若干个CCE构成。5.3.2业务信道资源映射与调度1．下行业务信道资源映射这些RE可以以FDM、TDM、跳频等方式分布在各PRB中，如图5-16所示。5.3.2业务信道资源映射与调度（1）NDPRB的值。（2）对某个UE是否使用DVRB方式发射。（3）此DVRB的Nd。（4）此DVRB映射到哪Nd个PRB上。（5）映射到这Nd个PRB上的具体时频位置。5.3.2业务信道资源映射与调度例如，在图5-17所示的情况中，一个DVRB对的第1个DVRB映射到一个PRB对的第1个PRB，第2个DVRB映射到另一个PRB对的第2个PRB。5.3.2业务信道资源映射与调度如图5-18所示，2阶分集映射即将两个DVRB对映射到两个PRB对上，这两个PRB对完全由这个UE占用，这样该UE只能获得两个PRB的频率分集效果（即2阶分集），但这种映射方式可以保证每个PRB都充分利用。5.3.2业务信道资源映射与调度2．上行业务信道资源映射在如图5-19所示（这里假设TTI=1ms）的例子中，假设HARQ的RTT为5个TTI，则Inter-TTIFH就是每隔5个TTI跳频一次，而Intra-TTIFH是在一个TTI的两个时隙之间跳频一次。5.3.2业务信道资源映射与调度3．资源调度和CQI测量这些操作依据的信息可能包括以下几方面。①QoS（服务质量）参数和测量。②eNodeB缓存中等待调度的负载量。③在队列中等待的重传任务。④UE的CQI反馈。⑤UE的能力（Capability）。⑥UE睡眠周期和测量间隔/周期。⑦系统参数，如系统带宽和干扰水平/干扰结构等。5.3.2业务信道资源映射