最全面LTE物理層總結(jié)

1、All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #Physical Layer IntroductionZhu Xiaoqiang2011.3.7All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #2p LTE的性能需求指標(biāo)p 與LTE物理層相關(guān)的協(xié)議編號(hào)及內(nèi)容p 物理信道的種類p 傳輸信道與物理信道的映射p 物理層相關(guān)參數(shù)p 物理信道結(jié)構(gòu)p 參考信號(hào)和信道估計(jì)功能p LTE物理層過程目錄目錄All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #3LTE的需求指標(biāo)的需求指標(biāo)p 支持1.4MHz-20

2、MHz帶寬p 峰值數(shù)據(jù)率：上行50Mbps，下行100Mbps。頻譜效率達(dá)到3GPP R6的2-4倍p 提高小區(qū)邊界的比特率，保證業(yè)務(wù)的一致性p 用戶面延時(shí)：零負(fù)載（單用戶、單數(shù)據(jù)流）、小分組條件下單向時(shí)延小于5msp 控制面延時(shí)：從駐留狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)的延遲小于1OOms p 每個(gè)小區(qū)在5MHz帶寬下最少支持200個(gè)用戶 p 實(shí)現(xiàn)合理的終端復(fù)雜度、成本和耗電p 對(duì)低速移動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)，同時(shí)支持高速移動(dòng)p 以盡可能相似的技術(shù)同時(shí)支持成對(duì)（paired）和非成對(duì)（unpaired）頻段 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #4與與LTELTE物理層相關(guān)

3、的協(xié)議編號(hào)及內(nèi)容物理層相關(guān)的協(xié)議編號(hào)及內(nèi)容 p TS 36201物理層總體描述p TS 36211物理信道、參考信號(hào)、幀結(jié)構(gòu)p TS 36212信道編碼、交織、速率匹配、復(fù)用p TS 36213隨機(jī)接入等物理層的工作過程p TS 36214物理層的測(cè)量技術(shù)p TS 36302物理層向高層提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #5物理信道的種類物理信道的種類p下行物理信道 PDSCH：下行物理共享信道，承載下行數(shù)據(jù)傳輸、SIB和尋呼信息 PBCH：物理廣播信道，傳遞UE接入系統(tǒng)所必需的系統(tǒng)信息，如帶寬、天線數(shù)目和小區(qū)ID等 PMCH：

4、物理多播信道，傳遞MBMS（單頻網(wǎng)多播和廣播）相關(guān)的數(shù)據(jù) PCFICH：物理控制格式指示信道，表示一個(gè)子幀中用于PDCCH的OFDM符號(hào)的數(shù)量 PHICH：物理HARQ指示信道， 用于eNodB向UE反饋和PUSCH相關(guān)的ACK/NACK信息 PDCCH：下行物理控制信道，用于指示和PUSCH，PDSCH相關(guān)的格式，資源分配，HARQ信息，位于子幀的前n個(gè)OFDM符號(hào)，n1：大延時(shí)CDD的空間復(fù)用p 閉環(huán)空間復(fù)用：在閉環(huán)空間復(fù)用模式下，UE可以假設(shè)eNodeB采用零延時(shí)CDD的空間復(fù)用。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #32下行控制信道下行控制

5、信道PDCCH p PDCCH（Physical downlink control channel）物理下行控制信道，承載的控制信息DCI主要包括：下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度信息、上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度賦予和功率控制命令以及上行發(fā)送數(shù)據(jù)的ACK/NACK。 下行調(diào)度信息用于通知被調(diào)度的UE如何處理下行發(fā)送的數(shù)據(jù)，一個(gè)控制信道承載一個(gè)MAC ID的下行調(diào)度信息。 上行調(diào)度賦予用于給UE的上行數(shù)據(jù)傳輸分配資源，一個(gè)控制信道承載一個(gè)MAC ID的上行調(diào)度賦予。 ACK/NACK下行控制信令中還包括上行傳輸數(shù)據(jù)的HARQ反饋，對(duì)于單數(shù)據(jù)流傳輸，每個(gè)傳輸塊只需1bit信令；但對(duì)多流MIMO傳輸，可能需要多個(gè)比特。

6、此外，DCI控制信息還應(yīng)包括與HARQ重傳相關(guān)的冗余版本RV和新數(shù)據(jù)指示符NDI。p PDCCH與PDSCH采用時(shí)分復(fù)用，PDCCH占據(jù)一個(gè)子幀的前N個(gè)符號(hào)，N=3 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #33下行控制信道下行控制信道PDCCHp REG和CCE在PDCCH上，承載DCI（Downlink Control Information）的基本單元是CCE（Control Channel Element）。由于PDCCH的傳輸帶寬內(nèi)可以同時(shí)包含多個(gè)PDCCH，為了更有效地配置 PDCCH和其他下行控制信道的時(shí)頻資源，LTE定義了兩個(gè)專用的控制

7、信道資源單位：RE組(RE Group，REG)和控制信道粒子(Control Channel Element，CCE)。1個(gè)REG由4個(gè)頻域上并排的RE組成，即4個(gè)子載波1個(gè)OFDM符號(hào)。一個(gè)CCE由9個(gè)REG構(gòu)成，一個(gè)PDCCH又由若干個(gè)CCE構(gòu)成。定義REG如此小的資源單位，主要是為了有效地支持PCFICH(物理控制格式指示信道)、PHICH(物理HARQ指示符信道)等數(shù)據(jù)率很小的控制信道的資源分配；而定義相對(duì)較大的CCE，是為了用于數(shù)據(jù)量相對(duì)較大的PDCCH的資源分配。每個(gè)CCE包含9個(gè)REGs（Resource Element Group，每個(gè)REG包括4個(gè)可用的RE，見TS 362

8、11 6.24 resource-elementgroups），每個(gè)REG包含4個(gè)REs，也就是一個(gè)CCE是包含36個(gè)RE的一個(gè)連續(xù)資源塊。那么在系統(tǒng)帶寬和用于PDCCH的symbol數(shù)量確定后基本可以計(jì)算出總的CCE數(shù)量（從總的RE數(shù)量中去掉PCFICH，PHICH以及參考信號(hào)所占的RE，再除以36）。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #34下行控制信道下行控制信道PDCCH一個(gè)物理控制信道在一個(gè)或者多個(gè)控制信道粒子CCE（control channel element）上傳輸，其中一個(gè)CCE對(duì)應(yīng)9個(gè)RE的集合。PDCCH支持的多種格式如下表所

9、示，每個(gè)PDCCH可以占用1，2，4，8個(gè)CCE。多個(gè)PDCCHS可以同時(shí)在一個(gè)子幀中傳輸，占用不同CCE，在接收端采用盲檢測(cè)的方法區(qū)分某個(gè)用戶的PDCCH All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #35下行控制信道下行控制信道PDCCHp PDCCH時(shí)頻結(jié)構(gòu) PDCCH和數(shù)據(jù)信道的復(fù)用選用TDM方式，在頻域上占用整個(gè)RB，時(shí)域上只占用部分OFDM符號(hào)，放置在一個(gè)子幀的前n個(gè)(n3)OFDM符號(hào)，每個(gè)CCE應(yīng)占滿這個(gè)子幀內(nèi)PDCCH區(qū)域的所有OFDM符號(hào)，以獲得盡可能長(zhǎng)的時(shí)域長(zhǎng)度。也就是說，一個(gè)子幀內(nèi)各個(gè)CCE之間是FDM復(fù)用的，不同的PDCCH占用不

10、同的CEE資源 p DCI格式 一個(gè)DCI傳輸下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度信息、上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度賦予和功率控制命令以及上行發(fā)送數(shù)據(jù)的ACK/NACK。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #36下行控制信道下行控制信道PDCCHp 下行控制信道PDCCH的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)eNodeB端發(fā)送的信號(hào)處理流程為：CRC處理（包括RNTI掩碼處理）、咬尾卷積編碼、速率匹配、加擾、QPSK調(diào)制、層映射、預(yù)編碼、RE映射、IFFT、加循環(huán)前綴、數(shù)字上變頻、DAC、天線發(fā)射。UE端接收的信號(hào)處理流程：ADC、數(shù)字下變頻、時(shí)間與頻率同步、去循環(huán)前綴CP、FFT、RE逆映射、信道估計(jì)

11、、信號(hào)檢測(cè)、層逆映射、QPSK解調(diào)、解擾、速率匹配、信道解碼、盲檢測(cè)與CRC校驗(yàn)等p RE資源映射/逆映射預(yù)編碼以后，對(duì)于天線P上的符號(hào)序列，以4個(gè)符號(hào)為一組映射到相應(yīng)的一個(gè)REG（包括4個(gè)可用的RE）資源上。記) 34(),24(),14(),4()()()()()()(iyiyiyiyizppppp表示在P天線上的第i個(gè)符號(hào)組，構(gòu)成 )1(),.,0(quad)()(Mzzpp在符號(hào)組進(jìn)行映射前，還必須對(duì)Mquad個(gè)符號(hào)組進(jìn)行交織，交織方案與咬尾卷積編碼速率匹配的子塊交織方案樣，矩陣交織法，行寫入（32列），然后列變換，在列讀出。得到序列 ) 1(),.,0(quad)()(MwwppAl

12、l Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #37下行控制信道下行控制信道PDCCH接下來進(jìn)行循環(huán)移位，其移位的方式如下 quadcellID)()(mod)(MNiwiwpp) 1(),.,0(quad)()(Mwwpp射到一個(gè)REG上，先k=0，l=0，按增序進(jìn)行，需要注意的是不能占用參考信號(hào)和RBscDLRBNNk再以一個(gè)REG為單位進(jìn)行映射，映射的方式是將數(shù)據(jù)組映PCFICH和PHICH信道所占用的資源。k為整個(gè)帶寬，逆映射根據(jù)該RE的映射方案提取相應(yīng)的符號(hào)。，l=03，為PCFICH指示的符號(hào)數(shù)。All Rights Reserved Alcatel

13、-Lucent 2007, #38下行控制信道下行控制信道PDCCHp 盲檢測(cè)盲檢測(cè)方法即對(duì)有限的若干種PDCCH配置一一嘗試，每個(gè)UE可以同時(shí)監(jiān)測(cè)一定數(shù)量的候選(Candidate) PDCCH，最終解調(diào)出其中的內(nèi)容。UE監(jiān)測(cè)的候選PDCCH集的大小(即候選PDCCH的數(shù)量)由高層信令控制，這個(gè)值大小應(yīng)該適中，既支持一定的PDCCH靈活性，又具有可以接受的復(fù)雜度。一個(gè)PDCCH可能的時(shí)頻位置可由該P(yáng)DCCH包含的CCE的數(shù)量隱性地指示。下圖是盲檢測(cè)原理的一個(gè)示例，它假設(shè)可供PDCCH使用的CCE的數(shù)量為六個(gè)，尺寸為一個(gè)CCE的PDCCH可能位于任何一個(gè)CCE，尺寸為兩個(gè)CCE的 PDCCH可

14、能的位置有三個(gè)，尺寸為三個(gè)CCE的PDCCH可能的位置有兩個(gè)。這樣，可能的 PDCCH配置共有11種，UE會(huì)一一嘗試解碼這11個(gè)候選PDCCH，最終解調(diào)出PDCCH。 PDCCH盲檢測(cè)的數(shù)量直接關(guān)系到UE解碼PDCCH的復(fù)雜度，雖然采用更多的盲檢測(cè)可以獲得更大的PDCCH靈活性，但卻會(huì)使UE的盲檢測(cè)過程過于復(fù)雜，從而增加UE的成本和功耗。最終確定，一個(gè)處于激活狀態(tài)UE的最大PDCCH盲檢測(cè)數(shù)量為44個(gè)。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #39下行控制信道下行控制信道PDCCHAll Rights Reserved Alcatel-Lucent 2

15、007, #40物理廣播信道物理廣播信道PBCH p 信道功能：PBCH廣播信道主要傳輸小區(qū)系統(tǒng)信息，PBCH的結(jié)構(gòu)與小區(qū)搜索過程有緊密聯(lián)系，其中攜帶的信息用于在小區(qū)搜索過程中向UE廣播基本的系統(tǒng)信息，稱為MIB（Master Information Block）。BCH映射到PBCH。p DBCH：DBCH的準(zhǔn)確的定義是承載在DL-SCH傳輸信道中的SIB （system information block）系統(tǒng)信息，這些信息可以由系統(tǒng)較靈活地在調(diào)度的資源上傳送。UE有能力同時(shí)接收DL-SCH中的廣播信息和單播數(shù)據(jù)的。UE也有能力同時(shí)接收PBCH和DL-SCH，因此，通過DL-SCH傳送DB

16、CH信息是完全可行的。DL-SCH映射到PDSCH。p MIB：BCH上傳輸MIB(Master Information Block)，是系統(tǒng)中需要頻繁傳輸?shù)南到y(tǒng)信息，包括dl-Systembandwidth, phich-Configuration，systemFrameNumber，PHICH的時(shí)域長(zhǎng)度（3bit）；DL-SCH傳輸SIB，RE功率指示以及其他的SI(System information)，它們都address到SI-RNTI。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #41物理廣播信道物理廣播信道PBCH p SIB：DBCH上傳輸

17、的信息塊稱為SIB，主要包括： 一個(gè)或多個(gè)標(biāo)識(shí)； 跟蹤區(qū)域編號(hào)； 小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)； 指示小區(qū)禁用狀態(tài)指示，用于所有共享的； 對(duì)每個(gè)共享均有預(yù)留給運(yùn)營(yíng)商使用； 為所有共享PLMN使用一個(gè)公共的比特用于小區(qū)預(yù)留的擴(kuò)展； 調(diào)度信息，即除了SU-1意外其他調(diào)度單元的周期等信息； SIB映射信息，即指示出SIB在哪個(gè)SU中傳輸。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #42物理廣播信道物理廣播信道PBCH p PBCH傳送的TTI（PBCH信息的更新周期）為40ms，在40ms周期內(nèi)傳輸4次PBCH，位于每一個(gè)無線幀的第一個(gè)子幀的第二個(gè)時(shí)隙的前4個(gè)符號(hào)。這4個(gè)PBC

18、H中的每一個(gè)都應(yīng)該能獨(dú)立解碼，也就是說，如果一個(gè)UE信道條件足夠好，則只要在40ms內(nèi)接收一個(gè)PBCH所在的子幀，就可以解調(diào)出PBCH傳輸塊?？梢岳斫鉃椋?0ms的周期相當(dāng)于對(duì)PBCH數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行4次重傳，而不需要UE對(duì)PBCH進(jìn)行ACK/NACK的反饋。由于PBCH的TTI為40ms，UE除了通過PSC和SSC獲得幀時(shí)鐘外，還需要獲得40ms時(shí)鐘，經(jīng)過研究決定采用盲檢測(cè)的方法獲得。如圖1，PBCH的結(jié)構(gòu)。p PBCH的產(chǎn)生方法：信道編碼模塊通過速率匹配產(chǎn)生長(zhǎng)度可用于4個(gè)子幀的PBCH的編碼塊，經(jīng)過統(tǒng)一的加擾和調(diào)制映射到4個(gè)子幀的PBCH上。由于4個(gè)子幀的PBCH采用的是擾碼不同的碼段，實(shí)際上

19、相當(dāng)于不同的擾碼。p 頻域上，PBCH和PSCH、SSCH一樣，占據(jù)系統(tǒng)帶寬中央的1.08MHz（除DC子載波）的全部72個(gè)子載波。p 接收端根據(jù)PBCH的時(shí)頻位置，使用滑窗方法盲檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)crc校驗(yàn)結(jié)果正確，則說明當(dāng)前滑動(dòng)窗就是40ms的幀邊界，并且可以根據(jù)PBCH的內(nèi)容得到系統(tǒng)幀號(hào)和帶寬信息，以及PHICH的配置。 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #43物理廣播信道物理廣播信道PBCHp 發(fā)射端PBCH的數(shù)據(jù)的處理流程為：加擾、CRC處理、信道編碼、速率匹配、交織、QPSK調(diào)制、層映射與預(yù)編碼、RE映射、IFFT變換、加循環(huán)前綴CP、數(shù)

20、字上變頻、DA轉(zhuǎn)換、多天線發(fā)射。p 接收端的解調(diào)過程：ADC、數(shù)字下變頻、時(shí)間與頻率同步、去CP、FFT、RE逆映射、信道估計(jì)、信號(hào)檢測(cè)、QPSK解調(diào)、解交織、速率匹配、信道解碼、CRC校驗(yàn)。p 需要注意的是：廣播信道對(duì)可靠性要求最高，因此其支持的物理層功能反而最少。BCH采用最可靠的調(diào)制方式QPSK、編碼，僅支持單天線和傳輸分集發(fā)送，物理層配置完全是靜態(tài)的，因此不需要支持任何自適應(yīng)功能。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #44參考信號(hào)和信道估計(jì)參考信號(hào)和信道估計(jì)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #

21、45參考信號(hào)和信道估計(jì)功能All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #46LTE參考信號(hào)設(shè)計(jì)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #47參考信號(hào)輔助信道建模和估計(jì)p 輔助信道建模：信道估計(jì)與設(shè)定的信道模型有關(guān)，其本身由物理傳播特性所決定，物理特性包括發(fā)射接收天線數(shù)、傳輸帶寬、載波頻率、小區(qū)配置和ENODEB與UE接收機(jī)間的相對(duì)速度。載波頻率和系統(tǒng)帶寬主要決定了信道的散射特性小區(qū)部署控制了多徑、傳播延遲和空間相關(guān)特性相對(duì)速度設(shè)置了信道時(shí)變特性p 輔助信道模型p時(shí)頻域相關(guān)：WSSUS信道模型p空間域相關(guān)：Krone

22、cker模型All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #48頻域信道估計(jì)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #49時(shí)域信道估計(jì)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #50空域信道估計(jì)All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #51上行鏈路參考信號(hào)p 上行RS的作用用于相干解調(diào)所需的信道估計(jì)用于上行調(diào)度的信道質(zhì)量探測(cè)功率控制定時(shí)估計(jì)支持下行波束成形的到達(dá)方向估計(jì)p上行鏈路支持兩種RS解調(diào)RS：在物理上行共享信道上與上行鏈路數(shù)據(jù)的

23、傳輸相關(guān)聯(lián)，并且（或）和控制信令在物理上行控制信道相結(jié)合（PUCCH）。這些RS主要用于信道估計(jì)中的相干解調(diào)。探測(cè)RS：不與上行數(shù)據(jù)和（或）控制傳輸相關(guān)聯(lián)，主要用于確定信道質(zhì)量，使得在上行鏈路中能夠進(jìn)行頻率選擇性調(diào)度。All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #52LTE物理層過程物理層過程All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #53同步和小區(qū)搜索p小區(qū)搜索：UE可以確定時(shí)間和頻率參數(shù)，這對(duì)解調(diào)下行鏈路信號(hào)和傳輸具有精確定時(shí)的上行鏈路信號(hào)是必要的。pLTE系統(tǒng)中，需要識(shí)別3個(gè)主要的同步要求符號(hào)定時(shí)的捕獲，通過它

24、來確定正確的符號(hào)起始位置載波頻率同步，需要它來減少或消除頻率誤差的影響，其頻率誤差是由本地振蕩器在發(fā)射端和接收端間的頻率不匹配和UE移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻移造成的采樣時(shí)鐘同步也是必要的All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #54PRACH隨機(jī)接入過程All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2007, #55PRACH隨機(jī)接入過程(1)隨機(jī)接入初始化：MAC層向物理層提供：隨機(jī)接入信道配置索引prach-ConfigurationInde、隨機(jī)接入信道頻率偏移prach-FrequencyOffset（確定初始PRACH位置）

25、、TDD 上下行配置、隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的格式preamble format（從隨機(jī)接入信道配置索引prach-ConfigurationInde中查表獲得）、邏輯前導(dǎo)根序列索引RACH_ROOT_SEQUENCE，前導(dǎo)序列組類型標(biāo)識(shí)High-speed-flag，前導(dǎo)序列循環(huán)移位值，隨機(jī)接入前導(dǎo)發(fā)送功率PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER、隨機(jī)接入無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)志RA-RNTI、PDCCH信道的監(jiān)測(cè)窗（規(guī)定起止監(jiān)測(cè)時(shí)間）。(2)利用從上層獲得的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列preamble index（RACH_ROOT_SEQUENCE，High-speed-flag，）獲取待發(fā)送的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列。(3)在上層指示的隨機(jī)接入信道資源上，對(duì)上層提供的隨機(jī)接入前導(dǎo)發(fā)送功率做如下處理后作為隨機(jī)接入前導(dǎo)的實(shí)際發(fā)送功率，發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)序列：PPRACH = min, PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER + PL(4)在上層規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（隨機(jī)接入響應(yīng)窗）監(jiān)測(cè)PDCCH信道： 若檢測(cè)到隨機(jī)接入響應(yīng)（使用RA-RNTI檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的PDCCH）并在相應(yīng)的UL-SCH中檢測(cè)到隨機(jī)接入前導(dǎo)序列索引（前導(dǎo)序列指示符），說明前導(dǎo)序列已被eNode B檢測(cè)到，UE按UL-SCH指示的資源和傳輸方案發(fā)送資源調(diào)度請(qǐng)求，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)來自eNode B的沖