1、LTE物理层协议介绍,系统与标准部 信号处理研究室 2010-03-15,本课程的内容,总结,LTE物理层过程,LTE上行传输,LTE下行传输,LTE帧结构,LTE帧结构,LTE design goals,1,Frame structure type 1,2,Frame structure type 2,3,LTE design goals,Support scalable bandwidth of 1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz Peak data rates DL：100Mbps(20M channel bandwidth) UL：50Mbps(20M
2、 channel bandwidth) Support antenna configurations DL： 4x2、2x2、1x2、1x1 UL：1X2、1X1 Spectrum efficiency DL：3 to 4 x HSDPA Rel.6 UL：2 to 3 x HSUPA Rel.6,LTE design goals (cont.),Latency C-plane：50-100 ms U-plane： 10 ms from UE to server Mobility Optimized for low speeds(15km/h) High performance at spee
3、ds up to 120km/h Maintaining link at speeds up to 350km/h Coverage Full performance up to 5km Slightly degradation 5km-30km Operation up to 100km should not be precluded by standard,Frame Structure,Frame structure 1 支持全双工FDD和半双工FDD 每个无线帧为10 ms,由10个子帧构成,每个子帧又可以分为2个时隙,标号从0-19Frame structure 2 只支持TDD 每
4、个无线帧由2个半帧构成,每个半帧由5个子帧构成,Frame Structure(cont.),常规子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成，长度为1ms 子帧0和子帧5只能用于下行传输 特殊子帧由DwPTS，GP以及UpPTS构成，总长度为1ms 5ms切换周期配置时子帧1和子帧6用作特殊子帧 10ms切换周期配置时子帧1用作特殊子帧 UpPTS之后的第一个常规子帧只能用于上行传输 可以通过配置不同的时隙比例以及DwPTS/GP/UpPTS的长度，保证与TD-SCDMA的共存,TD-SCDMA FS,Frame Structure(cont.),与TD-SCDMA比有哪些不同?,本课程的内容,总结
5、,LTE物理层过程,LTE上行传输,LTE下行传输,LTE帧结构,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天线技术,总结,下行物理信号,下行小区间干扰减轻,下行时隙结构和物理资源,Resource Grid(RG)：频域时域Resource Block(RB)：频域:时域Resource Element(RE)：最小资源单元,下行时隙结构和物理资源(cont.),Physical Resource Block parameters Number of OFDM symbol per slotNumber of RBs per channel BW,下行时隙结
6、构和物理资源(cont.),Resource Element Groups,REGs 下行控制信息映射的基本单元 REG通过index pair 表示 REG的数目取决于参考符号的开销,因此天线端口数和cp类型会影响REG的数目 控制信道以symbol quadruplet 为单位将信息映射到一个REG中去,Resource Element Groups(cont.),REG的分布与 数据映射,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天线技术,总结,下行物理信号,下行小区间干扰减轻,下行物理信道,广播信道 Physical Broadcast Channel
7、 (PBCH) 控制信道 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) Physical hybrid-ARQ Indicator Channel (PHICH) Physical Downlink Control Channel (PDCCH) 业务信道 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) 多播信道 Physical Multicast Channel (PMCH),信道映射,LTE下行信道映射,PBCH,MIB (Master Information Block)信息通过PBCH承载 SF
8、N: 8 bits(高8位) PHICH: 3 bits(1 bit指示PHICH周期 2 bit指示 ) 系统带宽：3 bits FFS: 10 bits SIB (System Information Block)信息通过PDSCH承载,PBCH (cont.),BCH传输信道映射到4个连续的无线帧(TTI=40ms),每个无线帧可以独立译码 40ms定时通过盲检测扰码获得 根据40ms定时确定SFN的低2位 PBCH位于子帧0时隙1的前4个OFDM符号，频域上占用中间的72个子载波PBCH资源映射时假定eNodeB采用4天线端口进行传输,PCFICH,CFI (Control Forma
9、t Indicator) 指示一个子帧内用于控制区域的OFDM符号数(1、2 or 3) PCFICH承载CFI 源比特为2 bits，编码之后为32 bits加扰、调制(QPSK) 资源映射：映射到该子帧第一个OFDM符号的4个REG中 扩展到整个带宽，充分捕获频率分集增益 占用资源位置与天线端口无关，即端口1、2、4映射相同 天线端口和PBCH相同,PHICH,承载PUSCH信道的ACK/NACK应答 不同PHICH信道映射到相同的RE构成PHICH group ,组内通过正交序列 来区分,因此一个PHICH资源通过两个参数来唯一标识PHICH group的数目 FS1:FS2:,PHIC
10、H (cont.),通过2比特指示,通过接收PBCH获得 PHICH group 1 PHICH group=8 PHICHs (normal cp) 1 PHICH group=4 PHICHs (extend cp),PDCCH,PDCCH承载调度和一些控制信息(UCI/DCI) PDCCH信道占用一个或者几个连续的CCE 1 PDCCH = 1、2、4、8CCEs1CCE = 9 REGs 一个子帧可以有多个PDCCH信道,PDCCH支持不同的format 控制区域内除去PCFICH/PHICH资源外的REG 用于PDCCH传输,PDCCH,DCI format DCI format0
11、用于PUSCH的调度 DCI format1 用于单码字的PDSCH的调度 DCI format 1A用于采用紧凑模式调度的单码字的PDSCH的指示、公共信息的调度、用于PDCCH发起RACH过程 DCI format1B用于紧凑模式下的采用预编码的单码字的PDSCH的传输指示 DCI format1C用于更紧凑模式下单码字的PDSCH的调度，主要用于调度公共控制信息。 DCI format1D用于紧凑模式的采用预编码的并且携带功率偏移的单码字的PDSCH的调度，主要用于MU-MIMO的调度。 DCI format2用于双码字的CL-SDM的PDSCH的调度指示。 DCI format2A用于
12、双码字的OL-SDM的PDSCH的调度指示。 DCI format3用于通过2bit来指示PUCCH和PUSCH组 TPC command的传输。 DCI format3A用于通过1bit来指示PUCCH和PUSCH组 TPC command的传输。,PDCCH,CCE的聚合等级 CCE的聚合等级成树形结构 1-CCE的起始位置可能是任何编号的CCE (i=0,1,2,3,4,.) 2-CCE的起始于偶数的编号的CCE (i=0,2,4,6,.) 4-CCE的起始于编号为4的整数倍的CCE（i=0,4,8,） 8-CCE的起始于编号为8的整数倍的CCE（i=0,8,16,） 小区内可用的CCE
13、个数取决于 半静态配置的：系统带宽、天线端口数目、PHICH配置(包括PHICH duration和PHICH group的配置) 动态配置的：PCFICH值,PDCCH,公共搜索空间 公共搜索空间对应CCEs 0-15 小区内所有UE都需要监听 可能会与UE专署搜索空间重叠 不会增加盲检测次数 只可能会降低 聚合等级 4-CCE和8-CCE 公共搜索空间盲检测次数为6次(一种DCI format) 4-CCE: 4 8-CCE: 2,PDCCH,UE专署搜索空间 聚合等级：1-CCE、2-CCE、4-CCE、8-CCE 盲检测16次 1-CCE：6次 2-CCE：6次 4-CCE：2次 8-
14、CCE：2次 搜索空间起始位置表示聚合等级表示第 子帧控制区域内的总CCE个数表示PDCCH candidate,公共搜索空间:UE专属搜索空间:,RNTI分类,RA-RNTI-DCI format 1A/1C 用于随机接入响应（RAR） 与时频资源位置绑定（0001003C） SI-RNTI-DCI format 1A/1C 用于标识SIB消息的传输（FFFF） P-RNTI-DCI format 1A/1C 用于标识寻呼消息的传输（FFFE） TPC(-PUCCH/-PUSCH)-RNTI-DCI format 3/3A 用于标识联合编码TPC命令传输的用户组（003D-FFF3）,RNT
15、I分类,Temp C-RNTI-DCI format 1/1A 用于Msg3的传输 冲突解决（003DFFF3） C-RNTI-DCI format 1/1A/1B/1D/2/2A 用于动态调度的PDSCH传输（ 003DFFF3 ） SPS C-RNTI-通常为DCI format 1A 用于半持续调度的PDSCH传输（ 003DFFF3）各种RNTI支持的PDCCH搜索空间有所差别,PDSCH,PDSCH发射流程 加扰 利用小区ID和RNTI产生扰码，每个子帧初始化一次 调制 QPSK、16QAM、64QAM 层映射 实现码字(codeword)到层的映射 LTE目前最大支持2码字4层 预
16、编码 层到天线端口的映射 资源映射,单码字和多码字性能有何差异? 为什么最大支持2码字?,PDSCH,PDSCH资源映射 Resource allocation type 0 Resource allocation type 1 Resource allocation type 2 Resource Allocation type 0 将带宽内可用资源分为RBG，每个RBG由 个连续的PRB构成 每个RBG通过一个比特来指示是否被占用，用 长的bitmap来指示该UE的资源分配 1表示该RBG被占用，0反之,PDSCH,Resource Allocation type 1 根据系统带宽，确定R
17、BG的个数 将 分为 个子集，RBG子集 对应以 为起始间隔 的RBG从 子集中选择一个，通过 比特来指示 利用一个比特来指示是否偏移，其中 表示不偏移，否则利用剩余的 比特来进行PRB寻址 根据RBG子集编号 ，计算该子集中的PRB个数 确定偏移量 计算每个比特 对应的PRB编号,PDSCH,Resource Allocation type 0&1 RA 0以RBG为单位进行资源分配，比较简单，但是会造成资源的浪费，尤其是对于小数据量业务(比如VOIP业务) RA 1相对复杂，但是能够以PRB为单位进行资源分配，不会浪费资源 RA 0可以将全部资源分配为一个UE， RA 1只能分配一个子集(
18、小带宽除外),PDSCH,Resource Allocation type 2 通过RB的起始位置(RIV)和连续分配VRB长度 来指示UE的资源分配 对PDCCH DCI format 1A/1B/1D对PDCCH DCI format 1C大于10M取值为4，否则为2,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天线技术,总结,下行物理信号,下行小区间干扰减轻,下行物理信号,参考信号 小区专属参考信号 MBSFN参考信号 用户专属参考信号 同步信号 主同步信号 辅同步信号,小区专属参考信号,参考信号序列生成 与小区ID(包括cp类型）一一对应 与系统带宽无关
19、，不同系统带宽对应的参考信号是唯一的 每个OFDM符号进行一次初始化,小区专属参考信号,资源映射,Normal cp,小区专属参考信号,Extend cp,MBSFN参考信号,序列生成资源映射,UE专属参考信号,序列生成资源映射,同步信号,LTE 同步信号 PSS (Primary Synchronization signal) SSS (Secondary Synchronization signal) 同步信号的作用 获得小区ID: 通过检测PSS和SSS来获得小区ID SSS:与小区ID组 一一对应,范围0-167 PSS:与组内ID号 ,范围0-2 小区ID: 定时同步: 在检测PSS
20、和SSS的过程中获得5ms定时和10ms定时 PSS: 5ms 定时同步 SSS: 10ms定时同步,同步信号-PSS,序列生成 频域ZC序列 与组内ID一一对应 资源映射 时域位置 FS1(FDD)：slot 0和slot 10的最后一个OFDM符号 FS2(TDD)：子帧1和子帧6的第3个OFDM符号 频域位置 中心 72(62 used)个子载波上,两边各预留5个空子载波 频域位置与系统带宽无关 PSS检测时无需知道系统带宽,同步信号-SSS,序列生成 SSS由2个31长的m序列通过循环移位构成与小区ID组一一对应扰码序列与PSS绑定，同样由m序列的循环移位构成第二扰码序列与小区ID组绑
21、定子帧0和子帧5 SSS有所区别，利用这个不同可以用来进行10ms定时,同步信号-SSS,序列生成 完成SSS检测需要2次相关,如果考虑盲检测cp类型，那么需要4次相关为非负整数，且须满足如下条件 1) 2) 资源映射 时域位置 FS1: slot 0和slot 10的倒数第二个OFDM符号 FS2: slot 1和slot 11的最后一个OFDM符号 频域位置 同PSS,同步信号,利用PSS和SSS位置的不同 来区分FDD和TDD系统,FS1,FS2,LTE物理信道与物理信号,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天线技术,总结,下行物理信号,下行小区间
22、干扰减轻,下行多天线技术,LTE下行关键技术：MIMO+OFDM MIMO：不增加系统带宽的情况下提高小区的吞吐量，频率选择性衰落信道下均衡器很复杂； OFDM：对多径和ISI不敏感，能够对抗频率选择性衰落，均衡器设计简单(单抽头)； MIMO+OFDM：兼顾两者的优势。 单端口传输 SIMO：port 0 BF： port 5 MBSFN： port 4 TXD 2端口：SFBC (port0、1) 4端口：SFBC+FSTD (port0-3) SDM Open-Loop SDM： Close-Loop SDM,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天
23、线技术,总结,下行物理信号,下行小区间干扰减轻,小区间干扰减轻,小区间干扰随机化 加扰：LTE上下行 跳频：LTE上下行 交织： IDMA（Interleaved Division Multiple Access） 小区间干扰消除 通过信号处理增益来抑制或者消除小区间干扰 小区间干扰抑制技术(比如IRC) 基于干扰/重构的小区间干扰消除技术 小区间干扰协调/避免 ICIC：多小区调度，使得小区间使用资源正交 eNodeB间通信：S1/X2,小区间干扰减轻,LTE下行传输,LTE下行传输,下行物理信道,下行时隙结构和物理资源,下行多天线技术,总结,下行物理信号,下行小区间干扰减轻,总结与思考,总
24、结 LTE下行物理信道 LTE下行物理信号 下行多天线技术 思考 LTE UE从开机到接收系统信息(SIB)需要经历哪些信号处理流程？ 提示：扫频-小区初搜(SSS和PSS)-接收PBCH-盲检测PDCCH(SI-RANTI)-PDSCH接收SIB信息 盲检测PDCCH需要先接收PCFICH得到控制区域大小，根据PBCH获知PHICH周期和PHICH group大小，这样才能确定PDCCH的资源 LTE下行物理控制信道的映射顺序？,本课程的内容,总结,LTE物理层过程,LTE上行传输,LTE下行传输,LTE帧结构,LTE上行传输,LTE上行传输,上行物理 信道,上行资源,上行物理 信号,上行时
25、隙结构和物理资源,LTE上行多址,与LTE下行多址方式OFDMA不同,上行采用SC-FDMA多址方式 SC-FDMA Whats SC-FDMA? Why SC-FDMA?,LTE上行传输,LTE上行传输,上行物理 信道,上行资源,多天线技术,上行物理信道,PUCCH 承载UCI (ACK/NACK、PMI/CQI、RI等） 支持不同的formatPUSCH 承载上行数据 承载 UCI+上行数据 承载UCI onlyPRACH 随机接入,上行信道映射,PUCCH,在无上行数据传输(即无PUSCH)的子帧中用户使用PUCCH反馈与该用户下行PDSCH数据传输有关的控制信息，其中： 各类反馈信息长
26、度不能超过20比特，大于20比特则使用PUSCH传输； 控制信息包括： 已接收到的下行数据是否需要重传(ACK/NACK) 当前用户的信道状态信息(CQI/PMI/RI) 调度请求(SR),PUCCH,不能与PUSCH同时传输 不能同时传输多个PUCCH，以保证上行传输的单载波特性 具有多种格式(format)，支持多种控制信息的组合反馈 使用频带两端资源，进行基于slot的跳频传输 与PUSCH相比，对可靠性的要求更高 相同物理资源上，多个用户通过码分进行复用传输,PUCCH,PUCCH,在频带内，不同的PUCCH format所占用的物理资源区域如右图所示，其中 PUCCH format2
27、/2a/2b位于最边带 若format 2/2a/2b区域内的最后一个RB中资源冗余，且数量大于2，则可以用于format 1/1a/1b的传输，即混合传输 每个slot内最多支持一个RB用于混合传输 控制区域内的其他RB用于PUCCH format1/1a/1b传输,PUSCH,加扰 利用小区ID和RNTI进行扰码初始化(同PDCCH) 调制 QPSK、16QAM、64QAM (同PDCCH) 预编码 DFT变换（不同），将时域的每个采样点扩展到整个带宽(占用) DFT点数需满足,PUSCH,资源映射 为保证上行单载波特性，需要将数据映射到连续的资源 PUSCH支持两种传输格式 非跳频传输：
28、UL grant命令字FH字段为0 跳频传输： UL grant命令字FH字段为1 基于UL grant的跳频传输(Type 1) 基于预定义跳频图案(predefined hopping pattern)的传输(Type 2) SC-FDMA信号生成 偏移1/2的子载波间隔,为什么需要偏移1/2子载波间隔?,PDSCH,PDSCH发射流程 加扰 利用小区ID和RNTI产生扰码，每个子帧初始化一次 调制 QPSK、16QAM、64QAM 层映射 实现码字(codeword)到层的映射 LTE目前最大支持2码字4层 预编码 层到天线端口的映射 资源映射,单码字和多码字性能有何差异? 为什么最大支
29、持2码字?,PRACH,PRACH信道基本时频结构 时域结构 Preamble: CP + SequencePreamble之后需要预留保护间隔(GT) GT防止Preamble对上行数据造成干扰 GT长度为两倍最大传播时延,why?,小区中间用户发送Preamble,小区边缘用户发送Preamble,PRACH,不同的PRACH信道格式 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,PRACH,Format03 频域资源位置 子载波间隔1.25KHz ，常规子载波间隔的1/12 1个PRACH信道包含864个子载波（61212=864） 长度为839的pr
30、eamble序列被映射至中间的839个子载波上,PRACH,Format4 频域资源位置 子载波间隔7.5KHz ，常规子载波间隔的1/2 1个PRACH信道包含144个子载波(6122=144) 长度为139的preamble序列被映射至中间的139个子载波上,LTE上行传输,LTE上行传输,上行物理 信道,上行资源,多天线技术,上行多天线技术,SIMO 单端口发射 开环天线选择 闭环天线选择 MU-MIMO 配对用户使用完全相同的时频资源进行传输 在不增加系统带宽的情况下，成倍提高小区的吞吐量 SU-MIMO LTE R8 不支持 LTE-A支持SU-MIMO,总结,总结 上行物理信道 上
31、行多天线技术 思考 PUCCH 不同format的映射顺序？ PUCCH foramt1/1a/1b的检测流程？ PUSCH的资源分配信息如何指示？,本课程的内容,总结,LTE物理层过程,LTE上行传输,LTE下行传输,LTE帧结构,LTE物理层过程,小区初搜过程随机接入过程同步控制过程功率控制过程,TD-LTE的小区搜索过程,小区初搜流程,SSS,公共天线端口数目（盲检） SFN 下行系统带宽PHICH配置信息,5ms 定时，获得,10ms 定时，获得,计算得到,读取MIB,读取SIB,PSS,PBCH,DBCH,其他系统信息,下行cp类型,TD-LTE的随机接入过程,随机接入流程 基于竞争
32、的随机接入 适用于所有场景,1.UE端通过在特定的时频资源上，发送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后，根据响应中的内容和自身数据业务的需求，发送资源调度请求; 5.基站接收调度请求后，并根据实际负载情况发送响应。如有冲突，发送冲突解决响应。,TD-LTE的随机接入过程,随机接入流程 无竞争的随机接入 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
33、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。,TD-LTE的同步控制过程,下行链路质量检测UE物理层基于小区专属参考信号，测量服务小区的下行链路质量并向高层报告测量结果 在非DRX模式下，在开启了链路失败检测时，UE侧的物理层在一定周期200ms内的每个无线帧检测下行链路质量。当链路质量低于门限Qout时，物理层须向高层报告链路失败，直至链路质量高于门限Qin 由高层开启
34、/关闭物理层的链路失败检测 具体的检测门限由RAN4规定,TD-LTE的同步控制过程,上行同步控制 LTE的上行定时调整颗粒度为16Ts， ，上行定时调整命令通过MAC层信令的方式发送给UE UE接收到定时调整量 后，需要按照比相应的下行帧定时提前 的时刻发送相应的上行帧数据，如下图所示 对于TD-LTE， 为基站侧上行至下行的切换保护时间，约为624Ts，即20.3125us,TD-LTE的功率控制,上行共享信道的功率控制 UE在子帧i发送PUSCH时按照以下公式计算发射功率其中为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PUSCH期望接收功率，它是
35、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 PL为UE测量的下行路径损耗为传输格式相关调整量，该调整可基于UE开启/关闭，当该调整开启时 其中f(i)为闭环功率调整命令，通过PDCCH发送,TD-LTE的功率控制,上行控制信道的功率控制 UE在子帧i发送PUCCH时按照以下公式计算发射功率其中为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
36、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 公式中其他参数与PUSCH相同,TD-LTE的功率分配,下行功率分配 下行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-支持RS功率提升 为下行公共信道/信号(PCFICH、PHICH、PDCCH、同步信号、广播信息、寻呼、随机接入相应等)分配合适的功率，满足小区边缘用户的接收质量 为下行用户专属数据信道分配合适的功率，在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 保持不同OFDM符号上的总功率尽量一致，保证功放效率并减少功率浪费,本课程的内容,总结,LTE物理层过程,LTE上行传输,LTE下行传输,LTE帧结构,总结,LTE帧结构 FS1、FS2LTE下行传输 下行物理信道、物理信号、下行天线技术LTE上行传输 上行物理信道、上行天线技术LTE物理层过程 小区初搜、随机接入、同步控制、功率控制,Thank You !,
