LTE培训材料3 LTE物理层.docx
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LTE培训材料3LTE物理层
一、LTE物理层概述
——为了支持灵活的应用，LTE支持6种不同的系统带宽：
从1.4MHz到最大20MHz。
此系统带宽是指每个LTE载波占用的频谱资源，一般考虑邻频干扰以及滤波器的非理想特性，需要预留一定的保障带宽。
LTERAN4根据定义了不同系统带宽可用的PRB数为6～100，如表所示。
从物理层来看，为了保持与RAN4射频定义的独立性，仅从PRB的个数体现支持的带宽，根据频谱资源分配，物理层标准可以支持最大达110PRB的任意带宽。
如图给出了信道带和带宽内RB配置之间的关系示意图。
信道也称为射频载波，载波宽度等于信道带宽。
实际发射宽度是可配置的，最大发射带宽小于信道带宽，在其两边留有保护频率，用于发射信号功率滚降，从而可以在信道带宽边缘满足带外辐射限值的要求。
——在蜂窝移动通信系统中，根据发送信号双工方式不同，可以分为TDD（TimeDivisionDuplex）和FDD（FrequencyDivisionDuplex）两种双工方式，其中，FDD双工方式可进一步分为全双工FDD（Full-DuplexFDD）和半双工FDD（HD-FDD，Half-DuplexFDD）。
TDD双工方式采用非对称频谱（UnpairedSpectrum）资源配置，而FDD双工采用成对频谱（PairedSpectrum）资源配置
对于TDD双工方式的蜂窝系统，上下行传输信号在同一频带内，通过将信号调度到不同时间段，采用非连续方式发送，并设置一定的时间间隔方式以避免上下行信号间干扰。
FDD双工方式，其上下行传输信号在不同的频带内，采用连续发射方式发送信号，并在上下行信号间设置一定频带间隔方式以避免相互间干扰
在LTE中考虑支持半双工FDD方式，H-FDD是相对于现有的FDD（全双工FDD）而言的另一种双工方式。
在半双工FDD中，基站仍然采用全双工FDD方式，终端的发送和接收信号虽然分别在不同的频带上传输，采用成对频谱，但其接收和发送信号不能够同时进行。
——LTE使用天线端口来区分空间上的资源。
天线端口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0~5。
——在物理层规范中，除非特殊说明，各种域的时域大小表示为时间单位
的倍数，该时间单位定义为
，那么一个无线子帧的长度可以表示为
LTE支持两种类型的无线帧结构：
类型1，适用于FDD模式；类型2，适用于TDD模式
帧结构类型1适用于全双工和半双工FDD模式。
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；
它沿用了UMTS系统一直都采用的10MS无线帧的长度，LTE在数据传输延时方面提出了更高的要求并且在调度方面要求更加灵活，小于5MS，所以要采用更加小的时隙传输间隔，以前的是5MS，但是太小了，大家想想会带来什么问题，是不是调度时需要的信令开销更大了，所以权衡下，最后就设计出了下面的FDD帧结构模型。
在每一个0.5MS时隙结构中，有数据符号和CP组成，针对不同的CP，OFDM符号数也不同，用常规CP，每个时隙的符号数为7个，扩展CP每个时隙为6个，这样一种帧结构，每个控制信道应该是占用每个时隙中的几个字符，数量级要更加小一些，具体的分配在后面我们要讲到。
——接下来看TDD，这个结构大家应该很面熟，与TD-SCDMA的帧结构有几分相似的地方，GP为保护时隙，不传输任何数据，防止上下行交叉干扰。
自侦一和六传输特殊自帧，每一个子帧是14个符号，特殊自侦也一样，特殊子帧由三个部分组成，也就是三个部分加起来的符号数为14，那么这就存在一个组合问题，LTE可以根据传输环境不同而选择对应的特殊时隙配置方案。
对于常规CP，一般有9中配置方案，扩展CP只有7种。
一般UPPTS配置1到两个符号，比较固定，其他两个相对较灵活。
这里给大家提个问题，GP的设置与我传输的远近有关系吗，肯定是有，GP长度越大，则意味传输距离越远，是这个道理吧。
大家还记不记得TDD有个非常强的优势，就是灵活分配上下行业务，因为有时隙转换点，当然我们LTE肯定也沿用了这个技术。
我们一起来看看集中配置方案。
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
每一个半帧又由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成。
一个常规时隙的长度为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。
——首先简单介绍一下，特殊时隙肯定是在一共7种配置
这里分为两大类：
五毫秒的周期，子帧1和6，子帧0和5一定走下行，
——UpPTS可用来专门放置物理随机接入信道（PRACH），这是TDDLTE系统特有的一种“短RACH”结构（只有一个或两个符号长）
FDDLTE系统的PRACH不短于1ms。
短RACH是对一种半径较小的小区的优化，可以在不占用正常时隙资源的情况下，利用很少的资源承载PRACH信道。
随着宽带蜂窝系统小区半径的缩小，短RACH应用场景越来越多。
FS2也可以在常规子帧中采用1ms以上的PRACH信道，与FS1具有相同的支持大半径小区的能力。
——物理资源概念
——
——下行信道共有6个，在后面我会给大家一一介绍他的结构以及功能，在这里大家可以把每个信道的名字好好记一下。
——下行物理信道功能概述
——下行信道映射
（信号实际走的线路是物理信道,逻辑上可能会忽略其中某些过程,只承认是点到点）
——下行物理信道处理流程
这个过程和以前TD也是完全不同的。
在物理层传输的信号都是OFDM符号，从传输信道映射到物理信道的数据，经过一系列的底层的处理，最后把数据送到天线端口上，进行空口的传输。
1、加扰：
这个加扰放在调制的前面，是对BIT进行加扰，每个小区使用不同的扰码，使小区的干扰随机化。
减小小区间的干扰。
2、调制：
是把BIT变为复值符号，（应该是为QPSK这类做准备）
3、层映射：
每一个码字中的复值调制符号被映射到一个或者多个层上；根据选择的天线技术不同，而采用不同的层映射
单天线端口层映射：
选择单天线接受或者采用波束赋性技术。
只对应一个天线端口的传输
空间复用的层映射：
天线端口有4个可用，那么就是把2个码字的复制符号映射到4个天线端口上
传输分集映射：
是把一个码字上的复制符号映射到多个层上，一般选择两层或四层
4、预编码：
就是把层映射后的矩阵映射到对应的天线端口上，理所当然预编码对应也有3中类型
单天线端口的预编码：
物理信道只能在天线端口序号为0、4、5的天线上进行传输
空间复用的预编码：
两端口，使用天线序列号为0、1.4端口的为0-3
传输分集预编码：
同上
5、资源粒子映射：
就是把预编码后的复制符号映射到虚拟资源块上没有其他用途的的资源例子上。
大家可以发现采用层映射和预编码的技术就是我们所谓的MIMO技术的核心。
——PBCH信道
在典型的蜂窝系统中，小区的其他信道中的配置和操作信息由广播信道（BCH）携带。
——PBCH上面发送的主要是广播信息（MasterInformationBlock），PBCH采用QPSK调制，采用单天线或者发射分集方式发送，PBCH采用盲解。
PBCH映射到每1帧的第1个子帧的第2个时隙的前4个符号，根据CP长度的不同，PBCH对应的编码之后的信息比特程度为1920或者1728比特，PBCH映射的时候都假设基站有4天线。
其中，PBCH的发送周期为40ms。
MIB信息为24bits，经过crc（包括crcmask）之后为40bits，再经过1/3CC后为120bits，经过速率匹配后为1920bits（normalcp，extendedcp为1728bits），这些比特加扰后通过4个无线帧发射出去.
关于一个无线帧的RE数目，在normalcp时为240RE，extendedcp时为216RE,两种情况下导频的开销不同。
PBCH不会和PDCCH冲突，因为两者是时分的，永远不会冲突。
SFN的高8bit通过PBCH传输低2bit通过盲检测PBCH40ms定时获得。
dl-bandwidth,3位,表示6,15,25,50,75,100六种带宽.
phich-duration,1位,表示NormalorExtend
phich-resource,2位,对应PHICH的参数Ng,={1/6,1/2,1,2}
SFN帧号高8位
spare预留比特10位.
PBCH编码
CRC16位,并根据天线的个数进行Mask.
1/3码率的CC
对NormalCP而言,速率匹配输出1920比特,相当于重复16倍.
PBCH调制和映射
加扰,扰码与Cell_ID有关.
QPSK调制.
分层和预编码,多天线只有发送分集（TD）方式,无空间复用（SM）方式.
物理资源映射,subframe0的slot1中前四个OFDM符号的72个子载波.注意天线端口为1,2,3,4的cell-specialRS要保留.
40ms,每10ms发送一个可以自解码的PBCH.（其实10ms的数据相当于将circlebuffer重复了4次）
对NormalCP而言,40ms的物理资源共4*（4*72-4*12）=960个子载波,每个子载波上传输一个QPSK符号,因此传输1920比特.
PBCH的接收:
主要要解决三个问题.
天线配置未知。
发送天线配置不同则接收端MIMO检测的操作不同,并且CRC的Mask也不同.简单的方法是轮流试发送天线为1，2，4的情况；复杂的方法是根据cell-specialRS进行发送天线估计，估计后再进行MIMO检测。
接收下来的10msPBCH是40ms中哪一段未知,因此解扰用的扰码是哪一段也未知.简单的方法是轮流用4段中的一段，直到CRC正确为止。
如何将多段10ms的PBCH合并译码？
这个问题在理解了上面的原理后，相信大家很容易回答，有兴趣的可以回复评论进行讨论。
——PBCH检测
——下行物理信道PCFICH信息
——PCFICH位置
——下行物理信道PHICH信息
PHICH信息含义:
eNodeB是否成功解析PUSCH的反馈,ACK/NACK.1比特.
PHICH编码过程:
重复3倍,编码输出为3比特.
PHICH调制映射过程:
主要有几个参数,
PHICH_duration:
这个可以是normalorextended,在MIB中指示.用来表示PHICH持续多少个OFDM符号,取值可以是1,2,3.
PHICH_group:
这个由CP模式,Ng和N_RB_DL决定,在MIB中指示.
mi:
这个是TDD特有参数,由上下行配置模式决定,在SIB1中指示.
PHICH_seq:
由于PHICH有扩频操作,NormalCP扩频码长度为4,支持8组复数扩频码,ExtendCP扩频码长度为2,支持4组复数扩频码.
具体调制映射过程是将编码输出的3比特进行BPSK调制, 加扰和扩频,以NormalCP为例,经过调制加扰扩频后,输出为12个符号,然后进行分层和Precoding,其中4天线的Precoding在ExtendCP模式下和PBCH略有不同.接下来将不同PHICH_Seq的序列相加,并根据上述几个参数计算物理资源映射的具体位置,最后将相加的结果放入相应的物理资源中.
PHICH接收过程:
这里主要存在一个鸡生蛋or 蛋生鸡问题的解决.
因为解PHICH需要已知mi,而mi又在SIB1中,SIB1又在PDSCH中,而解析PDSCH之前,需要先解析对应的PDCCH,在解PDCCH之前,又需要排除PHICH所占用的资源,这又需要知道mi. 好像右转右转右转右转,最后发现是一个圈一样.
解决方法是mi一共有0,1,2三种,因此在解析SIB1之前的第一次解PDCCH可以尝试解三种可能.
——PHICH信道位置
——PHICH信道位置
PHICH占用的OFDM符号数可能采用两种配置：
一是将PHICH固定在第1个OFDM符号，但这种方法可能影响PHICH的覆盖性能；二是采用半静态可配的PHICH长度。
经过研究决定采用两种长度半静态可配的方式：
对MBSFN子帧，PHICH长度在1个和2个OFDM符号之间半静态选择：
对非MBSFN子帧，PHICH长度在1个和3个OFDM符号之间半静态选择。
PHICH包含3个REG，采用QPSK调制。
对于2天线情况，一个ACK／NACK比特采用Walsh序列经过4倍扩频形成一个REG，然后重复3次，形成一个ACK／NACK信道。
由于采用4倍正交码扩频，再加上QPSK的I、Q两路，共可以在一个户HICH内复用8个ACK／NACK信道。
在4天线情况下，仍然采用4倍扩频，但要对相应的4天线发送分集方法做一些调整。
和PCFICH一样，PHICH也尽可能均匀分布在6个PRB所在的分别位于3个符号。
如带宽内，两个相邻的PHICHREG之间相隔6个REG，另外，在时域上，PHICH也尽可能分散到控制区域所在的所有符号，PHICH长度为3，因此3个PHICHREG果PHICH长度为2，则3个PHICHREG有1个位于第1符号，有2个位于第2符号。
PHICH信令是和上一周期的上行数据紧密联系的，因此PHICH需要占用的资源与一个周期内的上行数据信道资源有一定关联，这就为隐性地表示PHICH资源创造了可能。
最后决定，将PHICH使用的资源位置和上行资源分配的第1个PRB之间建立联系。
由于采用了独立的PHICH和PCFICH信道，而且这两个信道使用的资源是相对固定的（PCFICH资源是静态的，PHICH资源是半静态的），因此系统会首先分配PHICH和PCFICH信道使用的RE，然后将剩下的RE分配给PDCCH，PDCCH将在这些剩下的RE内进行交织，如图5-46所示。
PCFICH占用的RE是静态的，不会对PDCCH的资源指示造成影响。
但PHICH占用的RE是半静态变化的，占用哪些RE应该由系统信息指示。
如果这个系统信息放在PDCCH中，就带来的“鸡生蛋，蛋生鸡”（Chicken-and-Egg）的问题：
PDCCH需要获知PHICH占用的RE才能解调，而PHICH反过来需要PDCCH通知UE它使用了哪些RE。
为了解决这个难题，最终决定在PBCH中对PHICH格式进行指示，虽然PBCH的开销本来是应该严格控制的。
在PBCH中使用lbit指示PHICH的长度，2bit指示PHICH使用的频域资源，即PHICH组的数量（每个PHICH组包含8个PHICH）。
在频域上，PHICH采用等间距放置，即每隔固定数量的子载波放置一个PHICH的REG。
为了抑制不同小区PHICH之间的干扰，还采用循环位移的方法使相邻小区在错开的频域资源上发送PHICH。
某个小区的PHICH位移可以和它的小区ID对应，因此不需要额外的信令传输。
——下行物理信道
物理下行控制信道PDCCH
——PDCCH的CCE聚合
——PDCCH盲检测
UE一般不知道当前DCI传送的是什么format的信息，也不知道自己需要的信息在哪个位置。
但是UE知道自己当前在期待什么信息，例如在Idle态UE期待的信息是paging,SI；发起RandomAccess后期待的是RACHResponse；在有上行数据等待发送的时候期待ULGrant等。
对于不同的期望信息UE用相应的X-RNTI去和CCE信息做CRC校验，如果CRC校验成功，那么UE就知道这个信息是自己需要的，也知道相应的DCIformat，调制方式，从而进一步解出DCI内容。
这就是所谓的“盲检”过程。
那么UE是不是从第一个CCE开始，一个接一个的盲检过去呢？
这也未免太没效率了。
所以协议首先划分了CCE公共搜索空间（CommonSearchSpace）和UE特定搜索空间（UE-SpecificSearchSpace），对于不同的信息在不同的空间里搜索。
另外对于某些format的信息，一个CCE是不够承载的，可能需要多个CCE，因此协议规定了所谓的CCEAggregationLevel取值为1，2，4，8。
例如对于位于公共空间里的信息AggregationLevel只有4，8两种取值，那么UE搜索的时候就先按4CCE为粒度搜索一遍，再按8CCE为粒度搜索一遍就可以了.
盲检次数不是22而是44，是因为对于每种transmissionmode,都有需要检测两种不同size的DCIformat，比如对于transmissionmode1,UE需要检测DCI0/1A，和DCI1。
0/1A是相同的size，而DCI1与DCI0/1A的size是不一样的，所以UE这两种Size都要检测一次，才能确定到底收到的是DCI0/1A，还是DCI1。
而DCI0/1A可以通过一个flag来区别。
所以因为是两种size，22就需要乘2..
——PDCCH盲检测图示
——下行物理信道
物理下行共享信道PDSCH
UE需要先收听PCFICH信道,PCFICH信道用于描述PDCCHPhysicaldownlinkcontrolchannel的控制信息的放置位置和数，然后UE去接收PDCCH的信息.进而接收PDSCH的信息.
PMCH不能在子帧0和子帧5中传输。
——下行物理信号
一个基站存在504个物理层小区ID，分为168组，每组3个
1、子载波间隔15KHZ,在0-3天线端口上传输
2、MBSFN参考信号：
在天线端口4上传输
3、单天线端口的PDSCH传输，在天线端口5
若UE要接入到LTE小区，必须首先进行小区搜索过程，包括一些列同步阶段。
经过这些阶段，UE可以确定时间和频率参数，这对解调下行链路信号和传输具有精确定时的上行链路信号是必须的。
LTE的两个相关的小区搜索过程如下：
1）初始同步：
凭借初始同步，UE检测LTE小区并对所有需要登记的信息进行解码。
例如，当UE接通或失去与服务区的连接时，需要进行初始同步
2）新小区识别：
当UE已经连接到LTE小区且正在检测新的相邻小区时，执行新小区识别。
在这种情况下，UE向服务区上报新小区相关的测量，准备切换。
这种小区识别是周期性重复的，知道服务区质量重新满足，或UE移动到另一个小区为止。
两种情况下，同步过程采用了两种专门设计的物理信号，在每个小区上进行广播，它们分别是主同步信号（PSS，PrimarySynchronizationSignal）和辅同步信号（SSS,SecondarySynchronizationSignal）。
这两种信号的检测不仅使用时间和频率同步，而且提供UE物理层小区标识和循环前缀长度，通知UE小区所使用的是FDD还是TDD
UE在初始同步过程中除检测同步信号，还对物理广播信道进行解码（PBCH），从而得到关键系统信息
UE在新小区识别过程中不必对PBCH进行解码，它只是基于来自新检测小区的参考信号进行信道质量等级测量，并上报给服务小区
——FDD帧中PSS与SSS的位置
FDD和TDD方式下PSS和SSS时域结构显示同步信号的周期性传输，每个10ms无线帧传输两次。
FDD小区内，PSS总是位于每个无线帧第1和第11个时隙的最后一个OFDM符号上，使得UE在不考虑循环前缀长度（CP）下获得时隙边界定时。
SSS直接位于PSS之前。
假设信道相干持续时间远大于OFDM符号周期，这种设计可利用PSS和SSS的相关性进行相干解调。
——TDD小区内，PSS位于每个无线帧第3个和第13个时隙上，从而SSS比PSS早3个符号：
假设信道相干时间远大于4个OFDM符号时间，PSS和SSS就可以进行相干检测
——在LTE早起研究中，明确了下行参考信号至少可以用于如下目的
1）下行信道质量测量（又称信道探测）
2）下行信道估计，用于UE端的想干（Coherent）检测和解调
3）小区搜索
在LTE下行链路中，提供了3中不同类型的参考信号
1）小区专用参考信号（通常指“公共”参考信号，小区中所有UE都可以使用）
2）UE专用参考信号，针对专门用户，嵌入在数据中
3）MBSFN专用参考信号，它仅用于多媒体广播单频网中
下行参考信号由已知的参考符号构成，如果定义OFDM的基本资源单位（即1个子载波*1个OFDM符号）为资源粒子（ResourceElement,RE），则下行参考符号是以RE为单位的，即一个参考符号占用一个RE
所有的参考信号都是QPSK调制-恒模调制，它的特点是使发射波形的峰值平均功率比较低。
小区专用参考信号
OFDM系统对参考信号在点阵结构中等距离排列以实现信道的最小均方误差估计。
此外，对于均匀参考符号网格而言，在频面上菱形排列可进行最优估计
如图显示了对常规CP长度参考信号的排列。
LTE中，在时频二维点阵上，构成小区专用参考信号的符号安排需要遵循如下原则
我们已设想LTE系统可以在高速移动性下工作，而WLAN系统通常只需要为步行情况进行优化。
WLAN系统通常使用以前导为基础的训练序列，它的插入频率可以满足其所支持的移动性
参考符号间所要求的间隔时间可从其所支持的最大多普勒频移（高速移动）得到，对于LTE是500km/h,在时域中每个0.5ms时隙需要两个参考信号，以便正确估计信道。
在频率方向上，在包含了参考符号的每个OFDM符号上，每6个子载波间有一个参考符号，但它们是错开的，因此在每个资源块中，每3个子载波有一个参考符号。
这个间隔与信道期望的相干带宽有关，因此也与信道时延扩展有关。
在LTE中，频域上两个符号的间隔在一个资源块内是45kHz，可以解决信道预期的频域变化
LTE的下行链路是针对多发射天线系统的，RS排列图样因此定义为在eNodeB上的多路天线端口。
天线端口实际上可由单路物理天线或多路物理天线单元的组合来实现。
不论哪种情况，来自每个天线单元的发射信号都设计为可在UE接收机中不可进一步分解的信号：
从用户的观点来看，对应某一给定的天线端口的传输参考信号定义了天线的端口，无论它表示来自一个物理天线的单个无线信道，还是来自组成这个天线端口的多个物理天线单元的复合信道，UE都可以得到对这个天线端口的信道估计。
如果LTEeNodeB使用至少4个小区专用天线端口，UE需获取至少4个独立信道估计。
对于每个天线端口就要设计不同的参考信号图样，需要特别考虑最小化多发射天线端口在小区内部的互相干扰。
——在扩展CP长度情形下，参考符号安排略微有些变化
——MBSFN参考信号
超长扩展CP的RB，7.5kHz*24
——下行专用参考信号映射-用于波束赋形技术
——上行物理信道
为RE的集合，用于承载高层的信息，学习这一部分我们要结合下行的来学习，但是要清楚一点的是上下行的调制方式是不同的，分别为单载波和多载波。
上行信道的复用比下行信道的复用要复杂的多，下行利用时频域的复用结构，很容易把控制信道和数字信道复用在一起。
——上行信道映射
——上行物理信道功能概述
——上行物理信道
上行物理控制信道PUCCH
为了保证单载波的特性，PUCCH和PUSCH一定不会同时传输，
——PUCCH时域映射
——上行物理信
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