LTE 物理层结构介绍-2013_
LTE-物理层介绍
下行
上行
DwPTS
GP
UpPTS
12
概述(续)——资源网格(Resource Grid)
• • • •
用来描述每个时隙中传输的信号 每个网格中有 NRBNscRB 个子载波(频域)和 Nsymb个符号(时域) NRB由传输带宽决定，并满足 6 ≤ NRB ≤ 110 资源网格中的每一个元素就叫做资源元素(Resource Element)，它是 上下行传输中的最小资源单位
one s
lot, N symb
ol 个
符号
RB N sc 个子载波, 1
E-UTRAN概述
下行信道 上行信道 硬件实现架构
• • • • • • 下行的时隙结构 同步信号 参考信号 下行物理信道的基本处理过程 各个信道的具体处理过程 OFDM基带信号的生成
15
• 三种下行参考信号
• 小区专用参考信号 • MBSFN参考信号 • UE专用参考信号
• 一个下行天线端口上只能传一个参考信号
• 小区专用参考信号，支持配置1，2，4个天线端口 • MBSFN参考信号，在天线口4上发送 • UE专用参考信号，在天线口5上发送
19
下行传输(续)——参考信号2
• 小区专用参考信号
下行传输
• 物理信号
• LTE的下行传输是基于OFDMA的
• Reference signal • Synchronization signal
• 物理信道
• Physical Downlink Shared Channel, PDSCH • Physical Broadcast Channel, PBCH • Physical Multicast Channel, PMCH
LTE 物理层解析
Extended cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
0
3
10
3
8
“D”代表此子帧用于 下行传输，“U” 代表
此子帧用于上行传输， “S”是由DwPTS、GP 和UpPTS组成的特殊 子帧。
1
9
4
8
3 1 OFDM
2
10
3
1 OFDM symbols
9
2 symbols
3
11
2
10
LTE物理信道
下行物理信道
信道类型 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel ) PBCH (Physical Broadcast Channel)
功能 承载下行业务数据 承载广播信息
下行Unicast/MBSFN子帧，控制区 域与数据区域进行时分；
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；
上行常规子帧中控制区域与数据区域 进行频分
控制区域
数据区域
下行Unicast/MBSFN子帧
控制区域与数据区域进行 时分
控制区域OFDM符号数目可 配置
PHY
逻辑信道和传输信道的映射功能 HARQ 传输格式选择 UE内部逻辑信道之间优先级调度功能 UE间根据优先级动态调度功能
S1接口
协议栈
用户平面接口位于E-NodeB 和S-GW之间，传输网络层 建立在IP传输之上， UDP/IP之上的GTP-U用来 携带用户平面的PDU。
S1控制平面接口位于ENodeB和MME之间，传输 网络层是利用IP传输，这点 类似于用户平面；为了可靠 的传输信令消息，在IP曾之 上添加了SCTP；应用层的 信令协议为S1-AP。
LTE-物理层介绍
内容提要
E-UTRAN概述
下行信道 上行信道 硬件实现架构
2
技术指标对比
概述
技术指标
传输速率(Mbit/s) 最高移动速率
LTE
下行100/上行50 75
WiMAX
WiFi
1/2/5/11 室内和移动速度较
350
120
(km/h)
带宽(Mhz) 覆盖范围(km) 费用 1.25~20 15~20 7~10，max50 无专利费用、网络 成本低
• 由频域 Zadoff-Chu 序列产生 • 和 N(2)ID 相关
• 辅同步信号序列的生成
下行
上行
DwPTS
GP
UpPTS
12
概述(续)——资源网格(Resource Grid)
• • • •
用来描述每个时隙中传输的信号 每个网格中有 NRBNscRB 个子载波(频域)和 Nsymb个符号(时域) NRB由传输带宽决定，并满足 6 ≤ NRB ≤ 110 资源网格中的每一个元素就叫做资源元素(Resource Element)，它是 上下行传输一个二维随机序列 rm,n(ns) 生成
共有504个
物理层小区id与504个不同的二维随机 序列之间存在一对一的映射
二维正交序列 共有3个 分别与三个物理层
二维伪随机序列 共有168个
小区id组对应 20
• 小区专用参考信号映射到资源元素 下行传输 (续)——参考信号3
• Type 1：适用于FDD和TDD模式 • Type 2：仅适用于TDD模式
• Type 1
One Radio Frame Tf = 307200Ts = 10ms
LTE物理层下行链路的介绍
LTE 物理层下行链路的介绍1、 帧结构LTE 系统中，其帧结构分为2种：帧结构1和帧结构2。
1.1 帧结构1帧结构1主要用于FDD 的情况，其结构如下所示：图表 1-1 FDD 帧结构这里每帧长度为f s 30720010 ms T T =⋅=，)s 1150002048T =⨯为最小的时间单位。
每帧包含10个子帧，每个子帧又分成2个时隙，每个时隙的长度为slot s 15360T 0.5 ms T =⋅=。
1.2 帧结构2帧结构2主要用于TDD 的情况，其结构如下所示：SS图表 1-2 TDD 帧结构这里每帧长度为f s 30720010 ms T T =⋅=，每个帧分为2个半帧，每个半帧的长度为s 153600 5 ms T ⋅=。
每个半帧分为5个子帧，每个子帧由2个时隙组成，每个时隙的长度为slot s 15360T 0.5 ms T =⋅=。
与FDD 帧不同的是，TDD 帧有一个特殊子帧，它的内容为DwPTS ，GP 和UpPTS 。
2、 时隙结构2.1 资源栅格一个时隙中传输的信号可以用一个资源栅格来描述，其大小为RBsc DL RB N N 个子载波和DLsy mb N OFDM 符号，如图表 2-1所示。
One downlink slot T 0=l 1DLsymb -=N l R B D L s u b c a r r i e r RB scN ⨯resource elementsResourceelement),(l k 1RBsc -N图表 2-1 下行资源栅格上面的DLRB N 取决于所用的系统带宽，其集合如下所示：图表 2-2 LTE 带宽配置2.2 资源粒子资源粒子是资源栅格中的最小单位，它通过索引(),k l 唯一标识。
其中，DL RB RB sc 0,...,1k N N =-，DLsymb 0,...,1l N =-，在天线端口p 上的每一个资源粒子可表示为(),p k l a 。
LTE物理层
LTE物理层一、概述LTE物理层在技术上实现了重大革新与性能增强。
关键的技术创新主要体现在以下几方面：以OFDMA为基本多址技术实现时频资源的灵活配置;通过采用MIMO技术实现了频谱效率的大幅度提升;通过采用AMC、功率控制、HARQ等自适应技术以及多种传输模式的配置进一步提高了对不同应用环境的支持和传输性能优化;通过采用灵活的上下行控制信道涉及为充分优化资源管理提供了可能。
二、协议结构物理层周围的LTE无线接口协议结构如图所示。
物理层与层2的MAC子层和层3的无线资源控制RRC子层具有接口，其中的圆圈表示不同层/子层间的服务接入点SAP。
物理层向MAC层提供传输信道。
MAC层提供不同的逻辑信道给层2的无线链路控制RLC子层。
信道带宽1、支持的信道带宽：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz。
2、LTE系统上下行的信道带宽可以不同（1）、下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播。
（2）、上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播。
3、信道带宽与子载波数目比：双工方式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。
H-FDD：（1）上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行。
（2）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。
（3）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 基站月分DD基站相同，但是H-FDD终端相对FDD终端可以简化，只保留一套收发信机并节省双工器的成本。
三、帧结构FDD帧结构——帧结构类型1，适用于FDD与H-FDD1、一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成；2、每个子帧由两个长度为0.5ms时隙构成。
TDD帧结构——帧结构类型２，适用于TDD1、一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成。
（1）、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；（2）支持5ms和10msDL→UL切换点周期。
LTE物理层基本概念
子帧序号 4 U D D U D D U 5 D D D D D D D 6 S S S D D D S 7 U U U D D D U 8 U U D D D D U 9 U D D D D D D
帧结构
TDD帧结构 特殊子帧配置
特殊子帧配置 DwPTS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 9 10 11 12 3 9 10 11 常规CP GP 10 4 3 2 1 9 3 2 2 1 1 UpPTS DwPTS 3 8 9 10 3 8 9 扩展CP GP 8 3 1 2 1 7 2 1 2 UpPTS
OFDM原理
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
TDD保护间隔Βιβλιοθήκη TDUTDD保护间隔
TUD
基站b RTTb/2
RTTa/2 基站a
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
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
15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输
N FFT
7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波数目
信道带宽（MHz） 子载波数目 1.4 72 3 180 5 300 10 600 15 900 20 1200
LTE物理过程系统框图及物理层简单介绍
L T E物理过程系统框图及物理层简单介绍(总5页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--一般下行过程详细流程图1：LTE 的一般下行过程的详细流程图1是我根据LTE 物理层协议专门画的LTE 的一般下行过程的详细流程。
旨在让大家明白物理层是怎么工作的。
有以下两点说明： 1、上行过程很相似，只是上行中UE 的能力比较小，调度信息等是基站通过下行控制信息指定的。
中可以看到如图2所示的一些较详细信息，是上行过程的部分流程。
Node B UEError图2：上行共享信道的物理模型2、这里是一般下行过程，是下行共享信道的整个物理过程，下行还有控制信道、广播信道等。
那些的过程可能只有其中的部分。
或者还有些没有提到的。
详细内容可以参考.和. 3、 本人水平有限，难免有错误和遗漏，发现请指出。
下面详细点介绍图1中的相关内容。
分成4个部分：1、红色所示的物理信道与调制（）；2、蓝色所示的复用与信道编码（）；3、橙色所示的物理层测量（）；以及物理层过程相关内容（）。
四个部分的关系如图3所示。
物理信道与调制（）直接与最下面的空中接口交互信息。
是离发射端和接收端最近的。
然后复用与信道编码（）是在211的上面一点点。
可以认为有一个逻辑信道，在这部分要做信道编码等，与211有个映射关系。
213是高层和最后发射端的一个联系着。
高层通过213给211发命令等。
214是高层为了获得信道等信息而设置的。
To/From Higher Layers图3、物理层协议间以及与高层间关系1、211物理信道与调制：该部分包括图1中的红色部分。
物理信道有很多种，如下表1和2中的红色部分就是部分物理信道。
表1、下行传输信道与物理信道映射表画的图中就是第四点数控复用部分提到的映射到物理信道。
可以看到，有好几种传输信道对应几种物理信道。
另外的上/下行控制信息与物理信道映射在212中。
在物理信道与调制部分要对逻辑信道映射来的信息做处理，如下图4和5所示，分别是下行和上行的处理流程。
LTE FDD物理层介绍
O n e s lo t, 0 .5 m s
物理信号和物理信道
下行物理信号
Reference Signal PSS SSS 参考信号 Synchronization signal 同步信号 主同步信号 辅同步信号
下行物理信道
PDSCH 物理层下行共享信道
PBCH
PCFICH
上行物理信道
PUSCH 物理层上行共享信道
PUCCH
PRACH
物理层上行控制信道
物理层随机接入信道
物理信号和物理信道
Reference signal – DMRS for PUSCH
用于PUSCH的信道估计和解调
序列占用的频带同上行资源占用的subcarriers相同
1 subframe,1ms 1 2 3 4 R R R R R R R R R R R R 5 6 7 1 2 3 4 R R R R R R R R R R R R 5 6 7
上行:
LTE（R8/R9）系统上行仅支持单天线发送 可以采用天线选择技术提供空间分集增益
MIMO
下行多天线传输模式
单天线传输（port0） 传输分集 发送分集模式两天线用SFBC模式，4天线用SFBC+FSTD模式。 开环空间复用 开环复用模式依据信道矩阵Rank进行判断，如果RI=1,此时变成发送分集模式， 如果RI>1, 使用大时延CDD进行空间复用。 闭环空间复用 闭环空间复用需要反馈PMI，由PMI指示codebook。 MU-MIMO 闭环Rank=1预编码 闭环单流，需要反馈PMI，适用于RANK=1的场景。 单天线传输（port5） 波束赋形（TM7/TM8）
For frame structure type 1, the PSS shall be mapped to the last OFDM symbol in slots 0 and 10. For frame structure type 2, the PSS shall be mapped to the third OFDM symbol in subframes 1 and 6.
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物理层主要负责向上层提供底层的数据传输服务
物理层（PHY）的位置
MME UE NAS APP RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY GTPU UDP S1AP X2AP eNB NAS S1AP SCTP IP SCTP IP SGW GTPU UDP IP
无线帧结构-TDD
1个无线帧 Tf = 307200 Ts = 10 ms 1个半帧 153600 TS = 5 ms
1个时隙 Tslot=15360TS 30720TS
子帧 #0
…
子帧 #4
子帧 #5
…
子帧 #9
1个子帧
1个子帧
DwPTS
GP
UpPTS
DwPTS
GP
UpPTS
• • • •
每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和1个特殊 子帧组成 特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1ms 支持5ms和10ms上下行切换点 子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送
CRS：Port 0-3
PDSCH
l0
l 6 l 0
l 6
l0
l 6 l 0
l 6
even-numbered slots
odd-numbered slots
even-numbered slots
odd-numbered slots
TDD
FDD
下行同步信号
• LTE 同步信号
– PSS (Primary Synchronization signal) – SSS (Secondary Synchronization signal)
#0 #1 #2 #3 Slot#0 #0 #1 #2 #3 #4 SSS
10ms radio frame
#4
#5
#6
#7
#8
#9
Slot#1 PSS #0 #1 FDD 10ms radio frame #2 #3 #4 #5 #6
#0
S
#2
#3
#4
#5
S
#7
#8
#9
Slot#0
#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #0 #1
• PSS: 5ms 定时同步 • SSS: 10ms定时同步
– FDD/TDD系统识别，常规CP/扩展CP识别
同步信号时频位置
t 一个子帧（1ms）
• 时、频位置
– 频域位置：
f
S S S
P S 62SC S
6RB, 72SC
第一个时隙（0.5ms）
第二个时隙（0.5ms）
– 时域位置
• 5ms周期
SC-FDMA示例
System Bandwidth Single Carrier Sub-frame
Frequency
Time frequency resource for User 1
Time
0
– 最大支持 16 QAM – 单载波调制降低峰均比（PAPR） – FDMA可通过FFT 实现
Time frequency resource for User 2 Time frequency resource for User 3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
一个子帧 （ 1ms ） PCFICH PHICH PDCCH PBCH P- SCH S- SCH PDSCH
第一个时隙 （ 0.5ms ）
第二个时隙 （ 0.5ms ）
TDD下行物理信道时频示意图
物理信道时频示意图
CFI CFI
PBCH PDCCH CFI=3 SSCH PSCH
固定位置的信道、信号 RS P（S）SCH PBCH PCFICH（相对固定） 信道映射的顺序 固定位置信道（RS、P（S） SCH、PBCH、PCFICH） PHICH PDCCH PDSCH
PSCH SSCH
PBCH
下行物理信道示意图
PSCH SSCH
PDCCH
#0
#1
#2
#3
• 同步信号的作用
– 小区ID（共504个），由组ID和组内ID组成，分成168组，每组3个 – 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和SSS的过程中获得5ms定时和10ms定时
信令流
数据流
物理层关键技术
系统带宽 物理层测 量 OFDMA&S C-FDMA
物理层过 程
关键 技术
双工方式
多天线技 术 信道编码
调制方式
OFDMA/SC-FDMA基本原理
• 下行采用OFDMA
– OFDMA将传输带宽划分成相互正交的子载波集， 通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资 源被灵活的在不同移动终端之间共享，从而实现不 同用户之间的多址接入。这可以看成是一种 OFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式。
RB和带宽
• 不同带宽对应的RB数
信道带宽 (MHz) RB数 实际占用带 宽(MHz)
1.4 6
3
5 25 4.5
10 50 9
15 75 13.5
20 100 18
15 2.7
1.08
– – – –
占用带宽 = 子载波间隔 x 每RB的子载波数 x RB数 子载波间隔 = 15KHz 每RB的子载波数 = 12 备注: 当前协议中，最大RB数为110
Slot#1
#2 #3 #4 #5 SSS #0 #1
DwPTS
PSS
TDD
同步过程
• P-SS\S-SS 主要作用是使UE与eNodeB获取帧同步，小区搜索在完 成同步的同时，确定小区的物理层小区ID。 • 同步过程通过2步完成，即
1个无线帧 Tf = 307200 TS = 10 ms
1个时隙 Tslot=15360×TS=0.5ms
#0
#1
#2
……
……
#17
#18
#19
1个子帧
• • • •
每个10ms无线帧被分为10个子帧 每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5ms Ts=1/(1500*2048) 是基本时间单元 任何一个子帧即可以作为上行，也可以作为下行
PUCCH
Tail biting convolutional coding
1/3
下行关键技术——调制方式
• 下行各物理信道支持的调制方式
下行信道类型 PDSCH PMCH PHICH PCFICH PBCH PDCCH 支持的调制方式 QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM BPSK QPSK QPSK QPSK
RBG的概念
• RBG用于服务信道的资源分配 • RBG 由一组RB组成 • RBG的个数与系统带宽相关 RBG 个数 系统带宽
DL N RB
(P)
1 2 3 4
≤10
11 – 26
27 – 63 64 – 110
课程内容
物理层概述 无线帧结构 物理资源分配 物理信道和信号
• •
下行物理信道和信号 下行物理信道和信号
RS
min, DL nPRB N RB 6 k0 12nPRB 12 6 72
CCE的概念
CCE用于PDCCH分配 在PCFICH 和PHICH完成之后，进行 PDCCH分配 每个CCE包含9个REG，CCE从0开始编 号
CCE的总数由PDCCH占用的符号数决 定
CP，子载波间隔和OFDM符号
TDD与FDD帧结构比较
课程内容
物理层概述 无线帧结构 物理资源分配 物理信道和信号 物理层过程
物理资源块PRB
DL 一个RB在时域上包含 N symb 个OFDM符号,在频域上 RB 包含Nsc 个子载波
DL RB N symb N 和 sc 的个数由CP类
型和子载波间隔决定
REG的概念
REG Diagram 1Tx or 2Tx configured l=0 l=1 l=2 k = 83
RS
4Tx configured l=0 l=1 l=2
k = 83
RS RS RS
k = 78 k = 77
RS
k = 78 k = 77
RS
RS
RS
RS RS
k = 72
RS
k = 72
• 上行采用SC-FDMA
• 利用DFTS-OFDM的特点可以方便的实现SC-FDMA多址接 入方式 • 通过改变不同用户的DFT的输出到IDFT输入端的对应关系， 输入数据符号的频谱可以被搬移至不同的位置，从而实 现多用户多址接入
OFDMA示例
System Bandwidth Sub-carriers Sub-frame
物理层过程
LTE下行物理信道
PCFICH-物 理控制格 式指示信 道 PHICH-物 理HARQ指 示信道 PBCH-物理 广播信道
下行物理层信号:
RS(导频信号) P(S)-SCH(同步信号 )
下行物 理信道
PDCCH-下 行物理控 制信道 PDSCH-下 行物理共 享信道 PMCH-物 理多播信 道
Block Tail biting convolutional coding Tail biting convolutional coding