LTE-物理层介绍
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物理层资源概念及信道
特殊子帧
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
• TD-LTE特殊子帧继承了TD-SCDMA的特殊子 特殊子帧
帧设计思路，由DwPTS，GP和UpPTS组成。
配置
Normal CP
DwPTS
GP
UpPTS
• TD-LTE的特殊子帧可以有多种配置，用以改
0
变DwPTS，GP和UpPTS的长度。但无论如何
• TD-SCDMA的DwPTS无法传输数据，所以TD-LTE在这方面是有提高的。如果小区覆 盖距离和远距离同频干扰不构成限制因素（在这种情况下应该采用较大的GP配置）， 推荐将DwPTS配置为能够传输数据
10
UpPTS
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
• UpPTS可以发送短RACH（做随机接入用）和SRS（Sounding参考信号， 详细介绍见后）
解调出BCH
广播消息：MIB&SIB
•MIB在PBCH上传输, 包含了接入LTE系统所 需要的最基本的信息：
•下行系统带宽 •PHICH资源指示 •系统帧号(SFN） •CRC •使用mask的方式 •天线数目的信息等
问题：大家还记得PBCH信道的调 制方式吗？
• SIB在DL-SCH上传输，映射到物理信道PDSCH ，
0 1 2 3 4 5 6
TD-LTE上下行配比表
Switch-point periodicity
Subframe number 01234 5 6789
5 ms 5 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms 5 ms
D S UUU D SUUU D S UUD D SUUD D SUDD D SUDD D S UUU D DDDD D S UUD D DDDD D SUDD D DDDD D S UUU D SUUD
LTE_物理信道与传输信道
R0
R0
R1
R1
Two antenna ports
R0
R0
R1
R1
Not used for transmission on this antenan port
R0
R0
R1
R1
Reference symbols on this antenna port
R0
l 0
R0
l 5 l 0 l 5 l 0
主同步信号
辅同步信号
主同步信号
控制区域
数据区域
控制区域
数据区域
FS1，常规CP
FS2，常规CP
主/辅同步信号序列
主同步信号使用Zadoff-Chu序列 副同步信号使用的序列由两个长度为31的二进制序列通过交织级联产生，并且 使用由主同步信号序列决定的加扰序列进行加扰，长度为31的二进制序列以及加 扰序列都由m序列产生。
7 symbols
7 symbols
下行Unicast/MBSFN子帧
MBSFN传输时，控制区域1~3个符号 MBSFN传输时，控制区域1～2个符号
Nc subcarriers
LTE帧结构及物理层-讲解课件
TD-S类 似信道
PCCPCH
HS-SCCH
ADPCH N/A PRACH HS-SICH
PDSCH PUSCH
功能简介
MIB
•传输上下行数据调度信令 •上行功控命令 •寻呼消息调度授权信令 •RACH响应调度授权信令 传输控制信息HI（ACK/NACK)
指示PDCCH长度的信息 用户接入请求信息
传输上行用户的控制信息，包括 CQI, ACK/NAK反馈，调度请求等。
TD-SCDMA
特殊时隙
TD-LTE 子帧= 1ms = 30720Ts 10:2:2 = 21952Ts : 4384Ts : 4384Ts 3:9:2 = 6592Ts : 19744Ts : 4384Ts
1ms
TD-LTE
共存要求：上下行没有交叠（图中Tb > Ta）。则 TD-LTE的DwPTS必须小于0.85ms（26112Ts)。 可以采用10:2:2的配置
PRACH
PUSCH
Uplink Physical channels
• 逻辑信道定义传送信息的类型, 这些数据流是包括所有用户的数据。 • 传输信道是在对逻辑信道信息进行特定处理后再加上传输格式等指示信息后的数据流。 • 物理信道是将属于不同用户、不同功用的传输信道数据流分别按照相应的规则确定其 载频、 • 扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作, 并在最终调制为模拟射频信号发射出去； • 不同物理信道上的数据流分别属于不同的用户或者是不同的功用。
下行用户数据、RRC信令、SIB、 寻呼消息
上行用户数据、用户控制信息反 馈，包括CQI,PMI,RI
物理信道配置
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
SCH配置
lte协议栈
lte协议栈LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信网络（4G）的一种技术标准，其协议栈是指在LTE网络中用于实现通信功能的一系列协议。
LTE协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层等组成部分，下面将对LTE协议栈的各个层进行介绍。
物理层是整个协议栈的最底层，主要负责对无线信号的调制解调、信道编码和解码等任务。
其具体功能包括无线信号调制解调、功率控制、调度和调制解调器功耗管理等。
物理层的设计需要考虑带宽、频率复用、多天线技术等因素，以提供高吞吐量和低时延的通信性能。
数据链路层负责将物理层传输的信号分割成较小的数据单元，并提供数据传输的可靠性和安全性保证。
其主要功能包括信道编码与解码、错误检测和纠错、调度和资源分配、混合自动重传请求（HARQ）等。
数据链路层还负责和物理层之间的协作，以确保数据的可靠交付和高效传输。
网络层是实现网络互连和路由功能的层，其主要任务是将数据传输到目标终端设备。
网络层的功能包括寻址与路由、移动性管理、IP数据包的分组交换和转发等。
在LTE中，网络层采用IP协议作为基础，支持IPv4和IPv6两种寻址方式，以适应不同的网络需求和应用场景。
应用层是整个协议栈的最上层，其主要任务是提供各种高层服务和功能。
应用层的协议包括HTTP、FTP、DNS等，用于实现互联网接入、内容下载和域名解析等功能。
此外，应用层也支持多媒体业务的传输和处理，如语音通话、视频流媒体等。
除了以上四个主要层次外，LTE协议栈还包括安全层和控制层。
安全层用于提供通信的保密性、完整性和认证等安全功能，以防止数据泄露和网络攻击。
控制层则负责网络的管理和控制功能，包括寻呼、接入控制、呼叫建立和释放等。
总之，LTE协议栈是实现LTE网络功能的核心部分，其各个层次之间密切协作，共同实现数据的传输和处理。
物理层提供无线信号的调制解调和信道编码解码等功能，数据链路层负责对数据进行分割和编码纠错，网络层实现数据的路由和转发，应用层提供各种高层服务和功能。
第二章 LTE物理层解析---参考信号
LTE 协议解读2.3 参考信号参考信号（Reference Signal ，RS ），就是常说的“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。
2.3.1 下行参考信号下行参考信号有以下目的。
（1）下行信道质量测量。
（2）下行信道估计，用于UE 端的相干检测和解调。
下行参考信号由已知的参考信号构成，下行参考信号是以RE 为单位的，即一个参考信号占用一个RE 。
这些参考信号可分为两列：第1参考信号和第2参考信号。
第1参考信号位于每个0.5ms 时隙的第1个OFDM 符号，第2参考信号位于每个时隙的倒数第3个OFDM 符号。
第1参考信号位于第1个OFDM 符号有助于下行控制信号被尽早解调。
在频域上，每6个子载波插入一个参考信号，这个数值是在信道估计性能和RS 开销之间求取平衡的结果，RS 过疏则信道估计性能无法接受；RS 过密则会造成RS 开销过大。
每6个子载波插入一个RS 既能在典型频率选择性衰落信道中获得良好的信道估计性能，又能将RS 控制在较低水平。
RS 的时域密度也是根据相同的原理确定的，每个时隙插入两行RS 既可以在典型的运动速度下获得满意的信道估计性能，RS 的开销又不是很大。
在参考信号的设置上的考虑主要是基于对高速移动性的支持，有兴趣大家可以参考【3】这本书里面的推算。
另外，第0参考信号和第1参考信号在频域上是交错放置的。
而且，下行参考信号的设计还必须有一定的正交性，以有效地支持多天线并行传输（最多需支持4个并行流），实际上通过在时域上错开放置第2与第3参考信号来解决这个问题。
如图：版权所有，转载请与本人联系 Page 1 of 22yongzhiDigitally signed by yongzhiDN: cn=yongzhi, c=CN, o=Deng, ou=Deng, email=yongzhid@ Reason: 希望大家能够尊重我的劳动成果Date: 2010.04.17 11:34:21 +08'00'O n e a n t e n n a p o r tT w o a n t e n n a p o r t sk,l )F o u r a n t e n n a p o r t seven-numbered slots odd-numbered slots Antenna port 0even-numbered slots odd-numbered slots Antenna port 1even-numbered slots odd-numbered slots Antenna port 2even-numbered slots odd-numbered slotsAntenna port 3图2.3.1-1 天线端口对应的参考信号下图是摘自3GPP 36.211，不过它那个图有点问题，在单天线的时候，其实它也假设是同时存在天线端口0，1的，因此，对应到天线端口1的资源粒子是空着的，不能使用。
LTE物理层几个基本概念的定义和相互关系
LTE物理层⼏个基本概念的定义和相互关系传输块（transport block），码字（codeword），层映射（layer mapping），传输层（transmission layer）, 阶（rank）, 和预编码（Precoding），天线端⼝（antenna port）是LTE物理层的⼏个基本概念，搞清楚这⼏个概念的定义和相互关系才能透彻理解LTE多天线技术和调度算法。
传输块（Transport block）⼀个传输块就是包含MAC PDU的⼀个数据块，这个数据块会在⼀个TTI上传输，也是HARQ重传的单位。
LTE规定：对于每个终端⼀个TTI最多可以发送两个传输块。
码字（codeword）⼀个码字就是在⼀个TTI上发送的包含了CRC位并经过了编码（Encoding）和速率匹配（Rate matching）之后的独⽴传输块（transport block）。
LTE规定：对于每个终端⼀个TTI最多可以发送两个码字。
层映射（Layer mapping）将对⼀个或两个码字分别进⾏扰码（Scrambling）和调制（Modulation）之后得到的复数符号根据层映射矩阵映射到⼀个或多个传输层。
层映射矩阵的维数为C×R，C为码字的个数，R为阶，也就是使⽤的传输层的个数。
传输层（Transmission layer）和阶（Rank）⼀个传输层对应于⼀个⽆线发射模式。
使⽤的传输层的个数就叫阶（Rank）。
预编码（Precoding）根据预编码矩阵将传输层映射到天线端⼝。
预编码矩阵的维数为R×P，R为阶，也就是使⽤的传输层的个数；P为天线端⼝的个数。
天线端⼝（Antenna Port）⼀个天线端⼝（antenna port）可以是⼀个物理发射天线，也可以是多个物理发射天线的合并。
在这两种情况下，终端（UE）的接收机（Receiver）都不会去分解来⾃⼀个天线端⼝的信号，因为从终端的⾓度来看，不管信道是由单个物理发射天线形成的，还是由多个物理发射天线合并⽽成的，这个天线端⼝对应的参考信号（Reference Signal）就定义了这个天线端⼝，终端都可以根据这个参考信号得到这个天线端⼝的信道估计。
LTE E-UTRAN物理层介绍
LTE物理资源结构
One downlink slot Tslot
RE（Resource Element）为最小的资源单
位，时域上为一个符号，频域上为一个子 载波。
DL N symb OFDM symbols
DL RB k N RB N sc 1
RB（Resource Block）为业务信道资源分
LTE物理层概述
复用与信道编码
LTE中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（Trellis Termination）方案。在Turbo编码 之前，传输块被分割成多个段，每段的大小要与最大信息块大小6144bit保 持一致。使用24bit长的循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）来 支持错误检测。
REG（资源元组）示意图 1Tx or 2Tx configured l=0 l=1 l=2 k = 83
RS
REG
RBG用于业务信道的资源分配
4Tx configured l=0 l=1 l=2
一个RBG是一组RB组成
分组的大小和系统带宽有关 System Bandwidth
DL N RB
One slot, Tslot=15360Ts
30720Ts
Subframe #0 One subframe, 30720Ts DwPTS GP
Subframe #2
Subframe #3
Subframe #4
Subframe #5
Subframe #7
Subframe #8
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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
One sub-frame Tsubframe =1ms
#0 #1 #2 #3
…
…
#17
#18
#19
One slot Tslot =0.5ms
• 适用于全双工FDD和半双工的FDD与TDD • 一个无线帧包含20个时隙，每两个时隙组成一个子帧 • 在10ms的间隔，上下行各自有10个子帧用于传输，上下行在频域上是独立的。
9
概述 (续)——无线帧结构 Type 2
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One half-frame, 153600Ts = 5 ms
• 下行的子载波间隔 Δf 有两种，15kHz和7.5kHz
下行传输(续)——时隙结构
DL N symb OFDM symbols
• 时域上有 NDLsymb个OFDM符号，根据不同的CP和帧结 构和子载波间隔，数目不同
Resource block DL RB N symb N sc
DL RB N RB N sc subcarriers
DwPTS
GP
UpPTS
• 仅用于TDD模式
• 一帧分为两个半帧，每个半帧的结构是相同的 • 每个半帧包含5个子帧，其中子帧1包含三个特殊的域：DwPTS, GP和 UpPTS • 一个子帧被定义为两个时隙
• 子帧0和DwPTS总是用于下行发送，UpPTS和子帧1总是用于上行发送
• 同一个时刻，一个子帧要么分配给下行，要么分配给上行。子帧0和子帧5总是分配给下行
168个物理层小区id组，每组有3个id。这样物理层小区id可以表示成： NcellID=3 N(1)ID + N(2)ID， N(1)ID∈{0,1,…,167} ， N(2)ID∈{0,1,2} • 分为主同步信号和辅同步信号 • 在映射到资源网格中的时候要避开已经映射了参考信号的资源元素 • 主同步信号序列的生成
• 对于多天线发送情况，每个天线端口对应一个资源网 格，天线端口是通过相关的参考信号来定义的 • 资源块有物理资源和虚拟资源块
k • 一个时隙中物理资源块编号和资源元素之间的关 nPRB RB 系为 N sc
resource elements
RB subcarriers N sc
概述
6
概述
• 时域帧结构
• 基础时间单元
• 传输时间间隔 (TTI) Ts
• 两种CP
1 seconds 15000 2048
• Normal CP
1TTI = 1ms (or 1subframe)
• Extended CP
7
概述(续)——CP
8
• 两种无线帧结构
概述(续)——无线帧结构
13
概述(续)——资源块(Resource Block)
• 包括 Nsymb × NscRB个资源元素 • 对应于时域上一个时隙和频域上的180kHz
• 由时域上Nsymb 个连续的符号和频域上 NscRB 个连续的子载波构成
RB resource Nsymb Nsc
One resource block element
one s
lot, N symb
ol 个
符号
RB N sc 个子载波, 180kHz
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内容提要
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
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22
下行传输(续)——参考信号5
• UE专用参考信号
• • • • 支持PDSCH的单天线传输 使用天线端口5 由高层配置是否传输或是否为PDSCH解调的相位参考 如果存在UE专用参考信号并且是PDSCH解调的有效相位参考，那么UE 可以忽略在天线端口2和3上的传输
23
下行传输 (续)——同步信号1 • 在小区搜索过程中和小区id密切相关。物理层小区id总共有504个，分成
• 在不发送MBSFN的小区的所有下行子帧上传输 • 若子帧已用于传输MBSFN，那么只有子帧的前两个OFDM符号可以用于传输小区专用 参考信号 • 小区专用参考信号能在天线端口0～3中的一个或几个上传输 • 只在15khz间隔有定义
• 参考信号的生成 ( rm,n(ns) )
普通CP：
OS PRS rm,n (ns ) rm r ,n m,n (ns )
• Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH
• Physical Downlink Control Channel, PDCCH • Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH
16
One downlink slot Tslot
低的室外
小于WiMAX
100 专利、网络成本高
0.1~0.3 无需布网线、成本 低
3
概述
• E-UTRAN的多址方式以OFDM为基础，在上行使用SC-FDMA，在下行使用OFDMA • OFDM是一种特殊的多载波传输方案。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样 每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号 再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。由于各个子载 波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰， 还大大提高了频谱利用率 • 为了克服符号间干扰，减少在接收端定时偏移的错误，一般都要在每个OFDM符号之间 插入保护间隔 • 通常是将每个OFDM符号的后Tg 时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在 交接点没有任何间断。这种保护间隔叫做循环前缀(Cyclic Prefix, CP)。E-UTRAN中使用的 就是这种循环前缀
• 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
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下行传输(续)——参考信号2
• 小区专用参考信号
One slot, Tslot=15360Ts
30720Ts
Subframe #0 One subframe, 30720Ts DwPTS GP
Subframe #2
Subframe #3
Subframe #4
Subframe #5
Subframe #7
Subframe #8
Subframe #9
UpPTS
复制 时间
IFFT输出
GI Tg
IFFT输出 TFFT Ts
符号N
GI
IFFT输出
符号N-1
符号N+1
4
概述
• OFDM收发信机示意图
• SC-FDMA发射端示意图
5
• E-UTRAN系统的传输参数
Transmission BW Slot duration Sub-carrier spacing Sampling frequency (MHz) FFT size Number of occupied sub-carriers per slot OFDM symbols per slot (Short/Long CP) CP length (μs/samples) Short Long (4.69/9) 6, (5.21/10) 1 (16.67/32) (4.69/18) 6, (5.21/20) 1 (16.67/64) (4.69/36) 6, (5.21/40) 1 (16.67/128) 1.92 (1/2 3.84) 128 76 3.84 (1 3.84) 256 151 7.68 (2 3.84) 512 301 7/6 (4.69/72) 6, (5.21/80) 1 (16.67/256) (4.69/108) 6, (5.21/120) 1 (16.67/384) (4.69/144) 6, (5.21/160) 1 (16.67/512) 1.4 MHz 3MHz 5 MHz 0.5 ms 15 kHz 15.36 (4 3.84) 1024 601 23.04 (6 3.84) 1536 901 30.72 (8 3.84) 2048 1201 10 MHz 15 MHz 20 MHz