LTE帧结构与物理层-讲解
LTE帧结构和协议讲解
LTE帧结构和协议讲解LTE（Long Term Evolution）是第四代无线通信技术，为了支持更高的数据速率、更低的时延和更好的系统能力而发展起来的。
LTE通过改进帧结构和引入新的协议来提高系统的性能和效率。
LTE的帧结构主要由基本帧和无线帧的形成方式组成。
在LTE中，基本帧是和无线帧对称的，对称的结构可以简化系统的设计和实现。
基本帧由10个子帧组成，每个子帧的持续时间为1ms。
每个子帧可以分为两个时隙，每个时隙的持续时间为0.5ms。
基本帧中的第0个子帧（SF）被用于广播或下行控制信令，而其他9个子帧（S1~S9）用于传输用户数据。
无线帧的形成方式可以分为FDD（Frequency Division Duplexing）和TDD（Time Division Duplexing）两种。
在FDD模式下，上行和下行数据在频域上互不干扰，通过频域上的分离来实现双工通信。
而在TDD模式下，上行和下行数据共享相同的频谱，在时间上交替进行传输。
FDD和TDD模式可以根据不同的需求选择使用，TDD模式具有更快的部署速度和更灵活的频谱分配，但FDD模式可以提供更好的容量和覆盖性能。
LTE的协议主要由控制平面和用户平面组成。
控制平面负责处理系统控制信令，如寻呼、鉴权和移动性管理等；用户平面负责处理用户数据的传输。
LTE的协议是基于分组交换的IP网络，通过优化分组交换的性能和效率来提高系统的吞吐量和容量。
LTE的控制平面使用RRC（Radio Resource Control）协议进行系统控制和管理。
RRC协议负责系统的连接建立、终端的移动性管理和系统的切换等功能。
RRC协议通过不同的消息和过程来实现这些功能，如RRC连接建立过程、RRC连接重建过程和RRC连接释放过程等。
RRC协议的主要目标是优化系统控制信令的传输，减少信令的时延和系统开销。
LTE的用户平面使用PDCP（Packet Data Convergence Protocol）协议进行用户数据的传输。
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
TD-LTE帧结构及速率分析
TD-LTE帧结构及速率分析TD-LTE帧结构与物理层Figure 4.2-1: Frame structure type 2 (for 5 ms switch-point periodicity).TDD采用2型帧，如上图所示，1个帧周期是10ms，分成10个子帧，1个子帧分成2个时隙，1个时隙0.5ms，每个时隙6 或7 个OFDM 符号，这与FDD1型帧是一致的，差别主要是特殊时隙。
上下行配比方式：如上表，根据上下行不同的配比，分为7种不同的配置，注意配置3、4、5，在10ms周期内只有1个特殊时隙，这就是转换周期的概念，配置345是10ms转换周期，这种配置相对于5ms 转换周期来说，时延的保证性略差些，但系统损失的容量相对较小。
外场常用的上下行配置是2和3。
特殊子帧包括DwPTS，GP，UpPTS 三个域，配置由下表4.2-1：PS：CP的概念：循环前缀（CP: Cyclic Prefix）实际上是一份附加在符号前面的数据符号的末尾部分。
通过添加一个循环前缀，信道能够被制成表现好像传输波形是来自时间减去无穷大，从而保证了正交状态，其本质上防止了一个辅载波与另一个载波相混淆（叫做载波间干扰，或ICI ）。
Ts=1/(15000*2048)S=1000/30720s=1/31720ms对于常规CP来说，特殊时隙的配置如下：目前常用的特殊子帧配置是5和7，特别是7，可以提高下行吞吐量。
以上TDD帧结构的2个重要概念已经总结完了，1个是上下行子帧配比，1个是特殊子帧配比。
资源栅格：上图中，一个RB（Resource Block）即帧结构中的一个slot。
在使用常规CP时，1个RB=7个symbol×12个子载波。
如此划分出的每一个小格子称为RE（Resource Element）。
下表是不同CP配置下，symbol和子载波的对应关系。
在1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz带宽中，系统分别使用6个、15个、25个、50个、75个和100个RB。
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 。
TD-LTE帧结构及速率分析
TD-LTE帧结构及速率分析TD-LTE帧结构与物理层DwPTS SGPSFigure 4.2-1: Frame structure type 2 (for 5 ms switch-point periodicity).TDD采用2型帧，如上图所示，1个帧周期是10ms，分成10个子帧，1个子帧分成2个时隙，1个时隙0.5ms，这与FDD1型帧是一致的，差别主要是特殊时隙。
Table 4.2-2: Uplink-downlink configurations.如上表，根据上下行不同的配比，分为7种不同的配置，注意配置3、4、5，在10ms周期内只有1个特殊时隙，这就是转换周期的概念，配置345是10ms转换周期，这种配置相对于5ms转换周期来说，时延的保证性略差些，但系统损失的容量相对较小。
外场常用的上下行配置是2和3。
Table 4.2-1: Configuration of special subframe (lengths of DwPTS/GP/UpPTS).PS：CP的概念：循环前缀（CP: Cyclic Prefix）实际上是一份附加在符号前面的数据符号的末尾部分。
通过添加一个循环前缀，信道能够被制成表现好像传输波形是来自时间减去无穷大，从而保证了正交状态，其本质上防止了一个辅载波与另一个载波相混淆（叫做载波间干扰，或ICI ）。
目前常用的特殊子帧配置是5和7，特别是7，可以提高下行吞吐量。
以上TDD 帧结构的2个重要概念已经总结完了，1个是上下行子帧配比，1个是特殊子帧配比。
资源栅格：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上图中，一个RB （Resource Block ）即帧结构中的一个slot 。
LTE下行物理信道处理过程
LTE下行物理信道处理过程1.物理层的基本概念1.1LTE系统帧结构在空中接口上，LTE系统定义了无线侦来进行信号的传输，1个无线帧的长度为10m。
LTE支持两种帧结构FDD和TDD。
在FDD帧结构中，一个长度为10m的无线帧由10个长度为1m的子帧构成，每个子帧由两个长度为0.5m的时隙构成。
基本时间单位在TDD帧结构中，一个长度为10m的无线帧由2个长度为5m的半帧构成，每个半帧由5个长度为1m的子帧构成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。
普通子帧由两个0.5m的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙（DwPTS、GP和UpPTS）组成。
1.2LTE下行时隙结构和物理资源LTE系统中的物理资源均被分配到物理资源网格中传输，也就是说在每个lot中传输的信号由一个资源网格描述。
一个资源网格是由块（PhyicalReourceBlock，记为RB）组成，而每个RB又由元素（reourceelement，记为RE）构成。
一个RB在时域上包含符号,在频域上包含个下行物理资源个资源个OFDM个子载波。
RE是资源网的基本单位，一个资源网包含个资源元。
在一个lot中资源元素由索引对（k,l）唯一定义，其中k=0,…,-1，l=0,…,-1分别为频域和时域的索引。
LTE下行资源网格图具体如图由图可知，一个资源网格由频域索引坐标上标上个OFDM符号交错分割而成。
其中，个子载波和时域索引坐是RB个数，它由下行传输带宽决定，为每RB分配的子载波个数，1个RB在频域上对应12个子载波，和的个数由子载波间隔为15kHZ，180KHz=15KHz某12(normalCP)。
CP（CyclicPrefi某，CP）类型和子载波间隔决定。
物理资源块参数与CP长度关系如表所示子载波间隔15KHz15KHz7.5KHzOFDM符号数(一个时隙)763RB占用子载波数121224RB对应的RE数847272常规CP扩展CP1.3资源元素组物理资源元素组（Reource-elementGroup，记为REG）是用来定义控制信道到资源元素的映射的。
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1ms DwPTS GP UpPTS
特殊子 帧配置
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Normal CP
DwPTS GP UpPTS
3
10
1
9
4
1
10
3
1
11
2
1
12
1
1
3
9
2
9
3
2
10
2
2
11
1
2
DwPTS GP UpPTS
• TD-LTE的特殊子帧配置和上下行时隙配置没有制约 关系，可以相对独立的进行配置
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
TD-SCDMA
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
TD-LTE 0.525ms（16128Ts)，只能采用3:9:2的配置
子帧= 1ms = 30720Ts 10:2:2 = 21952Ts : 4384Ts : 4384Ts 3:9:2 = 6592Ts : 19744Ts : 4384Ts
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）
0
转换周期为5ms表示每5ms有一个特殊
时隙。
1
2
3
4
转换周期为10ms表示每10ms有一个特
殊时隙。
5
6
5 ms 5 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms 5 ms
D SUUU D SUUU D SUUD D SUUD DSUDD D SUDD D SUUU D DDDD D SUUD D DDDD DSUDD DDDDD D SUUU D SUUD
TD-SCDMA 时隙 = 675us DwPTS = 75us GP = 75us UpPTS = 125us
TD-LTE和TD-SCDMA邻频共存（2）
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
TD-S = 4:2
TD-LTE = 3:1 + 3:9:2
根据计算，此时TD-LTE下行扇区吞吐量为28Mbps左右 （为避免干扰，特殊时隙只能采用3:9:2，无法用来传输业务。经计算，为和TD-SCDMA时 隙对齐引起的容量损失约为20% ）
• 目前厂家支持10:2:2（以提高下行吞吐量为目的）和 3:9:2（以避免远距离同频干扰或某些TD-S配置引起 的干扰为目的），随着产品的成熟，更多的特殊子帧 配置会得到支持
DwPTS
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
• 主同步信号PSS在DwPTS上进行传输 • DwPTS上最多能传两个PDCCH OFDM符号（正常时隙能传最多3
➢增加新的特殊时隙配比需要修改标准，目前已经将该要求写入R11版本， 后续将考虑如何在R9版本中引入该要求。
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 帧设计思路，由DwPTS，GP和UpPTS组成。
• TD-LTE的特殊子帧可以有多种配置，用以改 变DwPTS，GP和UpPTS的长度。但无论如何 改变，DwPTS + GP + UpPTS永远等于1ms
内容：
• TD-LTE-物理层
– 基本原理 – 帧结构及物理信道 – 物理层过程
TD-LTE帧结构
子帧: 1ms 特殊子帧: 1ms
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程
#0
DwPTS
#2
#3
#4
时隙 0.5ms
GP UpPTS
半帧: 5ms
帧: 10ms
半帧: 5ms
TD-LTE帧结构特点：
• 无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。FDD子帧长度也是1ms。
计算方法：TS36.213规定，特殊时隙DwPTS如果用于传输数据，那么吞吐量按照正常下行时隙的0.75倍 传输。如果采用10:2:2配置，则下行容量为3个正常时隙吞吐量+0.75倍正常时隙吞吐量。如果丢失此 0.75倍传输机会，则损失的吞吐量为0.75/3.75 = 20%
0.7ms
= 1.475ms 0.675ms
TD-LTE和TD-SCDMA邻频共存（1）
关键技术
帧结构
物理信道 物理层过程
TD-S = 3:3
TD-LTE = 2:2 + 10:2:2
根据仿真结果，此时TD-LTE下行扇区吞吐量为26Mbps左右 （采用10:2:2，特殊时隙可以用来传输业务）
1.025ms
特殊时隙
Hale Waihona Puke = 2.15ms0.675ms
TD-SCDMA 时隙 = 675us DwPTS = 75us GP = 75us UpPTS = 125us
TD-LTE和TD-SCDMA邻频共存（3）
关键技术 帧结构 物理信道 物理层过程 • TD-SCDMA与TD-LTE邻频共存时，需要严格时隙对齐，当TD-SCDMA配置为2UL:4DL时，TD-LTE需用 配置1UL:3DL，特殊时隙3:9:2或3:10:1与其匹配 • DwPTS均仅占用3个符号，无法传输业务信道，为了提高业务信道的容量，又满足邻频共存时两个TDD系 统的GP对齐，建议增加DWPTS的符号数，在短CP情况下，增加新的特殊时隙配比6:6:2；在长CP下情况 下，增加新的特殊时隙配比5:5:2
个）
• 只要DwPTS的符号数大于等于6，就能传输数据（参照上页特 殊子帧配置）
• TD-SCDMA的DwPTS承载下行同步信道DwPCH，采用规定功率覆盖整个小区，UE 从DwPTS上获得与小区的同步
• 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
• 一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。和FDD LTE的帧长一样。
• 特殊子帧 DwPTS + GP + UpPTS = 1ms
TD-LTE上下行配比表
DL-UL Configuration
Switch-point periodicity
Subframe number 01234 56789