第八课 LTE系统物理层

LTE 物理层概述2013-06-16LTE 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。1. 协议结构物理层周围的 LTE 无线接口协议结构如图 1 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OMAC层提供不同的逻辑信道给层2的 无线链路控制 RLC 子层。YLayer 1；酣血如体接入吃制MAC）物理层无经瓷淞控制（RRC）图 1 物理层周围的无线接口协议结构2. 物理层功能物理层通过传输信道给高层提供数据传输服务，物理层提供的功能包括:1）传输信道的错误检测并向高层提供指示；2）传输信道的前向纠错（FEC）编解码；3）混合自动重传请求（HARQ ）软合并；4）编码的传输信道与物理信道之间的速度匹配；5）编码的传输信道与物理信道之间的映射；6）物理信道的功率加权；7）物理信道的调制和解调；8）频率和时间同步；9）射频特性测量并向高层提供指示；10）多输入多输出（MIMO）天线处理；11）传输分集；12 ）波束形成； 13）射频处理；3. LTE 无线传输帧结构（1） 无线传输帧结构LTE在空中接口上支持两种帧结构：Typel和Type2,其中Typel用于FDD 模式；Type2用于TDD模式，两种无线帧长度均为10ms。在FDD模式下，10ms的无线帧分为10个长度为1ms的子帧（Subframe）， 每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙（slot）组成，如图2所示。图 2 帧结构类型 1在TDD模式下，10ms的无线帧包含两个长度为5ms的半帧（Half Frame）， 每个半帧由 5 个长度为 1ms 的子帧组成，其中有4 个普通子帧和 1 个特殊子帧。 普通子帧包含两个0.5ms的常规时隙，特殊子帧由3个特殊时隙（UpPTS、GP和 DwPTS）组成，如图3所示。图 3 帧结构类型 2（2） Type 2 TDD 帧结构特殊时隙的设计在 Type2 TDD 帧结构中，特殊子帧由三个特殊时隙组成： DwPTS， GP 和 UpPTS 总长度为1ms，如图4所示。DwPTS的长度为312个OFDM符号,UpPTS的长度为12个OFDM符号， 相应的GP长度为（110个OFDM符号，70700us/10100km）。UpPTS中, 最后一个符号用于发送上行 sounding 导频。DwPTS 用于正常的下行数据发送，其中主同步信道位于第三个符号，同时， 该时隙中下行控制信道的最大长度为两个符号（与 MBSFN subframe 相同）。0 i .伽Pts CP WPTD* . UL DLJ一一v ir 丁屯】北一 一 一厂戏jDwrsch UpOTEDtrPTS- gB U曲7 $ryoe3TDDLTE TDD 中支持 5ms 和 10ms 的上下行子帧切换周期，7 种不同的上、下行 时间 配比，从将大部分资源分配给下行的“9:1”到上行占用资源较多的“2:3”，具体配置见图 7，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置。IF Ml isDLlid =2:3UU!L=5:2DLULf4l1广 DUUUIT3- Duui.-e ?I DUUL=3 T k DUUli-5r5口 图 7 TDD 上下行时间配比5） TD-LTE 和 TD-SCDMA 帧结构区别TD-LTE 和 TD-SCDMA 帧结构主要区别有：1）时隙长度不同。TD-LTE的子帧（相当于TD-SCDMA的时隙概念）长度和FDD LTE 保持一致，有利于产品实现以及借助 FDD 的产业链 ；2）TD-LTE的特殊时隙有多种配置方式，DwPTS, GP, UpPTS可以改变长度, 以适应覆盖、容量、干扰等不同场景的需要；3）在某些配置下， TD-LTE 的 DwPTS 可以传输数据，能够进一步增大小区容 量；4）TD-LTE的调度周期为1ms，即每1ms都可以指示终端接收或发送数据, 保证更短的时延，而 TD-SCDMA 的调度周期为 5ms；LTE 系统物理层基本过程2013-06-16LTE 系统物理层基本过程1.小区搜索与同步小区搜索过程是指 UE 获得与所在 eNodeB 的下行同步（包括时间同步和频率 同步），检测到该小区物理层小区ID。UE基于上述信息，接收并读取该小区的 广播信息，从而获取小区的系统信息以决定后续的UE操作，如小区重选、驻留、 发起随机接入等操作。当 UE 完成与基站的下行同步后，需要不断检测服务小区的下行链路质量，确 保UE能够正确接收下行广播和控制信息。同时，为了保证基站能够正确接收UE 发送的数据，UE必须取得并保持与基站的上行同步。1.1 配置同步信号在 LTE 系统中，小区同步主要是通过下行信道中传输的同步信号来实现的。下行同步信 号分为主同步信号(Primary Synchronous Signal,PSS)和辅同步信号(Secondary Synchronous Signal,SSS)。LTE中，支持504个小区ID,并将所有的小区ID划分为168 个小区组，每个小区组内有504/168=3个小区ID。小区ID号由主同步序列编号和辅同步序列编号共同决定，具体关系为。小区搜索的第一步是检测出PSS，在根据二者间的位置偏移检测SSS，进而利用上述关系式计算出小区ID。采用PSS和 SSS 两种同步信号能够加快小区搜索的速度。下面对两种同步信号做简单介绍。1) PSS序列为进行快速准确的小区搜索，PSS序列必须具备良好的相关性、频域平坦性、低复杂度 等性能，TD-LTE的PSS序列采用长度为63的频域Zadoff-Chu (ZC)序列。ZC序列广泛应 用于LTE中，除了 PSS，还包括随机接入前导和上行链路参考信号。ZC序列可以表示为e P ! IN 11其中，、”是ZC序列的根指数，秤已INzc 1丿e Nl可以是任何整数，为了简单在LTE中设置l=0。为了标识小区内ID，LTE系统中包含包含3个PSS序列，分别对应不同的 小区组内ID。被选择的3个ZC序列的根指数分别为25,34,29=M。对于根指数为 M，频率长度为63的序列可以表示为63(j?) = gp j真+ 1)山-0J,r,62设置ZC序列的根指数是为了具有良好的周期自相关性和互相性。从UE的角 度来看，选择的 PSS 根指数组合可以满足时域的根对称性，可以通过单相关器检 测，使得复杂度降低。UE侧对PSS序列采用非相干检测。PSS采用长度为63的频域ZC序列，中间被打孔打掉的元素是为了避免直流 载波， PSS 序列到子载波的映射关系如图 8 所示。在 LTE 中，针对不同的系统带宽，同步信号均占据中央的 1.25MHz（6 个 PRB） 的位置。长度为63的ZC序列截去中间一个处于直流子载波上的符号后得到长度 为62的序列，在频域上映射到带宽中心的62个子载波上。PSS两侧分别预留5 个子载波提供干扰保护。 PSS 的频域分布如图所示。图8 PSS序列映射2）SSS 序列M 序列由于具有适中的解码复杂度，且在频率选择性衰落信道中性能占优，最终被选定 为辅同步码（Secondary Synchronization Code， SSC）序列设计的基础。SSC序列由两个 长度为31的m序列交叉映射得到。具体来说，首先由一个长度为31的m序列循环移位后得 到一组m序列，从中选取2个m序列（称为SSC短码），将这两个SSC短码交错映射在整个 SSCH上，得到一个长度为62的SSC序列。为了确定10ms定时获得无线帧同步，在一个无 线帧内，前半帧两个 SSC 短码交叉映射方式与后半帧的交叉映射方式相反。同时，为了确保 SSS检测的准确性，对两个SSC短码进行二次加扰。SSS序列映射过程如图9所示，每个SSS序列由频域上两个长度为31的BPSK调制辅助 同步码交错构成，即 SSC1 和 SSC2。SSS序列具有良好的频域特性，在PSS存在的情况下,SSS检测允许频偏至少为75 kHz。 时域上，由于扰码的影响，SSS序列的任何循环移位的互相性没有传统M序列好。从UE的角度看，SSS检测是在PSS检测之后完成的，因此假设信道已经检测出PSS序 列。对于SSS序列检测，UE侧可以采用相干和非相干两种检测方法。3) PSS 和 SSS 的位置和映射频域上，PSCH和SSCH均占据整个带宽中央的1.05MHz,即6个PRB。62个子载波均匀 分布在DC两侧，剩余10个子载波作为SCH信道与其它数据/信令传输的保护间隔。图 9 SSS 序列映射图 10 PSS 和 SSS 的时域分布 时域上，主同步信号与辅同步信号周期性传输，且二者位置偏移固定。如图6-3 所示，主同步信号在每个无线帧的 GwPTS 的第三个符号上传输，辅同步信号在每 个无线帧的第一个子帧的最后一个符号上传输。1.2 时间同步检测时间同步是小区搜索中的第一步，其基本原理是利用 ZC 序列的相关性获取 PSS 的位置，再利用盲检测算法确定 CP 类型，最后根据 PSS 与 SSS 的固定位置 偏移确定sss的位置，利用相干或非相干检测成功检测出SSS信号。具体步骤如 下：1）PSS 检测当 UE 处于初始接入状态时，首先在频域中央的 1.05MHz 内进行扫描，分别 使用本地主同步序列（三个ZC序列）与接收信号的下行同步相关，根据峰值确 认服务小区使用的3个PSS序列中的哪一个（对应于组内小区ID），以及PSS 的位置。PSS检测可用于5ms定时。2）CP 类型检测LTE中子帧采用常规CP和扩展CP两种CP类型，因此在确定了 PSS位置后，SSS的位置 仍然存在两种可能，需要UE采用盲检的方式识别，通常是利用PSS与SSS相关峰的距离进 行判断。3）SS 检测在确定了子帧的CP类型后，SSS与PSS的相对位置也就确定了。由于SSS的序列数量 比较多（168 个小区组），且采用两次加扰，因此，检测过程相对复杂。从实现的角度来看， SSS在已知PSS位置的情况下，可通过频域检测降低计算复杂度oSSS可确定无线帧同步（10ms 定时）和小区组检测，与PSS确定的小区组内ID相结合，即可获取小区IDo1.3 频率同步检测为了确保下行信号的正确接收，小区初步搜索过程中，在完成时间同步后，需要进行更 精细化的频率同步，确保收发两端信号频偏的一致性。为了实现频率同步，可通过SSS序列、 RS序列、CP等信号来进行载频估计，对频率偏移进行纠正。频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频率等所引起的。频率偏 移一般包括子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移两种情况。对于子载波间隔 的整数倍偏移，由于接收端的抽样点位置仍然是在载波的定点，并不会造成子载波间干扰 但是解调出来的信息符号的错误率是50% （无法正确接收）；而子载波间隔的小数倍频偏， 由于收发抽样点不对齐，会破坏子载波之间的正交性，进而导致子载波间的干扰，影响信号 的正确接收。小数倍频偏估计的具体算法有多种，目前大多数算法的原理基本相同，即在发送端发送 两个已知序列或信号，如果存在频率偏移，那么经过信道后两个发送时间不同的信号之间会 存在相位差，通过计算这个相位差就可以得到具体的频率偏移量；对于整数倍频偏，在频域 上通过不同在不同整数倍子载波间隔上检测已知序列和接收信号的相关性来进行判断，相关 性最强的子载波间隔为该整数倍偏移。1.4 小区同步维持为了保证下行信令和数据的正确传输，在小区搜索完成后，UE侧需要对下行 链路质量进行测量，确保正确接收下行信令和数据；同时，UE通过随机接入过 程来实现与基站的上行同步，之后，基站不断对UE发送定时调整指令来维持上 行同步。1）下行无线链路检测UE 与服务小区同步后，会不断检测下行链路质量，并上报至高层以指示其处 于同步/异步状态。在非 DRX 模式下， UE 物理层在每个无线帧都对无线链路质量进行检测，并综 合之前的信道质量与判决门限（Q和Q ），确定当前的信道状态。out in在DRX模式下，一个DRX周期内，UE物理层至少进行一次无线链路质量测量， 并综合之前的信道质量与判决门限（Q和Q ），确定当前的信道状态。out inUE将链路质量与判决门限（Q和Q ）进行比较来判定自身处于同步/失步 状态。当测量的无线链路质量比门1值Q t还差时，UE物理层向高层上报当前 UE处于失步状态；当测量的无线链路质量好于Q时，UE物理层向高层上报当前 UE 处于同步状态。2）上行同步维持。为了保证UE能够与基站保持同步，需要对UE的定时时刻进行调整。基站通过检测UE 上发的参考信号，确定UE是否与基站保持同步，如果存在同步偏差，则基站将下发一个定 时调整指令指示UE需要进行定时同步点的调整。UE 一旦接收到eNodeB的定时提前命令， 将会调整自身用于PUCCH/PUSCH/SRS传输的上行定时（16的整数倍）。对于随机接入响应的定时，基站使用11bit的定时指令T ,其中，T =0,1,21282，单 AA位为16Ts。UE侧接收到定时指令TA后，计算定时提前量Nta, Nta单位为Ts，调整自身随机 接入定时。其中，NTa=TAX160在其他情况下，基站使用6bit的定时指令T,其中，T=0,l,263。UE侧AA接收到定时指令后，根据当前的定时量N计算新的定时提前NA,old TA,newNTa =N +（ T-31）X16。，这里调整量可以为正，也可以为负，分别代表UETA,new A,old A 的定时需要提前或者延时。2 随机接入随机接入过程随机接入是UE与网络之间建立无线链路的必经过程，通过随机接入，UE与 基站取得上行同步。只有在随机接入过程完成后，eNodeB和UE才可能进行常规 的数据传输和接收。UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能：取得与 eNodeB 之间的上行同步；申请上行资源。按随机接入前UE是否与eNodeB获得同步，随机接入过程可分为同步随机接 入和异步随机接入。当UE已经和eNodeB取得上行同步时，UE的随机接入过程 称为同步随机接入。当UE尚未和eNodeB取得同步时，UE的随机接入过程称为 异步随机接入。由于在进行异步随机接入时，UE尚未取得精确的上行同步，因 此异步随机接入区别于同步随机接入的一个主要特点就是eNodeB需要估计、调 整UE的上行传输定时。在LTE早期的研究阶段，还准备采用同步随机接入，但 随着后期研究的深入，最终没有定义单独的同步随机接入过程。本节对随机接入 过程的介绍主要指异步随机接入。在以下6种场景下UE需要进行随机接入：RRC_IDLE 状态下的初始接入；RRC 连接重建；切换；RRC_CONNECTED 状态下有下行数据到达，但上行处于失步状态；RRC_CONNECTED 状态下有上行数据发送，但上行处于失步状态，或者没有用 于 SR 的 PUCCH 资源；RRC_CONNECTED 状态下的 UE 辅助定位。LTE 支持两种模式的随机接入：竞争性随机接入和非竞争性随机接入。在竞争性随机接入过程中，UE随机的选择随机接入前导码，这可能导致多个 UE使用同一个随机接入前导码而导致随机接入冲突，为此需要增加后续的随机 接入竞争解决流程。场景（1）（5）均可以使用竞争性随机接入模式。在非竞争性随机接入过程中，eNodeB为每个需要随机接入的UE分配一个唯 一的随机接入前导码，避免了不同UE在接入过程中产生冲突，因而可以快速的 完成随机接入。而非竞争性随机接入模式只能用于场景（2）、（3）和（6）。 若某种场景同时支持两种随机接入模式，则 eNodeB 会优先选择非竞争性随机接 入，只有在非竞争性随机接入资源不够分配时，才指示 UE 发起竞争随机接入。下面将详细介绍两种随机接入模式。1. 竞争性随机接入UE的物理层的随机接入过程由高层触发。对于RRC连接建立、RRC连接重建 和上行数据到达的情景，随机接入由UE自主触发，eNodeB没有任何先验信息； 对于切换和下行数据到达场景， UE 根据 eNodeB 指示发起随机接入。初始物理随机接入过程之前， UE 的物理层从高层接收用于随机接入的高层请 求信息。高层请求中包含可使用的前导序号、前导传输功率（PREAMBLE. TRANSMISSION_POWER）、关联的随机接入无线网络临时标识（Random Access Radio Net work Temporary Iden tify, RA-RNTI）以及 PRACH 资源。根据协议规定， LTE 系统中每小区可以使用的随机接入前导码数量至多为 64 个，其中有个前导码用于非竞争随机接入，剩余的 cfNcfN 64 个前导码用于竞争性 随机接入。用于竞争性随机接入的前导码又划分为 A 和 B 两个集合组。竞争接入 可以使用的前导码索引会通过小区广播消息进行播报，其中包括了前导码集合 A 和前导码集合 B 的大小。前导的传输功率由下式决定：為展f = nin吨即船E_优怙辭f茂斜HE左十PL）乳中此叶比训UE北耶零就换览的量尢的AJK*助聃.P忌由UE粘il出的卜打琵跻RA-RNTI由PRACH的时频资源位置所确定。作用是UE在接收msg2的时候通过RA-RNTI 来检测 PDCCH。由高层触发后，UE开始进行随机接入过程。竞争性随机接入流程如图11,又称为“四步” 接入法。LIEsNSMsg1：导码M5S3； utw0E#aIV15g4： K.WFc图 11 竞争性随机接入流程图（1） Msg1：UE 向基站发送随机接入前导码该消息为上行信息，由UE发送，eNodeB接收。UE选择要发送的前导序列，在高层指示 的 PRACH 资源上，使用传输功率向基站发送随机接入前导码。首先， UE 使用前导序列索引集合中选择要发射的前导码。如前所述，用于竞争性随机 接入的前导序列分为 A 和 B 两个集合。触发随机接入时， UE 首先根据待发送的 Msg3 的大小 和路损大小确定前导码集合，其中集合B应用于Msg3较大且路损较小的场景，集合A应用 于Msg3较小或路损较大的场景。UE在确定前导码集合后，从该集合中随机选择一个前导码。 物理层的随机接入前同步码由一个长度为 循环前缀和一个长度为的序列组成。初始前导序列的传输功率设定是基于具有路径损耗完全步长的开环估计。这一设计保证 了前导序列的接收功率独立于路径损耗；对于重传前导序列的传输， eNodeB 可以配置前导 序列功率爬升，使每个重传序列的传输功率按固定步长增加。（2） Msg2:基站向UE发送随机接入响应消息基站接收到UE发送的随机接入前导码后，在物理下行共享信道（PDSCH）上向UE发送 随机接入响应授权（RAR）, RAR必须在随机接入响应窗内发送。eNodeB使用PDCCH调度 Msg2,并通过RA-RNTI （随机接入过程之前由高层指示给UE）进行寻址Msg2携带了 backoff 时延参数eNodeB检测到的前导序列标识、用于同步来自UE的连续上行传输定时对齐指令， 以及Msg3准许传输的初始上行资源以及临时小区无线网络标识（Cell radio net work temporary identify, C-RNTI） 等。UE 发送完随机接入前导码之后，将在随机接入响应窗内（随机接入响应窗的 起始和结束由 eNodeB 设定，并作为部分小区特定系统信息广播）以 RA-RNTI 为 标识监听PDCCH信道。PDCCH包含承载RAR的PDSCH的调度信息。UE将监听到包 含自身发送的前导序列的 DL-SCH 传输块传送给高层，高层解析这些数据后下发 20bit的UL-SCH授权（grant）信令给物理层。UE 发送完前导码后，根据不同的基站相应结果，在后续做不同的操作，具体 情况如下：1）如果在子帧n检测到与RA-RNTI相对应的PDCCH,且解析到相应的包含已 发送前导序列的DL-SCH传输块，则根据这个相应信息在kn+子帧或子帧（取决于 上行延时指示信息）后的第1个可用子帧上发送1个UL-SCH传输块。2）如果在子帧n检测到与RA-RNTI相对应的PDCCH，但解析到相应的DL-SCH 传输块不包含已发送前导序列，如果高层需要，则UE将在不迟于n+5子帧前重 传前导序列。3）如果在子帧n上没有接收到随机接入响应，如果高层需要，则UE将在不 迟于 n+4 子帧前重传前导序列。4）如果随机接入过程是由PDCCH指示有下行数据到达时触发的，如果高层 需要，则UE在子帧后的第1个可用子帧内发起随机接入。（3）Msg3： UE 向 BS 发送 MSG3 消息UE接收到基站的随机接入响应后，在PUSCH上进行L2/L3消息的传输。MSG3消息的发 送，支持 HARQ 重传。L2/L3消息包含了确切的随机接入过程消息，如RRC连接请求、跟踪区域（TA）更新、 调度（SR）请求，步骤2中RAR上的临时C-RNTI分配，以及UE已经有的一个C-RNTI或48bit 的 UE ID 等。假如步骤1中多个UE发送相同的前导序列，则冲突的UE会从RAR接收到相同的临时 C-RNTI，L2/L3消息在相同的时频资源上进行发送，此时多个UE间存在干扰，使得冲突的UE都不能解码。当UE发送MSG3消息达到最大重传次数后，会重新开始随机接入过程。即 便一个UE能够正确解码，其他UE也存在冲突。为此，需要步骤4进行竞争解决。（4）Msg4： BS向UE发送竞争判决消息BS如果对某个UE发送的Msg3消息进行正确解码，则认为该UE成功接入，向UE发送 竞争判决消息。竞争解决消息包含成功接入的用户ID，用C-RNTI或临时C-RNTI进行加扰。 它支持 HARQ。当eNode B成功接收到MSG3消息以后，将在反馈消息中携带该UE在MSG3消息中发送 的的竞争决议标识；当 UE 在竞争判决定时器启动期间，成功接收到自己的竞争决议标识的 MSG3消息响应，则认为本次随机接入成功，否则认为本次随机接入失败o eNode B将为竞争 判决成功接入的 UE 分配数据传输所需的时频资源。2. 非竞争的随机接入非竞争的随机接入流程如图12所示，又称为“三步”接入法。Ms.1：師机疾几虫导码揩屮4Msga.僦机.隔LUM应图 12 非竞争性随机接入流程图在非竞争性随机接入过程中，eNodeB为每个需要随机接入的UE分配一个唯 一的随机接入前导码，避免了不同UE在接入过程中产生冲突，因而可以快速的 完成随机接入。随机接入过程止于 RAR。