LTEFDD物理层结构介绍.ppt

LTE FDD物理层结构介绍,中兴通讯学院,课程目标,掌握LTE物理层帧结构 了解物理资源分配 了解物理信道及信号的功能 掌握物理层过程,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,物理层功能,物理层主要功能： 传输信道的错误检测并向高层提供指示 传输信道的前向纠错编码（FEC）与译码 混合自动重传请求（HARQ） 传输信道与物理信道之间的速率匹配及映射 物理信道的功率加权,物理信道的调制解调 时间及频率同步 射频特性测量并向搞成提供指示 MIMO天线处理 传输分集 波束赋形 射频处理,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,信令流,数据流,物理层关键技术,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。 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,最大支持64 QAM 通过CP解决多径干扰 兼容MIMO,SC-FDMA示例,最大支持 16 QAM 单载波调制降低峰均比（PAPR） FDMA可通过FFT 实现,OFDMA与SC-FDMA的对比,OFDMA/SC-FDMA技术优势,LTE系统上行采用SC-FDMA多址技术，下行采用OFDMA多址技术。 OFDMA/SC-FDMA多址技术的优势： 更大的带宽和带宽灵活性 随着带宽的增加，OFDMA信号仍将保持正交，而CDMA 的性能会受到多径的影响 在同一个系统，使用OFDMA可以灵活处理多个系统带宽 扁平化架构 当分组调度的功能位于基站时，可以利用快速调度、包括频域调度来提高小区容量。频域调度可通过OFDMA实现，而CDMA无法实现 便于上行功放的实现 SC-FDMA相比较OFDMA可以实现更低的峰均比, 有利于终端采用更高效率的功放 简化多天线操作 OFDMA相比较CDMA实现MIMO容易,下行关键技术信道编码,下行各物理信道采用的信道编码方式及编码速率,上行关键技术信道编码,上行各物理信道采用的信道编码方式及编码速率,下行关键技术调制方式,下行各物理信道支持的调制方式,上行关键技术调制方式,上行各物理信道支持的调制方式,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,无线帧结构-FDD,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/(15000*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,无线帧结构-TDD,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,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,一个RB在时域上包含 个OFDM符号,在频域上包含 个子载波 和 的个数由CP类型和子载波间隔决定,资源组,REG的概念,CCE的概念,CP，子载波间隔和OFDM符号,CP，子载波间隔和OFDM符号之间的关系,1个RB在频域上对应12个子载波， 180KHz=15 KHz x 12(normal CP),RB和带宽,不同带宽对应的RB数 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,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,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 物理层过程,LTE下行物理信道,下行物理层信号: RS(导频信号) P(S)-SCH(同步信号 ),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,下行物理信道示意图,同步信号时频位置,时、频位置 频域位置： 时域位置 5ms周期,同步过程,P-SSS-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 首先检测PSS，完成： 半帧定时，即获得半帧（5ms）边界， 频偏校正， 并获得组内ID 利用3条ZC序列区分3个组内ID 然后再检测SSS，完成： 长/短CP检测（符号同步） 盲检测 帧定时，即获得帧（10ms）边界 SSS由两条短码序列交叉组成，用不同的顺序区分两个半帧 并获得组ID,下行参考信号,下行参考信号作用 信道估计，用于相干解调和检测，包括控制信道和数据信道 信道质量的测量，用于调度、链路自适应 导频强度的测量，为切换、小区选择提供依据 考虑因素 图样时、频密度 时域：导频间隔小于相干时间 频域：导频间隔小于相干带宽 序列 相关性 序列数量 复杂度,下行参考信号分类 小区专有导频（ Cell-specific DL RS，CRS ） Tx port 03 主要用于信道估计（控制/数据信道的解调）；信道测量（CQI/PMI/RI测量等） 对应非MBSFN传输 MBSFN导频 Tx port 4， 用于解调多播业务 对应MBSFN传输 UE专有导频 Tx port 5，专用RS（DRS） 用于传输模式7的数据解调,PBCH-物理广播信道,承载BCH包含的系统信息，系统信息包括下行系统带宽、系统帧序号(SFN)、PHICH持续时间以及资源大小指示信息 在PBCH的CRC校验时，附加了天线数目信息 每个第0号子帧的时隙1有4个OFDM符号的PBCH信号数,PCFICH-物理控制格式指示信道,传输CFI（Control Format Indicator）信息，用于指示控制区的时域长度，即有几个OFDM符号。 每个子帧中都发射PCFICH，eNodeB通过PCFICH将一个子帧中PDCCH占用的OFDM符号数通知给UE，这个OFDM符号数由CFI来指示，CFI可以取值为CFI= 1,2,3,4（4保留小带宽时采用）。 PCFICH占用每个subFrame 第一个OFDM symbol中的4个REG，起始位置决定于PCellID ，均匀散布于整个带宽上。 分集方式 空域分集：SFBC 频域分集：4个REG均匀的分布在整带宽,PHICH-物理HARQ指示信道,PHICH承载eNodeB对上行发射信号做出的NAK/ACK响应信息 PHICH可以占1、2、3个OFDM符号 编码过程 一个ACK/NACK bit进行三次重复 4（短CP）或2（长CP）倍扩频 信道映射过程 一个（短CP）或二个（长CP）PHICH组占3个REG （ 12个子载波） 由于使用了I/Q两路映射，因此一个（短CP）或二个（长CP） PHICH组有8个PHICH信道； 采用先时域再频域的映射 分集方式：SFBC,PDCCH-物理下行控制信道,PDCCH承载调度以及其他控制信息，具体包含传输格式、资源分配、上行调度许可、功率控制以及上行重传信息。这些信息可以组成多种控制信息(DCI)格式，被映射到每个子帧的最先的前n（n4）个OFDM符号中，n的具体取值由PCFICH信道中的CFI来指示。 在一个子帧中，可以同时传输多个PDCCH，一个UE可以监听一组PDCCH。每个PDCCH在一个或者多个控制信道单元(CCE)中发射，通过集成不同数目的CCE可以实现不同的PDCCH编码码率。 PDCCH支持4种物理层格式，分别占用1、2、4、8个CCE。,PDSCH-物理下行共享信道（1）,典型的分组型信道,资源不独占 为了减少VoIP时延，PDSCH也支持semi-persistent方式 可以传寻呼/广播（非PBCH里传输）/用户数据 通过速率控制保证QoS 支持QPSK, 16QAM, 64QAM三种调制方式 HARQ 异步/自适应 两种资源映射方式 Localized：不跳频 调频增益 Distributed：跳频 频域分集增益,PDSCH-物理下行共享信道（2）,支持7种传输方案 单天线 分集 SFBC（2Tx） SFBC+FSTD（4Tx） 开环空间复用 UE只反馈Rank，不反馈PMI Large Delay CDD + DFT Matrix 轮换的使用precoding Matrix 闭环空间复用 UE反馈Rank和PMI 基站根据UE反馈选择precoding Matrix,MU-MIMO 多个用户使用相同的时、频资源传输数据； 需要相对较多的信道信息的反馈； R8没有对MU进行额外的优化，基于SU的方式实现MU BF（有反馈） Rank = 1 PMI反馈 公用导频 BF（无反馈） Rank = 1 不反馈PMI，基站利用上行信号估计Precoding Vector（UE不知道） 专用导频,LTE下行传输信道,传输信道主要负责通过什么样的特征数据和方式实现物理层的数据传输服务,固定的预定义格式； 在整个小区的覆盖区域内 广播,在整个小区覆盖区域发送； 支持HARQ； 可实现链路自适应； 支持波束赋形； 支持动态或半静态资源分配； 支持UE的非连续接收； 支持MBMS业务,在整个小区覆盖区域发送； 可映射到业务和控制信道 使用的物理资源上； 支持UE的非连续接收,在整个小区覆盖区域发送； 对单频点网络（MBSFN）支持 多小区的MBMS传输合并； 使用半静态资源分配,传输信道与物理信道的映射,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 物理层过程,LTE上行物理信道,上行物理层信号: DMRS(PUSCH/PUCCH解调参考信号) SRS(Sounding信号 ),上行物理信道示意图,上行参考信号-DMRS,用于PUSCH解调 与PUSCH相同带宽 一个时隙一个DMRS符号，放在时域中间 用户之间频分复用 MU-MIMO用户之间通过序列循环移位码分复用,上行参考信号-SRS,作用 信道测量，用于调度和链路自适应 主要作用 功控 定时调整 梳状结构 相同频率资源上通过序列循环移位来区分用户 8个循环移位，最多复用8个用户,上行参考信号-SRS时域位置,Cell Spcific配置 周期：小区内所有UE的SRS的最短周期 子帧偏移：小区可用的SRS子帧位置 UE Specific配置 周期：某个UE的SRS周期 子帧偏移：某个UE的SRS的子帧位置 放在子帧的最后一个SC-FDMA符号 可以最大程度的避免与PRACH信道干扰,上行参考信号-SRS频域位置（1）,树形结构,上行参考信号-SRS频域位置（2）,跳频,PUSCH-物理上行共享信道,PUSCH携带的信息 Carries the UL-SCH 上行数据 下行链路信道质量信息（RICQIPMI） 下行业务信道的ACKNACK信息 PUSCH占用的资源位置 频域上，PUSCH避开了PUCCH所占用的带宽 时域上，PUSCH避开了参考信号所占用的OFDM符号,PUCCH-物理上行控制信道,PUCCH所携带的信息 Carries Hybrid ARQ ACK/NAKsin response to downlink transmission Carries Scheduling Request (SR) Carries CQIPMIRireports PUCCH占用的时频资源 采用码分区分UE，PUCCH 1/1a/1 b以CAZAC序列和walsh码进行扩频 格式2/2a/2b使用CAZAC序列进行扩频 在两个时隙上采用跳频方式传输,PRACH-物理随机接入信道,帧结构 Preamble格式 Preamble的生成:,由Prachconfiguration index 配置发射的时间，频率位置由系统消息配置占用6个RB的宽度 FDD每个子帧最多有一次接入机会 TDD一个上行子帧内可在不同的频率资源上有多次接入机会（最多6个）,LTE上行传输信道,支持动态链路自适应； 支持波束赋形； 支持HARQ； 支持动态或半静态资源分配,可承载有限的控制信息； 支持冲突碰撞解决机制,传输信道与物理信道的映射,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,下行物理层过程-小区搜索,小区搜索用于UE获得跟一个Cell的时间/频率同步，并获取Cell的物理层小区ID。 小区搜索的过程如下： 依赖于主同步信号，UE可以获得5ms的基准时间； 依赖于辅同步信号，UE可以获得帧同步和物理层的小区组； 依赖于参考信号，UE可以获得物理层的小区ID； UE获得物理层小区ID和帧同步后，UE就可以在BCH上读取系统消息）。,下行物理层过程-下行同步预备知识,小区ID 小区ID：共504个，由组ID和组内ID组成，即 组ID：有168个，0167 组内ID：有3个，02 同步信号的时/频位置,下行物理层过程-下行同步过程,同步信号分为主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）。 同步过程如下： 检测PSS，完成 半帧定时，即获得半帧（5ms）边界 频偏校正 并获得组内ID 利用3条ZC序列区分3个组内ID 检测SSS，完成 长/短CP检测（符号同步） 盲检测 帧定时，即获得帧（10ms）边界 SSS由两条短码序列交叉组成，用不同的顺序区分两个半帧 并获得组ID,上下行功率控制,下行功率控制从RRC的角度看，只需要配置公共信道的发射功率即可，而目前对于公共信道的发射功率是和小区的覆盖半径相关，由网规人员依据链路预算确定，通过后台配置。对于PDCCH、PHICH、PDSCH的功率由MAC层基于用户的无线环境、数据量的大小和剩余功率资源动态决定。 上行功率控制用来控制不同上行物理信道的发射功率。,功率控制原理与分类,上行物理层过程-随机接入,随机接入过程用于下列情况: RRC_IDLE状态下的初始接入 无线链路出错后的初始接入 切换时进行接入 RRC_Connected 上行失步时，下行数据到达 上行失步时，上行数据到达 基于竞争的随机接入 适用于上面多列出的几种情况 手机在广播的前导集合中随机选取一个前导码 当两个手机选取同一个前导码时，竞争发生 通过四个步骤完成，第四步用于解决冲突 基于非竞争的随机接入 在切换过程或下行链路数据到达时 手机所用的前导码是由基站分配的 随机接入过程通过三步完成，无须解决冲突,基于竞争的随机接入,1.UE在RACH上发送随机接入前缀 2.eNB的MAC层产生随机接入响应，并在DL-SCH上发送 3.UE的RRC层产生RRC Connection Request 并在映射到UL SCH上的CCCH逻辑信道上发送 4.RRC Contention Resolution 由eNB的RRC层产生，并在映射到DL SCH上的CCCH or DCCH(FFS)逻辑信道上发送,基于非竞争的随机接入,