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.
LTE物理层
一个小格的纵轴是 1RB，横轴是一个 symbol PSS下行主同步
PSS 占用6RB的频带 UpPTS
黄色为PCFICH、 PDCCH信道占用（1 横轴一个小格是一 或2个symbol） 个Symbol
GP保护带
下行物理信道
物理下行共享信道PDSCH:
PDSCH用于承载数据信息
不同信道的调度单位
目录
• 概述 • 下行物理信道 • 上行物理信道
下行物理信道
下行物理信道功能概述
物理下行控制信道(PDCCH） 用于指示PDSCH相关的传输格式，资源分配，HARQ信息等 物理下行共享信道(PDSCH) 传输数据块
物理广播信道(PBCH)
传递MIB,包括UE接入系统所必需的系统信息，如带宽，天线数目等 物理控制格式指示信道(PCFICH) 指示一个子帧中用于PDCCH的OFDM符号数目 物理HARQ指示信道(PHICH) 用于NodB向UE 反馈和PUSCH相关的ACK/NACK信息 物理多播信道(PMCH) 传递MBMS相关的数据
PDCCH盲检测图示
aggregation
PDCCH盲检测
PDCCH盲检测搜索空间分类
公共搜索空间
专用搜索空间 UE根据其当前想要接收信息的具体情况决定在哪个空间进行盲 检测，其盲检测的规则有具体的规范
类型 PDCCH类型[in CCEs] 1 2 UE-specific 4 8 4 Common 8 16 2 8 16 16 2 2 4 搜索空间大小[in CCEs] 6 12 可能的PDCCH数目 6 6
LTE下行物理信道处理－加扰
扰码 是信号随机化，在接收端用相同方式解扰； 经过基站侧加扰、UE侧解扰，让UE只解本小区和 自身相关的数据； PDSCH扰码使用了金码（Gold Code) 在扰码公式中有UE的RNTI（UE临时标示号）、小 区识别码504个：168个基站，每个基站3个小区 （进行复用，小区规划时候使用）。168X3=504
LTE物理层介绍
Page11
AMC的基本原理
• 基于信道质量的信 息反馈，选择最合 适的调制方式，数 据块大小和数据速 率
– 好的信道条件 – 减少 冗余编码，甚至不需 要冗余编码
– 坏的信道条件 – 增加 更多冗余编码
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空口速率提升最后一招－增大带宽
制式
GSM EDGE
上下行 时隙配比
/
调制 方式
8PSK
多天线技术
/
TD HSDPA
WCDMA HSPA
WCDMA HSPA+
TD - LTE
2:4
16QAM 智能天线
/
16QAM
/
/
64QAM 2×2MIMO
2:2
64QAM 2×2MIMO
TD - LTE LTE - A (4G)
时隙级 快速调度
OFDMA
调制 解调
射频 收发
空口速率提升技术之一： 高阶调制和AMC（自适应调制编码）
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调制的用途
• 用途1：把需要传递的信息送上射频信道 • 用途2：提高空中接口数据业务能力
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空口速率提升技术－高阶调制
• 高阶调制的优点：TD - LTE可以采用64QAM调制方式，比TD - SCDMA 采用的16QAM速率提升50％
结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提 高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率
应用场景
无法布放双通道室分系统 的室内站 信道质量不好时，如小区 边缘 信道质量高且空间独立性 强时 信道质量高且空间独立性 强时。终端静止时性能好
LTE物理层介绍_OFDM
主要参数——循环前缀
CP 符号 66.67us 4.6875us 常规CP+常规符号 用于常规小区单播系统 符号 66.67us 16.67us 扩展CP+常规符号 用于大小区单播或MBMS系统 符号 133.33us 超长扩展CP+独立载波MBMS符号 用于独立载波MBMS系统
背景知识——正交
• 以 cos 2t 乘 cos 2t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积大于0。
背景知识——正交
• 以 cos 2t乘 cos 3t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积为0。
背景知识——正交
• IQ调制与接调：
• 解调时，I路乘上cos再积分得到a。
主要参数——参数设计
• 4 根据预期达到的比特速率和符号长度计算一个 OFDM符号需传输的比特数： n=Rb×Ts=25×4.8=120bit。 • 5 根据一个OFDM符号需要传输的比特数和给定带宽 确定调制编码方式和子载波数： • ¾编码率、QPSK调制时，1个RE需传输1.5个比特， 传120个比特需80个子载波，占用带宽为 80×250=20MHz，超过了限定带宽18M。 • 1/2编码率、16QAM调制时，1个RE需传输2个比特， 传120个比特需60个子载波，占用带宽为 60×250=15MHz，满足限定带宽18M要求。
背景知识——频分复用
• 频分复用(Frequency Division Multiplexing)：将用于传输信 道的总带宽划分成若干个子带，每个子带传输一路信号。
LTE物理层规范概述
物理资源概念
基本时间单位
Ts 1 15000 2048 秒
天线端口
• LTE使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口的定义是从接收机的角 度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个 天线端口。天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。 • 由于目前LTE上行仅支持单射频链路的传输，不需要区分空间上的资源， 所以上行还没有引入天线端口的概念。 • 目前LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号0~5。 小区专用参考信号传输天线端口：天线端口0~3 MBSFN参考信号传输天线端口：天线端口4 终端专用参考信号传输天线端口：天线端口5
LTE多址方式
下行OFDM(正交频分复用) 上行SC-FDMA（单载波频分复用）
• DFTS-OFDM（傅立叶变换扩展的正交频分复用 ）
DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD.
OFDM 原理
一个OFDM符号 （多个正交的子载波）
一个OFDM子载波
DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD.
OFDM 调制与解调
OFDM调制
m xt xk t ak e j 2kft k 0 k 0
DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD.
DFTS-OFDM频谱成型
带宽扩展 频谱效率降低
进一步降低峰均比
DATANG MOBILE COMMUNICATIONS EQUIPMENT CO.,LTD.
LTE物理层
第16章 LTE 物理层在上一章中，我们从总体上讨论了一下LTE 无线接口体系，并讨论了不同的协议层的功能和特点。
在这一章中，将对这些层中的最底层，即LTE 物理层的当前现状进行更进一步的讨论。
下一章将会更深入的介绍一些LTE 接入过程，包括随机接入和小区搜索。
16.1 时域的总体结构图16.1从高层次上显示LTE 传输的时域结构，每一（无线）帧长度是frame T =10ms ，每一帧包含十个等长的子帧subframe T =1ms 。
为了提供一致和准确的时序定义，在LTE 无线接入的规范中，不同的时间间隔都能表达成基本时间单位s T =1/30720000的倍数。
图16.1列出的时间间隔因此能表达成frame T =30720000*s T ，且subframe T =30720*s T 。
在一个载波里，一帧的不同子帧可以用做下行传输或上行传输。
如图16.2a 所示，FDD 情况下，是成对的频谱操作，一个子载波里的所有子帧要么用来下行传输（称为下行载波），要么用来上行传输（称为上行载波）。
另外一面，在TDD 情况下，是不成对的频谱操作（图16.2b ），每一帧的第一个和第六个子帧（子帧0和子帧5）总是分配给下行传输，余下的子帧则可以灵活地分配给上行或者下行传输。
预先分配第一和第六子帧的原因是他们包含了LTE 的同步信号。
同步信号是通过每个小区的下行链路传输的，它的目的是用来初始小区搜索和邻近小区搜索。
LTE 小区搜索的基本原理以及同步信号的结构都会在第17章中作具体讨论。
通过图16.2可以看出，TDD 中子帧分配的灵活性使得可以相应地给下行和上行传输分配不同数量的无线资源（子帧），以获得不同的非对称性。
为了避免导致小区间的上行和下行传输的严重干扰，子帧分配在相邻小区间必须是一样的，因此，下行/上行链路非对称性不能动态变化，比如以一帧一帧的快速变化。
然而，它可以基于更慢基础的变化，以匹配不同流量特性比如下行/上行流量非对称，或者其它作用。
LTE网络结构协议栈及物理层
LTE网络结构协议栈及物理层LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，为了满足日益增长的数据需求和提供更高的速率、更低的时延，LTE采用了全新的网络结构和协议栈。
本文将介绍LTE网络的结构、协议栈及物理层。
一、LTE网络结构LTE网络结构包括用户终端设备（UE）、基站（eNodeB）、核心网（EPC）和公共网（Internet）四个部分。
UE是移动设备，eNodeB是用于无线接入的基站，EPC则是支持核心网络功能的节点。
UE与eNodeB之间通过无线接口建立连接，提供无线接入服务。
eNodeB负责对无线资源进行管理和调度，以及用户数据的传输。
而EPC则是核心网络，包括MME（Mobility Management Entity）、SGW （Serving Gateway）和PGW（Packet Data Network Gateway）等网络节点，负责用户移动性管理、用户数据传输和连接到公共网。
二、LTE协议栈LTE协议栈分为两个层次：控制面协议栈（CP）和用户面协议栈（UP）。
CP负责控制信令的传输和处理，UP处理用户数据的传输。
协议栈分为PHY（物理层）、MAC（介质访问控制层）、RLC（无线链路控制层）、PDCP（包隧道协议层）和RRC（无线资源控制层）五个层次。
- 物理层（PHY）：是协议栈的最底层，负责将用户数据以比特流的形式传输到空中介质中，并接收从空中介质中接收到的数据。
物理层对数据进行编码、调制和解调，实现无线传输。
- 介质访问控制层（MAC）：负责管理无线资源，包括分配资源、管理调度和处理数据的传输。
MAC层通过无线帧的分配来实现用户数据的传输控制。
- 无线链路控制层（RLC）：负责对用户数据进行分段、确认和相关的传输协议。
RLC层提供不同的服务质量，如可靠传输和非可靠传输。
- 包隧道协议层（PDCP）：负责对用户数据进行压缩和解压缩，以减小无线传输时的带宽占用。
LTE移动通信技术任务1 物理层
LTE移动通信技术任务1 物理层在现代通信领域，LTE（Long Term Evolution，长期演进）移动通信技术无疑是一项具有重要意义的技术革新。
而物理层作为 LTE 技术的基础和关键组成部分，承担着数据传输的核心任务，对于整个通信系统的性能和效率起着至关重要的作用。
要理解 LTE 物理层，首先得明白它的基本功能。
简单来说，物理层就像是通信系统中的“运输管道”，负责将上层的数据进行编码、调制等处理，然后通过无线信道发送出去，同时也负责接收来自无线信道的信号，并进行解调、解码等操作，将数据还原并传递给上层。
在发送端，物理层首先要对数据进行编码。
这可不是随便的编码，而是采用了一系列复杂而高效的编码方式，比如Turbo 码、卷积码等，目的是为了增加数据的可靠性，减少传输过程中的错误。
编码完成后，就轮到调制上场了。
LTE 中常用的调制方式有 QPSK（四相相移键控）、16QAM（16 正交幅度调制）和 64QAM 等。
调制的作用是把编码后的数字信号转换成适合在无线信道中传输的模拟信号。
接下来，这些经过编码和调制的信号会被映射到不同的资源元素上。
资源元素可以理解为无线信道中的一个个小格子，每个格子都承载着一定的信息。
LTE 物理层通过巧妙地安排这些资源元素，实现了高效的数据传输。
而且，为了适应不同的信道条件和用户需求，LTE 还支持灵活的资源分配方式，比如动态资源分配和半静态资源分配。
再来说说接收端。
当无线信号到达接收端时，首先要经过滤波、放大等处理，去除噪声和干扰。
然后进行解调，把模拟信号还原为数字信号。
接着是解码，纠正传输过程中可能出现的错误。
这个过程就像是一个解谜的过程，要从接收到的纷繁复杂的信号中准确地还原出原始的数据。
LTE 物理层还涉及到多天线技术，这也是提升通信性能的一个重要手段。
多天线技术包括 MIMO（多输入多输出）和波束赋形等。
MIMO 可以通过多个天线同时发送和接收数据，大大提高了信道容量和传输速率。
LTE网络结构协议栈及物理层
NAS信令 NAS信令安全 AS 安全控制 3GPP无线网络的网间移动信令 idle状态UE的可达性（包括寻呼信号重传的控制和执行） 跟踪区列表管理 P-GW 和 S-GW 的选择 切换中需要改变MME时的MME选择 切换到2G或3GPP网络时的SGSN选择 漫游 鉴权 包括专用承载建立的承载管理功能 支持ETW传输
eNB
RRC PDCP RLC MAC PHY
MME NAS
UE
eNode-B
MME
UE NAS
RRC
PDCP
RLC
PDCP 子层执行的M功A能C:
加密和完整性保护
PHY
控制面协议架构
NAS 子层执行的功能: 认证、鉴权 安全控制 Idle 模式移动性处理 Idle 模式寻呼发起
eNB
MME
H-FDD:
上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行；
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 ；
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 站与FDD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。
ENodeB功能
具有现3GPP Node B全部和RNC大部分功能，包括：
无线资源管理：无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、上下 行链路的动态资源分配（即调度）等功能 IP头压缩和用户数据流的加密 当从提供给UE的信息无法获知到MME的路由信息时，选择UE附着的 MME 路由用户面数据到S-GW 调度和传输从MME发起的寻呼消息 调度和传输从MME或O&M发起的广播信息 用于移动性和调度的测量和测量上报的配置 调度和传输从MME发起的ETWS（即地震和海啸预警系统）消息
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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
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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