2_LTE物理层基本概念

信道带宽 多址技术 双工方式与帧结构 物理资源概念 子帧结构 物理信道 物理信号 物理层过程

双工方式
FDD
fDL fUL fDL fUL
half-duplex FDD
fDL/UL
TDD
上行传输和下行传输在不同的载波频段上进行 上行传输和下行传输在相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: 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 FDD: TDD: 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。
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
One subframe
帧结构
TDD帧结构 --- 帧结构类型2，适用于TDD
一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成 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 支持5ms和10ms DLUL切换点周期 5ms DLUL切换周期：特殊子帧在两个半帧中都存在 10ms DLUL切换周期：特殊子帧只在第一个半帧中存在
Subframe #2
Subframe #3
Subframe #4
Subframe #5
wk.baidu.com
Subframe #7
Subframe #8
Subframe #9
UpPTS
DwPTS
GP
UpPTS
帧结构
TDD帧结构 上下行配置
上下行配置 DLUL切换点周期 0 0 1 2 3 4 5 6 5 ms 5 ms 5 ms 10 ms 10 ms 10 ms 5 ms D D D D D D D 1 S S S S S S S 2 U U U U U U U 3 U U D U U D U 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
RTT+TUD
LTE TDD系统中的TUD，通过定时提前来创造
帧结构
FDD帧结构 --- 帧结构类型1，适用于FDD与HD FDD 一个长度为10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧构成 每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms #0 #1 #2 #3 #18 #19
PCFICH：物理控制格式指示信道
PHICH：物理HARQ指示信道
code words layers antenna ports
Scrambling
Modulation mapper Layer mapper Precoding
Resource element mapper
OFDM signal generation
Nc subcarriers
12 subcarriers
一个时隙中，频域上连续的宽度为 180kHz的物理资源称为一个资源块
RE
物理资源概念
RB参数
（常规子帧）
物理资源概念
资源单元组 (REG)
控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道
每个REG中包含4个数据RE
RS
REG n+1
信道带宽（MHz） 子载波数目 1.4 72 3 180 5 300 10 600 15 900 20 1200
循环前缀长度 一个时隙中不同OFDM
符号的循环前缀长度不同
LTE系统中，利用NFFT=2048的采样周期定义基本时间单元：Ts = 1/Fs = 1/(15000x2048) 秒
DFTS-OFDM原理
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物理资源概念
基本时间单位 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。
上行常规子帧
控制区域
控制区域与数据区域进行频分 数据传输方式 • Localized • Localized + FH
Nc subcarriers
数据区域
控制区域
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下行物理信道
PDSCH：物理下行共享信道 PMCH：物理多播信道 PDCCH：物理下行控制信道 PBCH：物理广播信道
Bandwidth
OFDM FFT实现
xn xnTs
Nc 1 k 0
Nc 1 k 0
j 2kfnTs a e k
a e
k
j 2kn / N
IDFT OFDM调制
a 'k e j 2kn / N
k 0
N 1
IFFT
0 k Nc Nc k N
REG n+2
RS
REG n+1
REG n+2
RS
REG n+1
RS
REG n+1
RS
REG n
REG n
RS
REG n
REG n
RS
RS
第一个OFDM符号
第二个OFDM符号 (1/2个公共天线端口)
第二个OFDM符号 (4个公共天线端口)
第三个OFDM符号
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Ts 1 15000 2048秒
One Slot
物理资源概念
资源单元 (RE)
对于每一个天线端口，一个OFDM 或者SC-FDMA符号上的一个子载波对 应的一个单元叫做资源单元
7 symbols Resource Grid (Example)
RB (12x7 RE)
资源块 (RB)
One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms One half-frame, 153600Ts = 5 ms
子帧0，子帧5以及DwPTS永远是下行 UpPTS以及UpPTS之后的第一个子帧永远为上行
One slot, Tslot=15360Ts
30720Ts
Subframe #0 One subframe, 30720Ts DwPTS GP

子帧结构
常规子帧：常规子帧由两个时隙组成，每个时隙长度0.5ms • 下行Unicast/MBSFN子帧 • 下行MBSFN专用载波子帧 • 上行常规子帧 特殊子帧：特殊子帧由三个特殊域组成，分别为DwPTS、GP和UpPTS，特 殊子帧只存在帧结构类型2中
下行Unicast/MBSFN子帧
TDD保护间隔
TDU
TDU
eNB
DL
UL
基站b
UE
DL
RTT/2
UL
RTTa/2
RTTb/2
TUE,Rx-Tx
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
TDD保护间隔
TUD
TUD ≥ TeNodeB,Rx-Tx
eNB
UL
DL
UE
UL
DL
TA=RTT/2
RTT+TUD >TUE,Tx-Rx
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
TDD保护间隔
TUD
GP=TDU + TUD
eNB
TA=RTT/2 + TUD
DL
UL TUD
DL
eNB
DL
UL
DL
UE
DL
UL
DL
TDU
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
a a 'k k 0
OFDM解调
OFDM主要参数
sub-carriers
采样频率Fs 采样周期Ts
0
f
Fs
FFT点数NFFT
子载波间隔△f 有用符号时间Tu
n QAM symbol on sub-carrier n
N FFT
循环前缀时间Tcp
OFDM符号时间TOFDM 可用子载波数目Nc
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 1 2 1 UpPTS DwPTS 3 8 9 10 3 8 9 扩展CP GP 8 3 2 1 7 2 1 2 1 UpPTS
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信道带宽
支持的信道带宽（Channel Bandwidth）
1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz以及20MHz
LTE系统上下行的信道带宽可以不同 下行信道带宽大小通过主广播信息（MIB）进行广播 上行信道带宽大小通过系统信息（SIB）进行广播
Nc-1
1 f Tu
Tcp
Tu
TOFDM
TOFDM
(a)频域描述 (b)时域描述
关键参数： △f , Tcp以及Nc 采样频率以及FFT点数与实现相关
LTE OFDM主要参数
子载波间隔 15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输 7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输 子载波数目
Channel Bandwidth [MHz] Transmission Bandwidth Configuration [RB] Transmission Bandwidth [RB]
Channel edge
Channel edge
Resource block
信道带宽与传输带宽配置有如下对应关系
信道带宽 1.4 3 5 10 15 20
Scrambling
Modulation mapper
控制区域
数据区域
下行Unicast/MBSFN子帧
数据传输方式 localized distributed
Nc subcarriers
distributed
localized
控制区域
数据区域
下行MBSFN专用载波子帧
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
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
7 symbols
7 symbols
子帧
控制区域OFDM 符号数目
Nc subcarriers
帧结构类型2中的子帧1和子帧6
1, 2
存在MBSFN传输的子帧 不存在MBSFN传输的子帧
1, 2 1, 2, 3
12 subcarriers
单载波特性： a) 信号具有低的峰均比 b) 传输带宽取决于M
LTE DFTS-OFDM关键参数
子载波间隔
15kHz 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
循环前缀长度 一个时隙中不同DFTS-OFDM 符号的循环前缀长度不同
传输带宽配置（RB数目）
6
15
25
50
75
100
Active Resource Blocks
DC carrier (downlink only)
信道带宽 多址技术 双工方式与帧结构 物理资源概念 子帧结构 物理信道 物理信号 物理层过程

LTE多址方式
下行OFDM 上行SC-FDMA