LTE学习笔记：物理层

LTE支持两种类型的无线帧结构&＃xff1a;
●类型1&＃xff0c;适用于FDD模式&＃xff1b;
●类型2&＃xff0c;适用于TDD模式。
帧结构类型1如下图所示。每一个无线帧长度为10ms&＃xff0c;分为10个等长度的子帧&＃xff0c;每个子帧又由2个时隙构成&＃xff0c;每个时隙长度均为0.5ms。

对于FDD&＃xff0c;在每一个10ms中&＃xff0c;有10个子帧可以用于下行传输&＃xff0c;并且有10个子帧可以用于上行传输。上下行传输在频域上进行分开。

LTE上下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子&＃xff08;RE&＃xff1a;Resource Element&＃xff09;。
LTE在进行数据传输时&＃xff0c;将上下行时频域物理资源组成资源块&＃xff08;RB&＃xff1a;Resource Block&＃xff09;&＃xff0c;作为物理资源单位进行调度与分配。
一个RB由若干个RE组成&＃xff0c;在频域上包含12个连续的子载波、在时域上包含7个连续的OFDM符号&＃xff08;在Extended CP情况下为6个&＃xff09;&＃xff0c;即频域宽度为180kHz&＃xff0c;时间长度为0.5ms。

下行物理信道有&＃xff1a;
●物理广播信道PBCH
  已编码的BCH传输块在40ms的间隔内映射到4个子帧&＃xff1b;
  40ms定时通过盲检测得到&＃xff0c;即没有明确的信令指示40ms的定时&＃xff1b;
  在信道条件足够好时&＃xff0c;PBCH所在的每个子帧都可以独立解码。
●物理控制格式指示信道PCFICH
  将PDCCH占用的OFDM符号数目通知给UE&＃xff1b;
  在每个子帧中都有发射。
●物理下行控制信道PDCCH
  将PCH和DL-SCH的资源分配、以及与DL-SCH相关的HARQ信息通知给UE&＃xff1b;
  承载上行调度赋予信息。
●物理HARQ指示信道PHICH
  承载上行传输对应的HARQ ACK/NACK信息。
●物理下行共享信道PDSCH
  承载DL-SCH和PCH信息。
●物理多播信道PMCH
  承载MCH信息。

上行物理信道有&＃xff1a;
●物理上行控制信道PUCCH
  承载下行传输对应的HARQ ACK/NACK信息&＃xff1b;
  承载调度请求信息&＃xff1b;
  承载CQI报告信息。
●物理上行共享信道PUSCH
  承载UL-SCH信息。

●物理随机接入信道PRACH
  承载随机接入前导。

下行传输信道类型有&＃xff1a;
●广播信道BCH
  固定的预定义的传输格式&＃xff1b;
  要求广播到小区的整个覆盖区域。
●下行共享信道DL-SCH
  支持HARQ&＃xff1b;
  支持通过改变调制、编码模式和发射功率来实现动态链路自适应&＃xff1b;
  能够发送到整个小区&＃xff1b;
  能够使用波束赋形&＃xff1b;
  支持动态或半静态资源分配&＃xff1b;
  支持UE非连续接收&＃xff08;DRX&＃xff09;以节省UE电源&＃xff1b;
  支持MBMS传输。
●寻呼信道PCH
  支持UE DRX以节省UE电源&＃xff08;DRX周期由网络通知UE&＃xff09;&＃xff1b;
  要求发送到小区的整个覆盖区域&＃xff1b;
  映射到业务或其它控制信道也动态使用的物理资源上。
●多播信道MCH
  要求发送到小区的整个覆盖区域&＃xff1b;
  对于单频点网络MBSFN支持多小区的MBMS传输的合并&＃xff1b;
  支持半静态资源分配。

  上行传输信道类型有&＃xff1a;
●上行共享信道UL-SCH
  能够使用波束赋形&＃xff1b;
  支持通过改变发射功率和潜在的调制、编码模式来实现动态链路自适应&＃xff1b;
  支持HARQ&＃xff1b;
  支持动态或半静态资源分配。
●随机接入信道RACH
  承载有限的控制信息&＃xff1b;
  有碰撞风险。

物理信号对应物理层若干RE&＃xff0c;但是不承载任何来自高层的信息。
下行物理信号包括有参考信号&＃xff08;Reference signal&＃xff09;和同步信号&＃xff08;Synchronization signal&＃xff09;。
●参考信号

下行参考信号RS本质上是一种伪随机序列&＃xff0c;不含任何实际信息。这个随机序列通过时间和频率组成的资源单元RE发送出去&＃xff0c;便于接收端进行信道估计&＃xff0c;也可以为接收端进行信号解调提供参考。
频谱、衰落、干扰等因素都会使得发送端信号与接收端收到的信号存在一定偏差。信道估计的目的就是使接收端找到这个偏差&＃xff0c;以便正确接收信息。
信道估计并不需要时时刻刻进行&＃xff0c;只需关键位置出现一下即可。

    下行参考信号包括下面3种&＃xff1a;
    小区特定&＃xff08;Cell-specific&＃xff09;的参考信号&＃xff0c;与非MBSFN传输关联
    MBSFN参考信号&＃xff0c;与BMSFN传输关联
    UE特定&＃xff08;UE-specific&＃xff09;的参考信号
●同步信号

     同步信号SS用于小区搜索过程中UE和eUTRAN的时、频同步。UE和eUTRAN做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。
     主同步信号&＃xff08;Primary  Synchronization Signal&＃xff0c;PSS&＃xff09;&＃xff1a;用于符号时间对准&＃xff0c;频率同步以及部分小区的ID侦测。
     从同步信号&＃xff08;Secondary Synchronization Signal&＃xff0c;SSS&＃xff09;&＃xff1a;用于帧时间对准&＃xff0c;CP长度侦测及小区组ID侦测。

    同步信号包括下面2种&＃xff1a;
    主同步信号&＃xff08;Primary synchronization signal&＃xff09;
    辅同步信号&＃xff08;Secondary synchronization signal&＃xff09;
对于FDD&＃xff0c;主同步信号映射到时隙0和时隙10的最后一个OFDM符号上&＃xff0c;辅同步信号则映射到时隙0和时隙10的倒数第二个OFDM符号上。

上行物理信号包括有参考信号&＃xff08;Reference signal&＃xff09;。

上行参考信号有两种情况&＃xff1a;

&＃xff08;1&＃xff09;UE和eUTRAN已建立业务连接

PUSCH和PUCCH传输时的导频信号&＃xff0c;是便于eUTRAN解调上行信息的参考信号&＃xff0c;这种上行参考信号称为解调参考信号&＃xff08;Demodulation Reference Signal&＃xff0c;DM RS&＃xff09;。DM RS可以伴随PUSCH传输&＃xff0c;也可以伴随PUCCH传输&＃xff0c;占用的时隙位置及数量两者不同。

&＃xff08;2&＃xff09;UE和eUTRAN未建立业务连接

处于空闲态的UE&＃xff0c;无PUSCH和PUCCH可以寄生。这种情况下UE发送的RS信号&＃xff0c;不是某个信道的参考信号&＃xff0c;而是无线环境的一种参考导频信号&＃xff0c;称做环境参考信号&＃xff08;Sounding Reference Signal&＃xff0c;SRS&＃xff09;。这时UE没有业务连接&＃xff0c;仍然给eUTRAN汇报一下信道环境。

●参考信号
    上行链路支持两种类型的参考信号&＃xff1a;
    解调用参考信号&＃xff08;Demodulation reference signal&＃xff09;&＃xff1a;与PUSCH或PUCCH传输有关
    探测用参考信号&＃xff08;Sounding reference signal&＃xff09;&＃xff1a;与PUSCH或PUCCH传输无关
解调用参考信号和探测用参考信号使用相同的基序列集合。

7.1 同步过程

●小区搜索
    UE通过小区搜索过程来获得与一个小区的时间和频率同步&＃xff0c;并检测出该小区的小区ID。E-UTRA小区搜索基于主同步信号、辅同步信号、以及下行参考信号完成。
●定时同步
    定时同步&＃xff08;Timing synchronisation&＃xff09;包括无线链路监测&＃xff08;Radio link monitoring&＃xff09;、小区间同步&＃xff08;Inter-cell synchronisation&＃xff09;、发射定时调整&＃xff08;Transmission timing adjustment&＃xff09;等。

7.2 功率控制

下行功率控制决定每个资源粒子的能量&＃xff08;EPRE&＃xff1a;energy per resource element&＃xff09;。资源粒子能量表示插入CP之前的能量。资源粒子能量同时表示应用的调制方案中所有星座点上的平均能量。上行功率控制决定物理信道中一个DFT-SOFDM符号的平均功率。
●上行功率控制&＃xff08;Uplink power control&＃xff09;
    上行功率控制控制不同上行物理信道的发射功率。
●下行功率分配&＃xff08;Downlink power allocation&＃xff09;
    eNB决定每个资源粒子的下行发射能量。

7.3 随机接入过程

随机接入过程主要完成用户信息在网络侧的初始注册。

通过小区搜索&＃xff0c;用户知道了网络侧的信息&＃xff1b;而通过随机接入&＃xff0c;网络侧又知道了用户的必要信息。    

在非同步物理层随机接入过程初始化之前&＃xff0c;物理层会从高层收到以下信息&＃xff1a;
●随机接入信道参数&＃xff08;PRACH配置&＃xff0c;频率位置和前导格式&＃xff09;&＃xff1b;
●用于决定小区中根序列码及其在前导序列集合中的循环移位值的参数&＃xff08;根序列表格索引&＃xff0c;循环移位&＃xff0c;集合类型&＃xff08;非限制集合或限制集合&＃xff09;&＃xff09;。
    从物理层的角度看&＃xff0c;随机接入过程包括随机接入前导的发送和随机接入响应。被高层调度到共享数据信道的剩余消息传输不在物理层随机接入过程中考虑。
    物理层随机接入过程包括如下步骤&＃xff1a;
●由高层通过前导发送请求来触发物理层过程。
●高层请求中包括前导索引&＃xff08;preamble index&＃xff09;&＃xff0c;前导接收功率目标值&＃xff08;PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER&＃xff09;&＃xff0c;对应的随机接入无线网络临时标识&＃xff08;RA-RNTI&＃xff09;&＃xff0c;以及PRACH资源。
●确定前导发射功率&＃xff1a;PPRACH &＃61; min{Pmax,  PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER &＃43; PL}&＃xff0c;其中Pmax表示高层配置的最大允许功率&＃xff0c;PL表示UE计算的下行路损估计。
●使用前导索引在前导序列集中选择前导序列。
●使用选中的前导序列&＃xff0c;在指示的PRACH资源上&＃xff0c;使用传输功率PPRACH进行一次前导传输。
●在高层控制的随机接入响应窗中检测与RA-RNTI关联的PDCCH。如果检测到&＃xff0c;对应的PDSCH传输块将被送往高层&＃xff0c;高层解析传输块、并将20比特的UL-SCH授权指示给物理层。