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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
=10ms,每一帧包含十个等长的子帧
=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
=1/30720000的倍数。
图16.1列出的时间间隔因此能表达成
=30720000*
,且
=30720*
。
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。
图16.1中所示的,一般被称作”类型1”或“通用”(genericortype1)LTE帧结构。
这种帧结构既可用于FDD也可用于TDD。
除了通用结构以外,如果LTE是工作在TDD方式,那么还有一种“可选择”或“类型2”的帧结构(alternativeortype2),它是为了满足3GPPTD-SCDMA标准特别设计的。
在本章节以及后面的章节中,如果不作特殊的说明都将使用类型1进行讨论。
16.2下行链路传输方案
16.2.1下行链路的物理资源
正如前面第14章中提到的,LTE下行链路传输是基于正交频分复用OFDM技术的。
正如第4章所说,基本的LTE下行链路物理资源可以被视为一个时间频率资源网格(如图16.3),每一个资源粒子都对应一个OFDM码元长度内的一个OFDM子载波。
对于一个LTE下行链路来说,OFDM子载波之间的间隔为
。
假设是一个基于FFT实现的收发系统,这就意味着一个
的采样率,其中
是FFT的大小。
在上一节中定义的时间单位
可以被看成一个2048点的FFT的采样间隔。
理解这一点很重要,尽管
这个时间单位被引入到LTE无线接入的规范中,仅仅是作为一个定义不同时间间隔的工具,并且不会对接收机和/或发射机的实现上加以指定的限制,即指定的采样率。
在实际应用中,一个
=2048(相应的
)的基于FFT实现的收发系统非常适用于带宽较宽的LTE,比如带宽为15MHz或者更高。
然而,较小的传输带宽只需要较小的FFT和相应小的采样率。
举例来说,一个5MHz的传输带宽,对应于一个
=512,采样率
的FFT就可以满足需要了。
LTE采用15KHz子载波的原因之一是,这样做有可能简化WCDMA/HSPA/LTE多模终端的实现。
假设一个FFT的大小是2的指数倍,而且子载波间隔为
,那么采样率
将是WCDMA/HSPA芯片频率
的整数倍或者是其约数。
这样多模WCDMA/HSPA/LTE终端可以直接在一个时钟电路上实现。
除了15KHz子载波间隔之外,在LTE中,“削减子载波间隔(reducedsubcarrierspacing)”
同样被定义。
它是为了基于MBSFN的多播/广播传输而设定的,具体将会在16.2.6节中讨论。
在本章中的后段以及接下来的章节之中,如果不作特殊说明都将默认为15KHz。
如图16.4所示,在频域中下行链路子载波被组合成一个个“资源块(resourceblocks)”,每一块由12个连续的子载波组成并且名义上对应一个180KHz带宽的资源块。
除此之外,有一个没有被使用的直流子载波在下行链路频谱的中央。
因为直流子载波频率可能会跟基站或者移动终端的本地振荡器频率重合(零中频),那么将会遭受诸如本振泄露之类的非比例的大干扰,所以这个直流子载波不被使用。
因此,在一个下行载波中,包括直流子载波在内一共有
,其中
表示资源块的数量。
LTE物理层规范中实际上允许一个下行载波可以由任意个资源块组成,从6个到大于100个。
这与名义上的1MHz到20MHz下行传输带宽相对应,并且具有良好的粒度性。
在第14章中已经提到,这将给LTE的带宽/频谱提供一个很高的弹性,至少从物理层规范的角度来说是这样的。
然而,同样如第14章所说,LTE系统的无线频率需求,至少是部署之初,会限定于有限的传输带宽,相应地,资源块
的数量可能值也限定于一定范围。
图16.5描述了具体的LTE下行传输链路的时域结构。
每个1ms的子帧都由2个相同大小的时隙组成,时隙大小为
。
每个时隙由几个加了循环前缀的OFDM码元组成。
根据第4章的内容,
的子载波间隔对应一个有效的码元时间
。
一个完整的OFDM码元时间是有效码元时间和循环前缀长度
的和。
如图16.5所示,LTE定义了两种循环前缀长度,一个是标准循环前缀长度,另一个是扩展循环前缀长度,分别对应于每个时隙7个和6个OFDM码元的情况。
循环前缀的精确长度,在图16.5中用基本时间单元
表示出来了。
值得注意的是,在使用标准循环前缀的情况下,时隙的第一个OFDM码元的循环前缀相较于其它的OFDM码元来说要长一些。
原因很简单,整个0.5ms时隙的Ts总数(15360)无法被7整除,这样做可以填补整个时隙。
1.尽管从开销的观点看效率更低,但是,更长的循环前缀可能在有很大时延扩展的特殊环境下比较有利。
值得注意的是,在较大的小区中即使时延扩展很大的情况下,较长的循环前缀不一定就更好。
在较大的小区中,如果链路性能更多的是受到噪声的影响而不是受到由于循环前缀没有覆盖时延而带来的影响,在这种情况下,循环前缀长度的增加而导致的无线信道对时延的健壮性的增加,不一定能够抵偿信号能量方面的相应损失。
(justify)
2.正如第4章所说,在基于MBSFN的多播/广播传输中,循环前缀不能够仅仅只覆盖实际的信道时延部分,还要覆盖从与MBSFN传输相关的各小区接收到的传输的时差部分。
因此在MBSFN方式下,通常需要扩展的循环前缀。
因此,扩展的LTE循环前缀主要是用于基于MBSFN的传输。
在同一帧里面不同的循环前缀长度可以被用于不同的子帧。
举例来说,基于MBSFN的多播/广播传输可能被限定在特定的一些子帧中,这种情况下,这些子帧就使用扩展循环前缀,以及循环前缀的相关的额外开销。
把下行链路的时域结构考虑在内的话,图16.6表示了上面提到的在一个0.5ms的时隙内由12个子载波组成的资源块。
当使用标准循环前缀时每个资源块包括
个资源粒子,当使用扩展循环前缀时包括
个资源粒子。
16.2.2下行链路参考信号
为了实现下行链路的相干解调,移动终端需要估计下行链路的信道参数。
正如第4章描述的那样,OFDM传输中,最直接的信道估计的方法是插入已知的参考码元到OFDM时频网格里。
在LTE中,这些参考码元统称为LTE下行链路参考信号。
如图16.7,下行链路参考信号被插入到倒数第1个和第3个OFDM码元中,其频域间隔为6个子载波。
而且,在第一个和第二个参考码元之间有3子载波的频域参差。
在每个资源块内,一个时隙由12个子载波组成,所以有4个参考码元。
除了用于MBSFN传输以外,所有的子帧都是这样。
为了估计信道在整个时频网格中的情况以及尽量减少噪声的干扰,移动终端必须对多个参考码元进行插值/平均。
因此,当为了某个资源块而估计信道的时候,移动终端不仅仅要用到本块内的参考码元,还要用到频域内的相邻参考码元以及前面的子帧/时隙的参考码元。
然而,具体要用多少个相邻的块来平均就要看信道的特点了。
在较高的信道频率选择性时,在频域内的平均受到很大限制。
同样,在信道快速变化时,在时域内使用前面子帧也很受限制,比如终端高速移动的情况。
同样值得注意的是,在TDD的情况下,时间上平均也是有限的,因为前一个子帧可能根本就没有被分配给下行链路。
16.2.2.1参考信号序列和物理层小区ID
一般来说,参考信号的复数取值将会根据不同的参考码元位置和不同的小区而变化。
因此,一个小区的参考信号可以被视为一个二维序列,在LTE规范里面,被称为二维参考信号序列。
与WCDMA/HSPA中的加扰码类似,LTE的参考信号序列同样可以被视为LTE物理层小区的ID标示。
在LTE中定义了510个参考信号序列,也就对应了510个小区ID。
更具体地说,每个参考信号序列都可以被看成一个二维伪随机序列和一个二维正交序列的乘积。
LTE一共定义了170个伪随机序列,分别与170个小区ID一一对应。
LTE也定义了3个正交序列,分别对应于小区ID组中的三个特定的小区ID之一。
参考信号序列和其本身的乘积结构都会被利用在LTE小区搜索中,更具体的讨论将会在17章中说明。
参考信号序列分配给小区的方案,最好是使得属于同一个eNodeB的小区尽量分配到属于同一个小区ID组的物理层小区ID,也就是,基于同一个伪随机序列但不同的正交序列的参考信号。
这样做,能使同一个eNodeB的不同小区的参考信号之间的干扰降到最低。
16.2.2.2参考信号跳频
在图16.7种显示的参考信号结构图中,参考码元的频域位置在连续的子帧之间是相同的。
然而,参考码元的频域位置也可能是变化的,这被称为参考码元调频。
在参考码元跳频的情况下,在同一个子帧中的参考码元的相对位置跟图16.7中所示的是一致的。
因此,这种跳频可以被描述为只是向图16.7中的原来的参考码元图中添加一个频率偏移(frequencyoffsets),这个偏移大小在同一个子帧中是一样的,但是在不同的子帧中会变化。
因此,第k个子帧中的参考码元位置p可以表示为:
第一个参考码元:
第二个参考码元:
其中i是一个整数。
频率偏移序列(或称跳频图pattern)的周期是10,跳频图在连续的帧中重复。
一共有170种跳频图被定义,每一个图对应一个小区ID组。
相邻的小区使用不同的跳频图,这样相邻的小区的参考码元间连续冲突的风险就可以避免。
当参考码元以相对本资源块的其它部分较高的能量传输的时候这一点显得尤为重要,也被称为参考信号能量提升(energyboosting)。
16.2.2.3多天线传输的参考信号
在多天线的下行传输中,移动终端须要能估计每根天线的下行链路信道。
要实现这一点,每根天线都发送一个下行参考信号。
需要指出的是,LTE无线接入规范中一般用天线端口一词,用来强调多天线并不一定是指多根天线。
实际上,一个特定天线端口的参考信号就可以定义一个独立的天线端口。
因此,如果几根天线传输的是同一个参考信号,移动终端将无法区分它们且将它们视为同一个天线端口,然而,为了方便叙述,这里还是简称作天线。
图16.8a所示的2天线传输,第二根天线在频率上与第一根天线的参考信号是复用的,只是有一个三子载波的频率偏移。
图16.8b所示的4天线传输,第3和第4天线的参考信号与第二个OFDM码元是频率复用的。
在每一个时隙里面第3和第4天线的信号在一个OFDM中就可传输完毕。
同样要注意到,如果某个天线在一个资源粒子里携带参考码元,那么其它天线在这个资源粒子里什么也不发送。
因此,小区内某个天线发送的参考码元不会受其它天线发送的信号干扰。
很明显,4天线传输的情况下,第3和第4天线的参考码元在时域内的密度较第1和第2天线来说已经被大大的减小了。
这是为了限制4天线情况下的参考信号开销而采取的措施。
同时,这样做也有它的缺点,那就是在跟踪快速变化信道的时候会遇到一些麻烦。
然而,这种情况只有在4天线复用被使用在低速运动的场景中的时候才是正确的。
保留第1和第2天线参考码元的高密度的原因是,他们可能被用于初始小区搜索,而此时移动终端还没有获得有关本小区内发送天线数量的足够信息。
因此,不论天线数量多少,对于第1和第2天线参考信号的配置都是一样的。
16.2.3下行链路传输信道处理
正如第15章所讨论的,物理层通过传输信道的方式向高层,更准确地说是向MAC层,提供接口。
LTE仍采用WCDMA/HSPA的基本原理,也就是数据以一定大小的传输块的形式传送给物理层。
关于传输块更详细的结构,LTE采用与HSPA类似的方法:
在单天线传输的情况下,每个TTI最多有一个动态大小的传输块。
在多天线的情况下,每个TTI最多可以有2个动态大小的传输块,每一传输块与下行链路空分复用的一个码字相对应。
这说明,虽然LTE支持达到4天线数量的下行链路空分复用,但是码字的数量始终被限制在2个。
图16.2.5将对LTE下行链路多天线传输作更具体的介绍。
有了传输块结构的概念,LTE下行链路传输信道的处理,特别是DL-SCH的处理,可以通过图16.9中的两条处理链来说明,每一条链都对应一个独立的传输块的处理。
第二条传输链路对应于第二个传输块,它只在下行链路空分复用的情况下才使用。
在这种情况下,两个不同大小的传输块被合在一起到天线映射(AntennaMapping),如图16.9的下半部分所示。
16.2.3.1CRC插入
传输信道处理的第一步中,首先要计算循环冗余校验(CRC)然后把它附到每一个传输块中(如图16.10所示)。
CRC使得接收端可以发现传输块解码出来的错误。
相应的错误指示可以用来,比如,被下行链路的混合ARQ协议所使用。
16.2.3.2信道编码
在第一版本的WCDMA无线接入(HSPA之前)的规范中卷积码和Turbo码都被允许使用到传输信道中。
对于HSPA,只有Turbo码能被使用到与HSPA相关的传输信道,且信道编码能被简化(下行HS-DSCH,上行E-DCH)。
这同样适用于LTE下行共享链路,也就是说只有Turbo码可以被用到DL-SCH传输中。
LTE的Turbo编码总体结构的说明如图16.11所示。
Turbo编码重用了2个WCDMA/HSPA中1/2码率、8状态的编码器,所以总的码率为R=1/3。
然而,在LTE中,用基于QPP的交织器代替了所用的WCDMA/HSPATurbo编码器的内部交织器。
与现行的WCDMA/HSPA交织器相比,QPP的交织器的线路竞争是最小的,也就意味着解码可以直接并行进行,而没有访问内存时发生竞争的风险。
对于LTE支持的高速率数据传输,使用QPP交织器可以明显降低Turbo编码/解码的复杂度。
16.2.3.3物理层混合ARQ的功能
下行链路物理层混合ARQ的功能,是从信道编码器的比特流中提取在规定TTI中(如图16.12所示)将要被传输的准确的比特位集合。
这些要传输的比特位集合是由被分配的资源块的数量、采用的调制方案以及空分复用所采用的阶数所决定的。
要注意的是,分配的资源块中,有些资源粒子将被参考码元和L1/L2控制信令(详见16.2.4节)所占用。
如果总的由编码器发送的编码比特数量比能够被传输的比特数量大,混合ARQ功能将会从中提取一个编码后比特的子集,使得有效编码效率
>1/3。
同样,如果总的由编码器发送的编码比特数量比能够被传输的比特数量小,混合ARQ功能将会重复所有编码后比特或塔的子集,使得有效编码效率
<1/3。
在重传的情况下,混合ARQ功能将会选一个不同的编码比特流集合来传输,这也就是说混合ARQ功能允许增量冗余(IncrementalRedundancy)。
16.2.3.4比特级加扰
LTE下行加扰,是指混合ARQ功能传送的比特块乘以(即进行异或操作)一个比特级的扰码序列(如图16.13)。
通常,编码数据的加扰的好处在于,接收端的解码可以充分利用信道码的处理增益。
没有下行加扰,至少从原理上,除了目的信号,移动终端的信道解码器也会被同等匹配到一个干扰信号,因此导致无法正确地抑制干扰。
通过在相邻小区中使用不同扰码序列,解扰码之后的干扰信号会被随机化分配,能确保真正利用到信道码的处理增益。
HSPA中,下行扰码是应用在扩频(片码chip级加扰)后的复值片码上,相比,LTE将下行扰码应用在每一个传输信道(比特级加扰)的编码的比特位上。
HSPA需要使用的是片码级加扰,这样才能保证可以有效利用扩频后的处理增益。
而另一方面,在LTE中,对编码的比特位而不是复调制码元进行加扰,能给系统带来了较低的实现复杂度,而且又不会对LTE系统性能带来不利影响。
在LTE中,所有下行的传输信道都要进行加扰。
下行L1/L2控制信令也要进行加扰处理(见16.2.4节)。
所有的下行传输信道中,除了MCH和L1/L2控制信令,相邻的小区需使用不同扰码序列(小区特定specific扰码),以保证小区间的干扰随机化。
相比,在使用MCH传输信道的基于MBSFN的传输情况下,所有处于同一MBSFN传输的各小区需使用相同的扰码处理(小区公共扰码)(详见16.2.6节)。
16.2.3.5数据调制
下行数据调制时将一组加扰比特转换到相应的一组复调制码元(图16.14)。
LTE下行支持的调制方案包括QPSK,16QAM以及64QAM,相应地,每个调制码元携带2位,4位以及6位比特。
所有这些调制方案在DL-SCH传输时都是可以使用的。
而对于其他传输信道可能会有一些限制。
比如,在BCH传输时,只能使用QPSK调制。
16.2.3.6天线映射
天线映射同时联合处理来自两个传输块的调制码元并且将结果映射到不同的天线上。
如图16.9所示,LTE最多可以支持4天线的传输。
天线的映射可以被有不同配置用来提供不同的多天线方案,包括发送分集,波束成形以及空分复用。
更多的关于多天线映射的细节将在16.2.5中提到。
16.2.3.7资源块映射
资源块映射是将每根天线上待发送的码元映射到由MAC调度器分配的资源块上的资源粒子上(如图16.15所示)。
正如第15章已讨论过,资源块的选择可以(至少部分地)基于不同资源块的信道质量估计来进行,信道质量估计是由对象移动终端完成。
第15章已经提到,下行链路调度是基于1ms的子帧的。
而一个下行链路资源块被定义为在一个0.5ms时隙中的一系列连续子载波,因此,下行链路资源块的分配总是以资源块对的形式来分配的,其中每一对都由时域上连续的2个在同一个子帧中的资源块组成。
总的来说,每个资源块由84个资源粒子组成(一共7个OFDM码元时间,每个码元时间12个载波)。
然而,如上面所提到的,对于传输信道映射来说,资源块中的某些资源粒子是不可用的,因为他们已经被占用给:
下行链路参考码元,包括与其它天线参考码元对应的没有被使用的资源粒子。
下行链路的L1/L2控制信令,具体将在下一节中讨论。
由于基站已知哪些资源粒子是分配给下行参考信号以及L1/L2控制信令,已知这些资源粒子不能用作传输信道映射,所以能直接将传输信道映射到余下的可用资源粒子。
同样,在接收时,移动终端已知哪些资源粒子是分配给下行参考信号以及L1/L2控制信令,所以能直接从正确的资源粒子集合中提取出传输信道的数据。
DL-SCH所映射的物理资源,在LTE中被称为下行物理共享信道(PDSCH)。
16.2.4下行L1/L2控制信令
为了支持下行和上行传输信道的传送,更确切地说是DL-SCH和UL-SCH传输,必须要有相关的下行链路控制信令。
这种控制信令通常被称为L1/L2控制信令,表明相应的信息一部分来自物理层(L1)而另一部分来自MAC层(L2)。
更确切地说,与DL-SCH和UL-SCH传输相关的L1/L2控制信令包括:
DL-SCH相关的调度消息,这些信息用来保证移动终端正确接收、解调和解码DL-SCH信号。
他们包括DL-SCH资源分配(资源块的组集)和传输格式信息以及DL-SCH混合ARQ的信息。
这个信令与HSPA中定义的HS-SCCH类似(参见第9章)。
UL-SCH相关的调度消息,更具体地说就是告知移动终端的UL-SCH传输中能使用哪些上行资源和何种传输格式的许可(grant)。
因此这种信令与HSPA中定义的E-AGCH相似(参见第10章)。
因为多个移动终端可能同时被调度,所以必须要在一个TTI中有能力传输多个调度消息。
每一个这样的消息都作为一个下行L1/L2控制信道而传送。
如图16.16所示,每一个控制信道都对应唯一的一个调度消息,这些消息首先被分开处理,包括CRC插入,信道编码以及比特级的加扰和QPSK调制。
调制码元然后被映射到下行链路物理资源(比如OFDM时频网格)。
L1/L2控制信令所映射的LTE物理资源在LTE规范中被称为PDCCH。
如图16.17所示,L1/L2控制信道被映射到每个子帧中的开头几个OFDM码元中。
通过将L1/L2控制信道映射到每一个子帧的开头,那么L1/L2控制信息,包括DL-SCH资源分配以及传输格式信息,则可以在子帧结束之前被获取。
这样,DL-SCH的解码可以直接在子帧的结束时就开始进行,而不必等到对L1/L2控制信息的解码完成。
这就大大减小了DL-SCH的解码时间和整个下行链路的传输延时。
而且,在子帧的开头传送L1/L2控制信道,即较早的L1/L2控制信息解码,没有被调度的移动终端可以提前关闭接收机,这样可以大大的减少功耗。
更具体而言,L1/L2控制信令所映射的物理资源是由一定数量的控制信道粒子(control-channelelements)所组成,而每一个控制信道粒子又是由预先定义好的一些资源粒子组成。
然后每个L1/L2控制信道的调制码元被映射到一个或多个控制信道粒子上,取决于每个L1/L2控制信道的调制码元数量大小。
注意对于不同的L1/L2控制信道这个数量大小可以不同。
网络将会显性的发讯号告知一个子帧里控制信道粒子的数量。
由于控制信道粒子大小是预定的,并且位于子帧的开头,这表明被调度的移动终端能获知L1/L2控制信道占有的是哪些资源粒子,同样也就能获知DL-SCH映射到哪些资源粒子(余下的资源粒子)。
然而,移动终端没有被显性的告知有关L1/L2控制的更详细的结构,包括L1/L2控制信道的准确数量,以及每个L1/L2控制信道映射到的控制信道粒子的准确数量。
相反,移动终端只能盲解码多个候选控制信道,来找出指定给本移动终端的那个携带调度信息的L1/L2控制信道。
举例来说,图16.18显示一个六个控制信道粒子的例子,L1/L2控制信道映射到1个,2个,或者4个控制信道粒子都是有可能的。
可以看出,在这个例子中,有10个不同的候选控制信道。
移动终端解码这里的每一个候选项,校验CRC找出有效的控制信道。
16.2.5下行链路多天线传输
16.2.3节介绍的传输信道的处理包括天线映射,不过在那一节中只讨论了通常情况下,来自两个编码后传输块的调制码元块被处理和映射到(多达4个)发送天线的情况。
如图16.19所示,LTE天线映射其实由2个独立的步骤组成:
层映射(Layermapping)和预编码(Pre-coding)。
层映射提供了对调制码元的解复用,即将每个码字(编码和调制后的传输块)解复用到一个或多个层。
因此,层的数量一般至少是与传输块的数量相同或更多。
预编码首先从每一个层中提取一个调制码元,然后同时联合处理
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