LTE空中接口物理層過(guò)程解析

1 概述

LTE是3GPP在2005年啟動(dòng)的新一代無(wú)線系統(tǒng)研究項(xiàng)目。LTE采用了基于OFDM技術(shù)的空中接口設(shè)計(jì)，目標(biāo)是構(gòu)建出高速率、低時(shí)延、分組優(yōu)化的無(wú)線接入系統(tǒng)，提供更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率。



圖1-1LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由核心網(wǎng)絡(luò)（EPC）、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）和用戶設(shè)備（UE）3部分組成，見(jiàn)上圖。其中EPC負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分；E-UTRAN（LTE）負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，由eNodeB節(jié)點(diǎn)組成；UE指用戶終端設(shè)備。系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式，并對(duì)傳統(tǒng)UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其中LTE僅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了較大的簡(jiǎn)化。這使得整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)扁平化特性。

系統(tǒng)的扁平化設(shè)計(jì)使得接口也得到簡(jiǎn)化。其中eNodeB與EPC通過(guò)S1接口連接；eNodeB之間通過(guò)X2接口連接；eNodeB與UE 通過(guò)Uu接口連接。

2 物理層過(guò)程

本文重點(diǎn)討論LTE空中接口物理層的一些主要過(guò)程。

2.1 下行物理層過(guò)程

2.1.1 小區(qū)搜索過(guò)程

UE使用小區(qū)搜索過(guò)程識(shí)別并獲得小區(qū)下行同步，從而可以讀取小區(qū)廣播信息。此過(guò)程在初始接入和切換中都會(huì)用到。

為了簡(jiǎn)化小區(qū)搜索過(guò)程，同步信道總是占用可用頻譜的中間63個(gè)子載波。不論小區(qū)分配了多少帶寬，UE只需處理這63個(gè)子載波。

UE通過(guò)獲取三個(gè)物理信號(hào)完成小區(qū)搜索。這三個(gè)信號(hào)是P-SCH信號(hào)、S-SCH信號(hào)和下行參考信號(hào)（導(dǎo)頻）。

一個(gè)同步信道由一個(gè)P-SCH信號(hào)和一個(gè)S-SCH信號(hào)組成。同步信道每個(gè)幀發(fā)送兩次。

規(guī)范定義了3個(gè)P-SCH信號(hào)，使用長(zhǎng)度為62的頻域Zadoff-Chu序列。每個(gè)P-SCH信號(hào)與物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組內(nèi)的一個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)。S-SCH信號(hào)有168種組合，與168個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組對(duì)應(yīng)。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號(hào)后UE可以確定當(dāng)前小區(qū)標(biāo)識(shí)。

下行參考信號(hào)用于更精確的時(shí)間同步和頻率同步。

完成小區(qū)搜索后UE可獲得時(shí)間/頻率同步，小區(qū)ID識(shí)別，CP長(zhǎng)度檢測(cè)。


圖2.1.1-1小區(qū)搜索過(guò)程

2.1.2 下行功率控制

下行功率控制適用于數(shù)據(jù)信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。

eNode B 決定每個(gè)資源單元的下行發(fā)射功率。對(duì)于數(shù)據(jù)信道（PDSCH）方法如下：

對(duì)每個(gè)OFDM 符號(hào)，定義或= EPREPDSCH /EPRERS，

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （對(duì)所有 PDSCH 發(fā)送方式，除多用戶MIMO）

是由高層提供的UE特定參數(shù)，使用3個(gè)比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB。

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系統(tǒng)通過(guò)定義“RNTP(RelativeNarrowbandTX Power) ”來(lái)支持可能進(jìn)行的下行功率協(xié)調(diào)，該消息通過(guò)X2接口在基站間交換。

定義了一個(gè)門(mén)限，由以比特圖的形式指示每個(gè)PRB將要使用的發(fā)射功率是否超過(guò)該門(mén)限。由下式確定：



其中：

- 指示比特圖

- 下行帶寬配置

-

- nPRB PRB 數(shù)目

- EA：不包含參考符號(hào)的OFDM符號(hào)中的數(shù)據(jù)子載波的發(fā)射功率

- EB：包含參考符號(hào)的OFDM符號(hào)中的數(shù)據(jù)子載波的發(fā)射功率

2.1.3 尋呼 – 物理層面

尋呼用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的呼叫建立過(guò)程。有效的尋呼過(guò)程可以允許UE在多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只在預(yù)定時(shí)間醒來(lái)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的尋呼信息。

在WCDMA中，UE在預(yù)定時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)物理層尋呼指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接收尋呼信息。因?yàn)閷ず糁甘拘畔r(shí)長(zhǎng)比尋呼信息時(shí)長(zhǎng)短得多，這種方法可以延長(zhǎng)UE休眠的時(shí)間。

在LTE中尋呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在預(yù)定時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)PDCCH。因?yàn)镻DCCH傳輸時(shí)間很短，引入PICH節(jié)省的能量很有限，所以LTE中沒(méi)有使用物理層尋呼指示信道。

如果在PDCCH上檢測(cè)到自己的尋呼組標(biāo)識(shí)，UE將解讀PDSCH并將解碼的數(shù)據(jù)通過(guò)尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。PCH傳輸塊中包含被尋呼的UE的標(biāo)識(shí)。未在PCH上找到自己標(biāo)識(shí)的UE 會(huì)丟棄這個(gè)信息并依照DRX周期進(jìn)入休眠。
2.2 上行物理層過(guò)程

2.2.1 隨機(jī)接入過(guò)程

層一的隨機(jī)接入過(guò)程包括隨機(jī)接入preamble的發(fā)送和隨機(jī)接入響應(yīng)。其余的消息不屬于層一的隨機(jī)接入過(guò)程。

2.2.1.1 物理非同步隨機(jī)接入過(guò)程

層一的隨機(jī)接入過(guò)程包括如下步驟：

高層的preamble發(fā)送請(qǐng)求觸發(fā)L1隨機(jī)接入過(guò)程；

隨機(jī)接入所需的preambleindex，目標(biāo)preamble 接收功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)，相應(yīng)的 RA-RNTI 和 PRACH 資源作為請(qǐng)求的一部分由高層指示；

preamble發(fā)射功率PPRACH由下式計(jì)算：

PPRACH = min{ , PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER + PL} [dBm]

其中是配置的 UE 發(fā)射功率，PL 是UE估算的下行路徑損耗；

UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中隨機(jī)選擇一個(gè) Preamble 序列；

UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 發(fā)送選擇的 Preamble 序列；

UE嘗試在高層定義的接受窗口內(nèi)使用RA-RNTI檢測(cè) PDCCH。如果檢測(cè)到，相應(yīng)的 PDSCH 傳輸塊被傳輸?shù)礁邔印８邔咏庾x傳輸塊并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理層。

2.2.1.2隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許

高層使用20比特 UL-SCH grant指示物理層，這被稱為物理層隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許。20 比特 UL-SCH grant 的內(nèi)容包括：

-跳頻標(biāo)識(shí)– 1 bit

-固定尺寸RB指派– 10 bits

-截短的MCS– 4 bits

-PUSCH的TPC 命令 – 3 bits

-UL遲延 – 1 bit

-CQI請(qǐng)求 – 1 bit

2.2.2 CQI/PMI/RI的報(bào)告

UE用來(lái)報(bào)告CQI（ChannelQuality Indication）、PMI （Precoding Matrix Indicator）和 RI（Rank Indication）的時(shí)頻資源由eNB 控制。報(bào)告方式有周期性和非周期性兩種。UE可以使用PUCCH進(jìn)行周期性報(bào)告，使用PUSCH進(jìn)行非周期性報(bào)告。

CQI或PMI的最小計(jì)算和反饋單位為subband（約為2～8個(gè)RB，若系統(tǒng)帶寬小于8個(gè)RB，不定義Subband），見(jiàn)表2.2.2-1。



表2.2.2-1:Subband尺寸 (k) vs.系統(tǒng)帶寬 （on PUSCH）

CQI的計(jì)算與報(bào)告分為widebandCQI、UEselected（subbandCQI）和High layer configured（subband CQI）三種。基站根據(jù)終端反饋的CQI 和預(yù)測(cè)算法，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗CS，見(jiàn)表2.2.2.-2。

對(duì)于空間復(fù)用，UE需要確定一個(gè)RI值，對(duì)應(yīng)有效的傳輸層數(shù)。對(duì)于發(fā)射分集，RI等于一。



表2.2.2-2:4-bitCQI Table

2.2.3 上行功率控制

上行功率控制用來(lái)控制不同上行物理信道的發(fā)射功率。這些物理信道包括物理上行共享信道（PUSCH）、物理上行控制信道（PUCCH）和Sounding參考符號(hào)。

2.2.3.1物理上行共享信道

物理上行共享信道PUSCH在子幀i的發(fā)送功率由下式確定：



[dBm]
其中：

- 是配置的UE發(fā)射功率；

- 表示PUSCH 在子幀 i的帶寬，即RB的數(shù)目；





2.2.3.3Sounding參考符號(hào)

Sounding參考符號(hào)在子幀i的發(fā)射功率由下式確定：



[dBm]

其中，


2.2.4 UE PUSCH跳頻

如果PDCCH（DCI格式0）中的FH域設(shè)置為1，UE 會(huì)進(jìn)行PUSCH跳頻。

PUSCH跳頻意味著一個(gè)子幀中的兩個(gè)時(shí)隙上行傳輸所用的物理資源不占用相同的頻段。

進(jìn)行PUSCH跳頻的UE需要確定它的子幀的第一個(gè)時(shí)隙的PUSCH資源分配，其中包含PRB索引號(hào)。

- 當(dāng)上行PUSCH hopping關(guān)閉，或者通過(guò)UL grant實(shí)現(xiàn)hopping時(shí)，PUSCH PRB索引號(hào)等于UL grant中分配的索引號(hào)；

- 當(dāng)上行hooping開(kāi)啟時(shí)，PUSCH PRB索引號(hào)由UL grant中分配的索引號(hào)和一個(gè)預(yù)定義的、與cell ID相關(guān)的hopping pattern來(lái)共同決定。

2.3 Semi-Persistent調(diào)度

LTE中的動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了很大的靈活性但同時(shí)也產(chǎn)生了較高的信令負(fù)荷。對(duì)于較規(guī)則的低速業(yè)務(wù)，這種信令開(kāi)銷尤為明顯。為了降低此類業(yè)務(wù)的信令負(fù)荷，3GPP定義了一個(gè)新的概念：semi-persistent調(diào)度。這種調(diào)度概念的思想是對(duì)于較規(guī)則的低速業(yè)務(wù)（例如VoIP），對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的資源使用進(jìn)行分配，而無(wú)需每次傳輸時(shí)都進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，以節(jié)省信令開(kāi)銷。所有HARQ重傳使用動(dòng)態(tài)調(diào)度。圖2.3-1顯示了semi-persistent 調(diào)度的概念和HARQ 重傳。



圖2.3?1.Semi-persistent調(diào)度

下行方向規(guī)范允許基于盲檢測(cè)的semi-persistent調(diào)度，即事先預(yù)配置少數(shù)幾種格式（編碼、調(diào)制和物理資源的組合），在配置的子幀中可以使用任何預(yù)配置的格式。UE需要進(jìn)行盲檢測(cè)來(lái)確定子幀中使用的是哪一個(gè)預(yù)配置的格式。但上行方向規(guī)范只允許一個(gè)格式，即不允許盲檢測(cè)。