LTE下行物理层关键技术原理.doc
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1、LTE下行物理层技术目 录1LTE下行物理层原理与概述41.1帧构造41.2资源映射51.2.1资源单位51.2.2REG资源映射原则71.2.3资源块RB分类与映射81.3物理信道和信号91.3.1信道分类91.3.2信道映射111.3.3下行基带信号解决121.3.3.1传播信道解决121.3.3.2物理信道解决131.3.4下行物理信号与信道221.3.4.1下行参照信号DL RS231.3.4.2同步信号PSS和SSS291.3.4.3物理广播信道 PBCH331.3.4.4物理下行控制信道 PDCCH361.3.4.5物理控制格式批示信道 PCFICH401.3.4.6物理HARQ批
2、示信道 PHICH431.3.4.7物理下行共享信道 PDSCH471.3.4.8物理多播信道 PMCH481.3.4.9物理信道定期关系491.4下行有关物理层过程491.4.1开机通讯连接建立过程491.4.2社区搜索501.4.3下行HARQ过程511.4.4下行功控511.5下行MIMO技术531.5.1传播分集-空时/频编码SFTD541.5.2传播分集-循环延时分集CDD561.5.3开环空间复用传播571.5.4闭环空间复用传播581.5.5多顾客MIMO581.5.6总结59附录A:LTE SI阶段原则演进过程错误!未定义书签。附录B:LTE vs WiMAX错误!未定义书签。
3、附录C:LTE TDD vs LTE FDD错误!未定义书签。1 LTE下行物理层原理与概述1.1 帧构造 FDD图 1 FDD LTE下行帧构造 FDD LTE上下行均采用简朴等长时隙帧构造,上行为DFT-S-OFDM符号,下行为OFDM符号; LTE沿用UMTS始终采用10ms无线帧长度; 时隙划分:LTE在数据延迟方面提出高规定(单向延迟不大于5ms),因而系统必要采用很小发送时间间隔(TTI),最小TTI普通等于子帧长度。1. 初期:考虑TTI = 0.5ms弊端:过小TTI虽然可以支持非常灵活调度和很小传播延迟,却会带来过大调度信令开销,反而导致系统频谱效率下降;2. 当前:TTI
4、= 1 ms = 2 slots TDD图 2 TDD LTE下行帧构造LTE TDD帧构造是基于TD-SCDMA构造修改而成,保存了原帧构造中特殊时隙:下行导频时隙(DwPTS)、保护间隔(GP)和上行导频时隙(UpPTS),同步采用了统一1ms子帧长度。DwPTS:发送下行控制信道和数据信道;GP:下行到上行转换保护时间间隔;UpPTS:发送上行Sounding导频,用于上行信道测量。1.2 资源映射1.2.1 资源单位资源栅格 RG 一种时隙传播信号可以用一种资源栅格Resource Grid来表达: 资源粒子 RE 资源栅格中最小单元资源块 RB 用于描述某些物理信道(重要是数据信道)
5、到资源粒子映射 资源粒子组 REG 用于定义控制信道(PDCCH、PHICH、PCFICH)到资源粒子映射 控制信道粒子CCE PDCCH资源单位;1个CCE涉及若干个REG图 3 下行资源栅格 RB数拟定与下行传播带宽关于:表 1 LTE带宽分派与参数配备Channel BW1.4 MHz3 MHz5 MHz10 MHz15 MHz20 MHzSubcarrier spacing15 KHzNo. of resource blocks615255075100Slot duration0.5 msNo. of OFDM symbols(Normal CP)7No. of OFDM symbol
6、s(Extended CP)6FFT size128256512102415362048Sampling rate (MHz)1.923.847.6815.3623.0430.72图 4 LTE系统带宽分布 为了支持最大带宽20MHz,合同定义了1200个子载波,即有效带宽为 ; 850合同中定义了110RB资源,即 为了近来FFT点数需要,离1200近来,就是2048点,即代表了2048子载波,因而得最低采样信号带宽为:按照单倍采样速率,则采样频率也为30.72MHz,相应时域采样间隔为,即一种RB子载波数及OFDM符号数由CP长度和子载波间隔决定。配备FDD帧构造应用场景CP长度常规CP1
7、27160for144forfor for常规社区单播系统扩展CP6512for大社区单播或MBMS系统2431024for独立载波MBMS系统1.2.2 REG资源映射原则图 5 REG资源映射 资源粒子组REG:用于定义控制信道(PDCCH、PHICH、PCFICH)到资源粒子映射; 她划分在RB一种OFDM符号中进行,即12子载波*1OFDM符号中进行; 本质包括4个数据块,依照天线配备和当前RS资源分布,划分REG大小(6RE或者4RE);1.2.3 资源块RB分类与映射 物理资源块PRB时域上个持续OFDM符号,及频域上个持续子载波。RB大小如上所述。 虚拟资源块VRB VRB和PR
8、B大小相似。包括集中式(Localized)和分散式(Distributed)Localized VRB (LVRB)将若干个持续子载波分派给一种顾客,系统可以通过频域调度选取较优子载波组进行传播,且信道预计复杂度也比较低;但是频域分集增益不大;Distributed VRB (DVRB)分派给一种顾客子载波分散在整个带宽,获得频域分集增益;但是信道预计比较复杂。 VRB映射方式由于最小TTI是1ms,而RB为0.5ms为单位,则映射时候,VRB和PRB也是成对映射。图 6 下行物理资源映射方式集中式虚拟资源块 LVRB 直接映射到物理资源块上;分布式虚拟资源块 DVRB 按照函数关系映射到物
9、理资源块上,在一种子帧中两个时隙上虚拟到物理资源块映射是不同。一种时隙里面可以同步进行LVRB和DVRB传播。eNodeB可以分派各种VRB给一种UE。1.3 物理信道和信号1.3.1 信道分类信道分为逻辑信道、传播信道、物理信道。) 逻辑信道:MAC 以逻辑信道形式向RLC层提供数据传播服务。依照逻辑信道承载信息类型,将逻辑信道分为控制信道与业务信道。 控制信道涉及:l BCCH(Broadcast Control Channel) 广播控制信道,下行信道;l PCCH(Paging Control Channel ) 寻呼控制信道,下行信道;l CCCH(Common Control Ch
10、annel) 公共控制信道,上行、下行信道;l MCCH(Multicast Control Channel) 多播控制信道,下行信道;l DCCH(Dedicated Control Channel) 专用控制信道,上行、下行信道; 业务信道涉及:l DTCH(Dedicated Traffic Channel) 专用业务信道,上行、下行信道;l MTCH(Multicast Traffic Channel) 多播业务信道,下行信道。) 传播信道:物理层以传播信道形式向MAC层提供服务。 传播信道是依照无线接口上传播信息特性与传播方式定义。分为: 下行传播信道l BCH(Broadcast
11、Channel) 广播信道;l PCH(Paging Channel ) 寻呼信道;l DL-SCH(Downlink Shared Channel)下行共享信道;l MCH(Multicast Channel) 组播信道。 上行传播信道l UL-SCH(Uplink Shared Channel) 上行共享信道;l RACH(Random Access Channel) 随机接入信道;) 物理信道与物理信号:物理信道用于承载高层信息;物理信号不承载高层信息,仅供物理层使用。 上行物理信道l PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)物理上行共享信道; l PU
12、CCH (Physical Uplink Control Channel) 物理上行控制信道;不会与PUSCH同步传播。l PRACH (Physical Random Access Channel ) 物理随机接入信道;l 上行物理信号u 上行参照信号 解调用参照信号,与PUSCH或者PUCCH传播关于与PUSCH或者PUCCH同步传播。 探测用参照信号,与PUSCH或者PUCCH传播无关u 物理层随机接入前导(Preamble)每个社区中有64个可用前导,称为前导序列集合,由一种根Zadoff-Chu序列所有循环移位构成,其根Zadoff-Chu序列相应逻辑序号RACH_ROOT_SEQU
13、ENCE由系统消息广播。在频域上,随机接入前导占用个资源块(72个子载波)带宽。 下行物理信道l PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)物理下行共享信道;l PBCH (Physical Broadcast Channel) 物理广播信道;l PMCH (Physical Multicast Channel) 物理多播信道;l PCFICH (Physical Channel) 物理控制格式批示信道;承载一种子帧中用于PDCCH传播OFDM符号个数(1、2、3)。l PDCCH (Physical Downlink Control Channel) 物理
14、下行控制信道;承载调度分派和其他控制信息。l PHICH (Physical Channel) 物理HARQ批示信道。l 下行物理信号u 下行参照信号; 社区专用参照信号,与非MBSFN传播关联;在支持非MBSFN社区所有下行子帧中传播,在天线端口03中一种或者各种端口上传播。 MBSFN参照信号,与MBSFN传播关联;只在分派给MBSFN传播子帧中传播,在天线端口4上传播。 终端专用参照信号。用于支持单天线端口PDSCH传播。在天线端口5上传播。由高层告知UE与否存在终端专用参照信号,若存在,并且是有效PDSCH解调相位参照,UE此时可以忽视在天线端口2和3上传播。u 下行同步信号(SCH)
15、用于同步和获得504个物理层社区ID中一种。注:LTE504个社区ID,分为168个物理层社区ID组,每组包括三个社区ID,社区组ID、社区ID唯一。 主同步信号PSCH对于FDD帧构造,仅在时隙0和时隙10传播。 辅同步信号SSCH。在一种子帧中,主同步信号与辅同步信号使用相似天线端口。1.3.2 信道映射上行:图 7 LTE上行信道映射下行:图 8 LTE下行信道映射1.3.3 下行基带信号解决图 9 LTE下行基带信号解决1.3.3.1 传播信道解决n CRCn 码块分割与码块级联,重要用于下行共享信道此处先在TB块上添加24bit CRC,然后进行码块分段,再在每个CB上添加24bit
16、 CRC。双层CRC构造:TB块CRC - 码块分段 - CB块CRCl 接受端就可以在发现1个CB译错,停止译码,立即规定重传,而不需要等待整个TB译码完毕后再反馈NACK;l 避免了无谓功率消耗,节约了解决时间,减小了HARQ重传延时,提高单位时间内系统吞吐量。n 信道编码表 2 各下行信道信道编码方式列表下行信道类型编码类型编码速率PDSCHTurbo coding1/3PMCHTurbo coding1/3PHICHRepetition coding1/3PCFICHBlock1/16PBCHTail biting convolutional coding1/3PDCCHTail bi
17、ting convolutional coding1/3广播信道PBCH和控制信道PDCCH,这些较低数据率信道采用卷积码是比较明确,详细是码率为1/3,约束长度为K=7。所用卷积码详细形式是具备最优距离谱无尾(Tail Biting)卷积码。对于数据信道,两种观点:1. UMTS R6Turbo码已不能适应高数据率解决方面新需求,应采用其她如LDPC(低密度奇偶校验码);2. 沿用R6 Turbo码,灵活性和扩展性。综合灵活性、BLER、复杂度以及对HARQ支持度,最后决定为以R6 Turbo码为母码,改进其交织器,使其具备类似LDPC并行解码特点。n 速率匹配 为了实现各种需要码率,对CB
18、进行速率匹配操作; 速率匹配模块输入为Turbo编码或卷积编码模块输出,因而在PDSCH、PMCH、PDCCH及PBCH比特级解决中存在速率匹配模块。 速率匹配实现原理如下图所示,构造上包括:1. 3个对三路分别解决交织器(Interleaver)子模块;2. 1个汇总比特收集(Bit Collection)子模块;3. 1个比特选取和裁剪(Bit Selection and Pruning)子模块。 不同信道编码方式相应速率匹配方式也不同,区别在于各子模块解决。图 10 速率匹配过程 不同信道编码方式相应速率匹配方式也不同,区别子模块解决; HARQ Chase合并(软合并)和IR合并(增量
19、冗余)1.3.3.2 物理信道解决图 11 物理信道基带信号解决流程下行物理信道基带信号解决,可以分为如下几步:1. 对将在一种物理信道上传播每一种码字中编码比特进行加扰;2. 对加扰后比特进行调制,产生复值调制符号;3. 将复值调制符号映射到一种或者各种传播层;4. 将每层上复值调制符号进行与编码,用于天线端口上传播;5. 将每一种天线端口上复值调制符号映射到资源粒子上;6. 为每一种天线端口产生复值时域OFDM信号。n 码字码字是指来自上层业务流进行信道编码之后数据。一种码字指一串比特流;不同码字区别不同数据流,其目是通过MIMO发送多路数据,实现空间复用;一种码字相应一种TB,一种子帧中
20、(2个时隙)最多可以传播2个码字,codeword0 and codeword1同一种TTI上可以传播各种UE数据,而不同UE在同一种TTI上运用不同TB块不同RB pair上传播不同数据。n 加扰扰码根序列为Gold序列,各个信道其中参数初始值不同样。对于每一种码字,比特块表达为,其中是在一种子帧中物理信道上传播码字中比特数目,在调制之前需要按照下式进行加扰,生成加扰比特块,即其中扰码序列 ,即伪随机序列定义为长度为31Gold序列。扰码序列发生器在每个子帧开始初始化,其中 初值取决于传播信道类型,即表 3 各下行信道扰码序列初始值n 调制表 4 各下行信道扰码序列初始值下行信道类型支持调制
21、方式PDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAMPHICHBPSKPCFICHQPSKPBCHQPSKPDCCHQPSKn 层映射由于码字数量和发送天线数量不一致,需要将码字流映射到不同发送天线上,因而需要使用层与预编码。层映射与预编码事实上是“映射码字到发送天线”过程两个子过程。层映射一方面按照一定规则将码字流重新映射到各种层(新数据流)(注:层数量不大于物理信道传播所使用天线端口数量P,是方程数不不大于等于未知数个数才有解条件)。预编码再将数据映射到不同天线端口上。在各个天线端口上进行资源映射,生成OFDM符号并发射。 单天线方式对于在单个天线端口上传
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