LTE基础知识汇总及说明总结.doc

一、协议知识
1. LTE帧结构及物理资源基本概念RE/RB/CCE/REG/RBG
帧结构Type1：FDD（全双工和半双工）(FDD上下行数据在不同的频带里传输；使用成对频谱)
每一个无线帧长度为10ms，由20个时隙构成，每一个时隙长度为Tslot = 15630 x Ts = 0.5ms。
对于FDD，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，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。

帧结构Type2：TDD (TDD上下行数据可以在同一频带内传输；可使用非成对频谱)
一个无线帧10ms，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每一个半帧由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成，DwPTS和UpPTS的长度可配置，要求DwPTS、GP以及UpPTS的总长度为1ms。

DwPTS: Downlink Pilot Time Slot
GP: Guard Period (GP越大说明小区覆盖半径越大)
UpPTS: Uplink Pilot Slot

Ts = 1 / (15000x2048) s
Frame 帧的长度：Tf = 307200 x Ts = 10ms
Subframe 子帧的长度：Tsubframe = 30720 x Ts = 1ms
Slot 时隙的长度：Tslot = 15360 x Ts = 0.5ms

1 Sub-Carrier = 15 kHz;
1 TTI = 1 ms => 1 sub-frame => 2 slots (0.5 ms *2) # for one user, min 2 RB allocation.
1 RB = 12 sub-carriers during 1 slot (0.5 ms) =>12 * 15kHz = 180kHz (Bandwidth); => 12 * 7 symbols= 84 REs
1 RE = 1 sub-carrier x 1 symbol period (Each symbol is QPSK, 16QAM or 64QAM modulated.)

LTE支持可变带宽：1.4MHz, 3, 5, 10, 15 和 20MHz
一个小区最少使用6个RB, 即最少包含72个sub-carriers: 6 RB * 12 sub-carriers = 72 sub-carriers
一个小区最多支持110个RB，相当于1320个sub-carriers: 110 *12 =1320 sub-carriers
Channel bandwidth BWChannel [MHz]
1.4
3
5
10
15
20
Transmission bandwidth configuration NRB
6
15
25
50
75
100

Special subframe configuration
Normal cyclic prefix in downlink
Extended cyclic prefix in downlink
DwPTS
UpPTS
DwPTS
UpPTS

Normal cyclic prefix
in uplink
Extended cyclic prefix
in uplink

Normal cyclic prefix in uplink
Extended cyclic prefix in uplink
0

1

2

3

4

5

6

7

-
-
-
8

-
-
-
特殊帧格式5：DwPTS:GP:UpPTS => (6592Ts-16Ts) : (19744Ts-16Ts) : 4384Ts=> 3:9:2
特殊帧格式7：DwPTS:GP:UpPTS => (21952Ts-32Ts) : 4384Ts : 4384Ts=> 10:2:2
最小分配单位为:

Configure TDD: 上下行配置（下图） + 特殊帧格式（上图） (e.g.: 2:7 1:7)

Uplink-downlink
configuration
Downlink-to-Uplink
Switch-point periodicity
Subframe number
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
5 ms
D
S
U
U
U
D
S
U
U
U
1 2:2
5 ms
D
S
U
U
D
D
S
U
U
D
2 3:1
5 ms
D
S
U
D
D
D
S
U
D
D
3
10 ms
D
S
U
U
U
D
D
D
D
D
4
10 ms
D
S
U
U
D
D
D
D
D
D
5
10 ms
D
S
U
D
D
D
D
D
D
D
6
5 ms
D
S
U
U
U
D
S
U
U
D
TDD支持5ms和10ms的周期转换：
=> 5ms转换周期：一个帧的上下半帧的特殊帧格式配置相同，
=> 10ms转换周期：一个帧分成上下半帧，下半帧的特殊帧为DwPTS=1ms，用于DL传输(如上图3，4，5所示)

RE：Resource Element，称为资源粒子，是上下行传输使用的最小资源单位。
1 RE = 1 subcarrier x 1 symbol period

RB：Resource Block，称为资源块，用于描述物理信道到资源粒子的映射。一个RB包含若干个RE。一个RB由12个在频域上的子载波和时域上一个slot周期构成（1 RB = 12 subcarriers x 1 slot）。
1个RB在频域上对应180kHz：1 RB = 12 subcarriers x 15kHz = 180kHz
1个RB在时域上对应1个时隙，1 slot =0.5ms

CCE：Control Channel Element，称为控制信道粒子，PDCCH在一个或多个CCE上传输，CCE对应于9个REG，每个REG包含4个RE，CCE从0开始编号。（1 CCE = 9 REGs = 9 x 4 REs = 36 REs）
PDCCH format与CCE之间的关系如下图所示：
PDCCH format
Number of CCEs
Number of REGs
Number of PDCCH bits
(QPSK)
0
1
9
72
1
2
18
144
2
4
36
288
3
8
72
576

REG：Resource Element Group，用来定义控制信道到RE的映射.（1 REG = 4 REs）

RBG：Resource Block Group，RBG是连续的PRB的集合，其大小根据系统带宽配置的不同而定，如下图所示：
System Bandwidth
(Number of DL RBs)
RBG Size (P)
≤10
1
11 – 26
2
27 – 63 (e.g.: 10MHz - 50 RBs)
3
64 – 110 (e.g.: 20MHz - 100 RBs)
4

2. 下行物理信道及物理信号的功能和占用时频码域位置（DL：PDSCH/PDCCH/PHICH/PCFICH/PBCH/ PSS/SSS/RS）

2.1 PBCH：Physical Broadcast Channel （物理广播信道）
- 主要用来传输MIB信息，MIB消息包含：DL带宽信息；PHICH组号；系统帧号SFN
- MIB: DL-Bandwidth, PHICH-Config, SFN, # of antennas.
- 占用中间的6个RB（72sc），在第2个slot的前4个symbol上传递（slot 1, symbol 0~3）
- MIB消息的重复周期为40ms，起始位置为subfram#0 of SFN mod 4 = 0。每10ms传递一次MIB，传递内容一致，40ms组成一个MIB消息。可实现时间分集，提高UE接收MIB消息时的增益，改善接收质量

2.2 PCFICH：Physical Control Format Indicator Channel （物理控制格式指示信道）
- 用来指示在一个sub-frame中PDCCH传输的OFDM symbol数量（1, 2 or 3）
- 在每个subframe(TTI)的第1个symbol上进行传递(symbol 0 within each TTI)
- 承载CFI信息，每TTI占用16个RE资源，即4个REG

2.3 PDCCH：Physical Downlink Control Channel （物理下行控制信道）
- 用于承载DCI信息，包括资源调度分配和其他控制信息，如与DL-SCH和PCH相关的HARQ信息等
- PDCCH在每个subframe的前3个symbol（symbol 0~2）中进行传递，占用个数由PCFICH承载的CFI消息来确定。
- PDCCH的大小对应于一个或者多个CCE，如下图所示：
PDCCH format
Number of CCEs
Number of REGs
Number of PDCCH bits
0
1
9
72
1
2
18
144
2
4
36
288
3
8
72
576
- DSS => Dedicated Search Space (for only one UE) & CSS => Common Search Space (for several UEs)

2.4 PDSCH：Physical Downlink Shared Channel （物理下行共享信道）
- 用于承载DL-SCH信息，传递SIB信息（SIB消息传递方向：BCCH -> DL-SCH -> PDSCH）
- SIB1消息的重复周期为80ms，初始位置为subframe#5 of SFN mod 8 = 0，在SFN mod 2 = 0的帧上重复.
SIB – System Information Blocks
- SIB1: Cell Access Info (PLMN, TAC, CID…); 小区选择相关信息; TDD相关配置信息; 余下SIB的时域调度信息
- SIB2: 公共信道的无线资源配置（PCCH, RACH); freqInfo (ul-carrierFreq, ul-bandwidth); defaultPagingCycle
- SIB3: Cell re-selection information. (Intra/Inter frequency or/and Inter-RAT cell re-selection)
- SIB4: Neighbor cell related info only for Intra-frequency cell re-selection information.
- SIB5: E-UTRAN Inter-frequency cell re-selection information.
- SIB6: UTRAN frequencies and neighboring cell re-selection.
- SIB7: GERAN frequencies cell re-selection.
- SIB8: CDMA2000 frequencies and neighbouring cell re-selection.
- SIB9: Home eNB.
- SIB10: ETWS primary notification.
- SIB11: ETWS secondary notification.

- 如果UE专用参考信号不被传输，使用天线端口集合P = , , or
- 如果UE专用参考信号被传输，则使用天线端口 P = 5

2.5 PHICH：Physical HARQ Indicator Channel （物理HARQ指示信道）
- 用于承载HARQ的ACK/NACK
- 在每个subframe的第1个symbol上进行传递（symbol 0 of each subframe）
- 一个PHICH组对应于3个REG，12个RE资源

2.6 PMCH：Physical Multicast Channel （物理多播信道）- 目前不支持，无需掌握
§ 没有对传输分集方案进行标准化
§ 单天线端口传输，使用端口4
§ 在支持PDSCH和PMCH混合传输的载波上，PMCH不能再子帧0和5中传输

下行物理层信号：对应于一系列物理层使用的RE，这些RE不传递任何来自高层信息
注：
物理信号都由ZC序列生成，每一个子载波占用一个ZC序列的符号。
SSS和PSS同步信号内容固定，重复发送，不承载任何上层信息，是UE在进行小区搜索时第一个要找的信息。
UE进行盲检搜索同步信号，目前只支持Normal CP的格式。

2.7 PSS：Primary Synchronization Signal （主同步信号）
- 频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc
- 在第2个subframe的第3个symbol中进行传递（subframe 1 or 6, symbol 2）
- 指示一个物理小区组内的id：Physical-layer id：0, 1, 2 (3个)

2.8 SSS：Secondary Synchronization Signal（辅同步信号）
- 频域上占系统带宽中间的6个RB，即72sc
- 在第1个subframe的最后1个symbol中进行传递（subframe 0 or 5, symbol 6）在subframe 0和5中的SSS结构相同，但是在频域上错开，以区别前5ms或后5ms的半帧。
- 指示物理小区组号：Physical-layer cell-id group：0~167（168个）
- Total cell IDs: 168 x 3 = 504 cell IDs. (0~503)

2.9 RS：Reference Signal （参考信号）（every slot, symbol 0&4）
- 用于下行信道估计，信道质量测量以及相关解调，对UE来说是已知信号（RS信号与小区physical id有关，这个在小区搜索过程中的同步信号中获得）
- 频域上：每6个子载波分配一个RS
- 时域上：每个slot的symbol 0&4 用来传递RS，symbol 0和4之间有3个SC的间差，用于时频域分集。
多天线传输情况下，天线端口集合与参考信号配置之间的关系：
- Cell-specific RS, non-MBSFN transmission => P = , , or
- MBSFN RS, associated with MBSFN transmission => P = 4
- UE-specific RS. => P = 5 (用于BF技术)

3. 上行物理信道及物理信号的功能和占用时频码域位置（UL：PUSCH/PUCCH/PRACH/SRS/DMRS）

3.1 PUSCH：Physical Uplink Shared Channel （物理上行共享信道）
- Carries the user data from UL-SCH.
- Carries L1/L2 control information：ACK/NACK, CQI, PMI, RI (Rank Indicator)
-

3.2 PUCCH：Physical Uplink Control Channel （物理上行控制信道）
- PUCCH承载上行控制信息（UCI），不与PUSCH同时传输，处于上行带宽的边缘，在TDD中不在UpPTS域上传输
- UCI信息包括以下4部分：
o Scheduling Request (SR). CQI and Scheduling Requests are provided to Layer 2.
o HARQ ACK/NACK for DL transmission;
o CQI reports.
o PMI reports.
- PUCCH具有6种格式，1系列承载SR和ACK/NACK信息，2系列承载CQI/PMI信息，如下图所示：
PUCCH format
Modulation scheme
Number of bits per subframe,
Type of information
1
N/A
N/A
Scheduling Request (SR)
1a
BPSK
1
ACK/ NACK
1b
QPSK
2
ACK/ NACK
2
QPSK
20
CQI/PMI/RI
2a
QPSK+BPSK
21
CQI/PMI + 1 bit ACK/ NACK
2b
QPSK+QPSK
22
CQI/PMI + 2 bits ACK/ NACK

3.3 PRACH：Physical Random Access Channel （物理随机接入信道）
- Carries the random access preamble.

PRACH Preamble：
- 频域：6 RB x 180kHz = 1.08 MHz
- 时域：1ms / 2ms / 2 symbols（UpPTS）
- 随机接入前导由具有零相关区的ZC（Zadoff-Chu）序列产生，有一个或多个根ZC序列产生。每个小区中包含64个可用的前导。
- PRACH共有5种结构（0~4），目前支持Format 0, 1 & 4：

RACH：
- FDD需要额外配置一个GP（Guard Period）以适应RTD（Round Trip Delay），在TDD的特殊帧中已包含这个GP
- FDD在一个子帧中只能分配一个RACH资源，而TDD可以分配多于一个的随机接入资源
- TDD模式下，在UpPTS中，可以调度Short RACH（S-RACH），与GP结合使用，最多可配置6个RACH。

随机接入过程：
- 基于竞争的随机接入过程：如UE初始接入

- 基于非竞争的随机接入过程：如小区切换

上行物理层信号：指物理层使用的但是不承载任何来自高层信息的信号，如参考信号。
3.4 DRS/DMRS：Demodulation Reference Signal （解调用参考信号）
- 与上行数据传输有关，both PUSCH and PUCCH。
- 用于信道评估，对PUSCH和PUCCH信道的连续检测和解调，上行功率控制，时间评估等？？？
- DRS在时域上的分配：
o PUSCH: 每个slot的第4th个symbol（symbol 3 in every slot）
o PUCCH: DRS由PUCCH的格式来决定（1/1a/1b 或者 2/2a/2b）
- DRS在频域上的分配：
o PUSCH: DRS与终端的上行传输具有同样的带宽。
o PUCCH: 如下图所示

3.5 SRS：Sounding Reference Signal （探测用参考信号）=> 与PUSCH和PUCCH无关
- 与上行数据传输无关，可用于评估上行信道质量，实现以下功能：
- 初始化MCS（Modulation and Coding Scheme）选择
- 数据传输的功率控制
- TA（Timing Advance）
- UL频率的独立调度（Frequency dependent scheduling for the UL）
- SRS transmitted in the last SC-FDMA symbol in the configured subframes.
- 在TDD模式中，UpPTS也可用作传递SRS。

4. 逻辑信道、传输信道与物理信道的映射关系：
4.1 逻辑信道（7）
- BCCH：Broadcast Control Channel（广播控制信道：传输广播系统控制信息的下行信道）
- PCCH：Paging Control Channel（寻呼控制信道：传输寻呼信息的下行信道）
- CCCH：Common Control Channel（公共控制信道：UE与网络间传输控制信息的双向信道，无RRC连接时使用）
- DCCH：Dedicated Control Channel（专用控制信道：传输专用控制信息的点到点双向信道，有RRC连接时使用）
- DTCH：Dedicated Traffic Channel（专用业务信道：点到点双向信道，专用于一个UE，用于传输用户信息）
- MCCH：Multicast Control Channel（多播控制信道：网络到UE的MBMS调度和控制信息，点到多点下行 信道）
- MTCH：Multicast Traffic Channel（多播业务信道：点到多点下行信道）

4.2 传输信道（DL:UL => 4:2）
- BCH：Broadcast Channel（广播信道 => PBCH）
- PCH：Paging Channel（寻呼信道 => PDSCH）
- MCH：Multicast Channel（多播信道 => PMCH）
- DL-SCH：Downlink Shared Channel（下行共享信道 => PDSCH）
- UL-SCH：Uplink Shared Channel（上行共享信道 => PUSCH）
- RACH：Random Access Channel（随机接入信道 => PRACH）

4.3 物理信道（DL:UL => 6:3）
- PBCH：Physical Broadcast Channel（物理广播信道）
- PDSCH：Physical Downlink Shared Channel（物理下行共享信道）
- PDCCH：Physical Downlink Control Channel（物理下行控制信道）
- PCFICH：Physical Control Format Indicator Channel（物理控制格式指示信道）
- PHICH：Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel（物理HARQ指示信道）
- PMCH：Physical Multicast Channel（物理多播信道）
- PUSCH：Physical Uplink Shared Channel（物理上行共享信道）
- PUCCH：Physical Uplink Control Channel（物理上行控制信道）
- PRACH：Physical Random Access Channel（物理随机接入信道）

5. MIMO technology
- Two kinds of MIMO techniques for DL transmission：
o Transmit diversity – use multiple channels to send the same information stream
ð Improve coverage and robustness of data transmission
o Spatial multiplexing – use multiple channels to send multiple information streams
ð Increase throughput
ð SU-MIMO/ MU-MIMO

- MIMO techniques according to the number of Antennas：
ð SISO
ð MISO
ð SIMO
ð MIMO

- MIMO techniques for UL transmission => MU-MIMO
Transmission Mode 与 DCI format之间的关系（传输模式信息在RRCConnectionReconfiguration 过程中指示）：
Transmission mode: DCI Format:
TM1 Single-antenna port; port 0 1, 1A 单天线端口传输
TM2 Transmit diversity 1, 1A 传输分集
TM3 Open-loop spatial multiplexing 2A 开环MIMO（Large delay CDD）
TM4 Closed-loop spatial multiplexing 2 闭环MIMO（PMI反馈）
TM5 Multi-user MIMO 1D
TM6 Closed-loop Rank=1 precoding 1B
TM7 Single-antenna port; port 5 1, 1A UE-specific RS，用于beamforming
Transmission Mode
Rank
Layer
Codeword
Number of Antenna ports
TM1 （单天线）
1
1
1
1
TM2 （传输分集）
1
2
1
2
1
4
1
4
TM3 & TM4 （空分复用）
2
2
2
2
2
2
2
4
3
3
2
4
4
4
2
4

6. PDSCH下行资源分配方式（Type0/1/2）；
Type 0: PDCCH DCI formats 1, 2 and 2A
RBs are grouped to RBG. RBGs are selected.
System Bandwidth
(Number of DL RBs)
RBG Size (P)
≤10
1
11 -– 26
2
27 – 6463 (e.g.: 10MHz - 50 RBs)
3
64 – 110 (e.g.: 20MHz - 100 RBs)
4

Type 1: PDCCH DCI formats 1, 2 and 2A
RBs are grouped to RBG subset. First select one RBG subset, then select the RBs in the RBG subset.
RBG subset的值（P）与Type0中RBG的定义一致。
RBG subsets：Log2(P)
RB assignment：

Type 2: PDCCH with DCI format 1A, 1B, 1C and 1D
Start RB and width is assigned.

7. DCI Format
DCI: Downlink Control Information (ref. 36.212) => Carriered by PDCCH
一个DCI传递上下行调度信息，或者针对一个RNTI的上行功率控制命令
DCI Format
Use scope
DCI 0
For the scheduling of PUSCH (For Uplink only)
DCI 1
For the scheduling of one PDSCH codeword, TM1, 2 and 7 (Type0, 1)
DCI 1A
For the compact scheduling of one PDSCH codeword and random access procedure initiated by a PDCCH order, TM1~7 (Type 2)
DCI 1C
For very compact scheduling of one PDSCH codeword (Type 2)
DCI 2
For MIMO (e.g.: CL MIMO), TM4 (Type0, 1)
For the scheduling of one/two PDSCH codeword
TPC command for PUCCH
DCI 2A
For MIMO (e.g.: OL MIMO), TM3 (Type0, 1)
For the scheduling of one/two PDSCH codeword
TPC command for PUCCH
· Format 0: 用于上行传输，PUSCH的调度
- Flag for format0/format1A differentiation - 1 bit, 0=>format 0 and 1=>format 1A
- Resource block assignment and hoping resource allocation
- Modulation and coding scheme
- HARQ information and redundancy version
- TPC command for scheduled PUSCH – 2 bits
- CQI request – 1bit

· Format 1:用于传输分集，单码字PDSCH的调度 (Used for the scheduling of single codeword PDSCH) (TM1, 2, and 7-not support)
- Resource allocation type, e.g.: type 0 / type 1 – 1bit
- Resource block assignment
- Modulation and coding scheme – 5 bits
- HARQ process number – 4 bits
- TPC command for PUCCH – 2 bits

· Format 1A: 用于下行传输，单码字PDSCH调度，下行数据触发随机接入过程，适用所有TM传输模式。=> Compact scheduling of one PDSCH codeword and random access procedure initiated by a PDCCH order (为UE分配一个非竞争随机接入的特定preamble).
- Flag for format0/format1A differentiation - 1 bit, 0=>format 0 and 1=>format 1A
- Resource block assignment
- Modulation and coding scheme – 5 bits
- HARQ information – 4 bits
- TPC command for PUCCH – 2 bits

· Format 1B: Compact scheduling of one PDSCH codeword with precoding information. Closed loop precoding with rank-1 transmission. (TM6, 目前不支持，不需要掌握)

· Format 1C: Very compact scheduling of single codeword PDSCH. (Paging, SIB, 系统广播信息 ? )
- Resource block assignment
- Modulation and coding scheme
- Redundancy version

· Format 1D: Compact scheduling of one PDSCH codeword with precoding and power offset information. (using Multi-user MIMO, TM5,目前不支持)

· Format 2: For MIMO (Closed-Loop)，两码字，下行PDSCH调度 (闭环模式，TM4，需要上报PMI信息)

· Format 2A: For MIMO (Open-Loop)，两码字，下行PDSCH调度（开环模式，TM3）

· Format 3/3A: Transmission of TPC commands for PUCCH and PUSCH with 2-bit or 1-bit power adjustments

8. LTE相关接口的控制面和用户面协议栈

Radio interface
User Plane: Control Plane:

PHY: L1协议，
§ Data Transfer via Transport Channels.
§ Error Detection. Hybrid ARQ Combining.
§ Channel Coding and Rate Matching.
§ Modulation and Demodulation.
§ Measurements.
§ MIMO（多进多出）, Transmit Diversity（发送分集）, Beamforming（波速成型）.
§ RF Processing.

MAC: L2协议，主要实现与调度和HARQ相关的功能
§ Data Transfer via Logical Channels.
§ 逻辑信道和传输信道之间的映射
§ UE之间以及一个UE在不同逻辑信道之间的资源分配和调度
§ 传输格式选择
§ HARQ纠错功能

RLC: L2协议，主要实现与ARQ相关的功能，保证数据传输的可靠性
§ 上层PDU数据传输: TM（透明模式）, UM（非确认模式）, AM（确认模式）数据传输
§ ARQ纠错功能（CRC检验由物理层完成）
§ 串联，分段及重分段功能
§ 顺序传送上层数据以及重复检测功能

PDCP: L2协议，提供ROHC可靠头压缩功能，以及加密和完整性保护功能

RRC: L3协议，提供广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性、UE测量上报和控制功能等功能

NAS: 非接入层控制协议，主要实现以下功能:
§ SAE承载管理
§ 鉴权
§ LTE-IDLE状态下的移动性管理
§ 产生LTE_IDLE状态下的寻呼消息
§ 安全控制

S1 interfaces
User Pla