LTE物理层介绍.ppt

LTE基本原理介绍2nnE-UTRANE-UTRAN概述概述概述概述nn下行信道下行信道下行信道下行信道nn上行信道上行信道上行信道上行信道nn硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构内容提要内容提要内容提要内容提要概述3技术指标对比技术指标对比技术指标LTEWiMAXWiFi传输速率(Mbit/s)下行100/上行50751/2/5/11最高移动速率(km/h)350120室内和移动速度较低的室外带宽(Mhz)1.25201520小于WiMAX覆盖范围(km)100710，max500.10.3费用专利、网络成本高无专利费用、网络成本低无需布网线、成本低4概述 E-UTRAN的多址方式以OFDM为基础，在上行使用SC-FDMA，在下行使用OFDMA OFDM是一种特殊的多载波传输方案。多载波传输把数据流分解成若干子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。由于各个子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率 为了克服符号间干扰，减少在接收端定时偏移的错误，一般都要在每个OFDM符号之间插入保护间隔通常是将每个OFDM符号的后Tg 时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何间断。这种保护间隔叫做循环前缀(Cyclic Prefix,CP)。E-UTRAN中使用的就是这种循环前缀概述OFDM收发信机示意图SC-FDMA发射端示意图5概述 E-UTRAN系统的传输参数传输参数6Transmission BW1.4 MHz3MHz5 MHz10 MHz15 MHz 20 MHzSlot duration 0.5 msSub-carrier spacing15 kHzSampling frequency(MHz)1.92(1/2 3.84)3.84(1 3.84)7.68(2 3.84)15.36(4 3.84)23.04(6 3.84)30.72(8 3.84)FFT size128256512102415362048Number of occupied sub-carriers per slot761513016019011201OFDM symbols per slot(Short/Long CP)7/6CP length(s/samples)Short(4.69/9)6,(5.21/10)1(4.69/18)6,(5.21/20)1(4.69/36)6,(5.21/40)1(4.69/72)6,(5.21/80)1(4.69/108)6,(5.21/120)1(4.69/144)6,(5.21/160)1 Long(16.67/32)(16.67/64)(16.67/128)(16.67/256)(16.67/384)(16.67/512)概述 时域帧结构时域帧结构基础时间单元传输时间间隔(TTI)两种CPNormal CPExtended CP7概述(续)CP8概述(续)无线帧结构 两种无线帧结构两种无线帧结构 Type 1Type 1：适用于：适用于FDDFDD和和TDDTDD模式模式 Type 2Type 2：仅适用于：仅适用于TDDTDD模式模式 Type 1Type 1 适用于全双工适用于全双工FDDFDD和半双工的和半双工的FDDFDD与与TDDTDD 一个无线帧包含一个无线帧包含2020个时隙，每两个时隙组成一个子帧个时隙，每两个时隙组成一个子帧 在在10ms10ms的间隔，上下行各自有的间隔，上下行各自有1010个子帧用于传输，上下行在频域上是独立的。个子帧用于传输，上下行在频域上是独立的。9概述(续)无线帧结构 仅用于仅用于TDDTDD模式模式 一帧分为两个半帧，每个半帧的结构是相同的一帧分为两个半帧，每个半帧的结构是相同的 每个半帧包含每个半帧包含5 5个子帧，其中子帧个子帧，其中子帧1 1包含三个特殊的域：包含三个特殊的域：DwPTS,GPDwPTS,GP和和 UpPTSUpPTS 一个子帧被定义为两个时隙一个子帧被定义为两个时隙 子帧子帧0 0和和DwPTSDwPTS总是用于下行发送，总是用于下行发送，UpPTSUpPTS和子帧和子帧1 1总是用于上行发送总是用于上行发送 同一个时刻，一个子帧要么分配给下行，要么分配给上行。子帧同一个时刻，一个子帧要么分配给下行，要么分配给上行。子帧0 0和子帧和子帧5 5总是分配给下行总是分配给下行 切换点可以配置为切换点可以配置为5ms/10ms5ms/10ms10n nType 2Type 2nHCR-TDDnE-UTRAn10msn0.667msn0.5msn2ms12概述(续)无线帧结构n nType 2Type 2帧结构的配置帧结构的配置帧结构的配置帧结构的配置概述(续)资源网格(Resource Grid)用来描述每个时隙中传输的信号 每个网格中有 NRBNscRB 个子载波(频域)和 Nsymb个符号(时域)NRB由传输带宽决定，并满足 6 NRB 110 资源网格中的每一个元素就叫做资源元素(Resource Element)，它是上下行传输中的最小资源单位13概述(续)资源块(Resource Block)由时域上Nsymb 个连续的符号和频域上 NscRB 个连续的子载波构成包括 Nsymb NscRB个资源元素对应于时域上一个时隙和频域上的180kHz14 下行的时隙结构下行的时隙结构 同步信号同步信号 参考信号参考信号 下行物理信道的基本处理过程下行物理信道的基本处理过程 各个信道的具体处理过程各个信道的具体处理过程 OFDMOFDM基带信号的生成基带信号的生成15nnE-UTRANE-UTRAN概述概述概述概述nn下行信道下行信道下行信道下行信道nn上行信道上行信道上行信道上行信道nn硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构内容提要内容提要内容提要内容提要下行传输 LTE的下行传输是基于OFDMA的物理信号 Reference signal Synchronization signal物理信道Physical Downlink Shared Channel,PDSCHPhysical Broadcast Channel,PBCHPhysical Multicast Channel,PMCHPhysical Control Format Indicator Channel,PCFICHPhysical Downlink Control Channel,PDCCHPhysical Hybrid ARQ Indicator Channel,PHICH16下行传输(续)时隙结构 下行的子载波间隔 f 有两种，15kHz和7.5kHz 时域上有 NDLsymb个OFDM符号，根据不同的CP和帧结构和子载波间隔，数目不同对于多天线发送情况，每个天线端口对应一个资源网格，天线端口是通过相关的参考信号来定义的 资源块有物理资源和虚拟资源块一个时隙中物理资源块编号和资源元素之间的关系为虚拟资源块和物理资源块大小一样根据分集阶数的不同，虚拟资源块和物理资源块之间的映射方式不同17下行传输(续)对物理信道处理的目的主要是把经过加扰、调制处理后的物理信号和物理信道映射到资源网格中去，然后再对他们进行OFDM处理n在映射到资源网格的过程中，存在优先级，顺序为：参考信号同步信号PBCHPCFICHPHICHPDCCHPMCH/PDSCHn下面就按照这个顺序介绍对下行物理信道和物理信号的处理 18下行传输(续)参考信号1参考信号的作用 信道质量测量 信道估计的相干解调 小区搜索信息三种下行参考信号 小区专用参考信号 MBSFN参考信号 UE专用参考信号一个下行天线端口上只能传一个参考信号 小区专用参考信号，支持配置1，2，4个天线端口 MBSFN参考信号，在天线口4上发送 UE专用参考信号，在天线口5上发送19下行传输(续)参考信号2小区专用参考信号在不发送MBSFN的小区的所有下行子帧上传输若子帧已用于传输MBSFN，那么只有子帧的前两个OFDM符号可以用于传输小区专用参考信号小区专用参考信号能在天线端口03中的一个或几个上传输只在15khz间隔有定义参考信号的生成(rm,n(ns)20u 扩展扩展CP：u由一个二维随机序列由一个二维随机序列 rm,n(ns)生成生成u 共有共有504个个u物理层小区物理层小区id与与504个不同的二维随机个不同的二维随机序列之间存在一对一的映射序列之间存在一对一的映射u 普通普通CP：n二维正交序列二维正交序列n共有共有3个个n分别与三个物理层分别与三个物理层小区小区id组对应组对应n二维伪随机序列二维伪随机序列n共有共有168个个下行传输(续)参考信号3小区专用参考信号映射到资源元素 一个时隙里任何一个天线上用于传输参考信号了的资源元素在同一时隙中任何天线上都不能使用，并要设为0下图是 Cell ID为0，vshift0 时参考信号在下行天线端口的映射情况示意图21下行传输(续)参考信号4 MBSFN参考信号在分配给MBSFN传输的子帧上传送使用天线端口4只在长CP情况下使用22下行传输(续)参考信号5 UE专用参考信号支持PDSCH的单天线传输使用天线端口5由高层配置是否传输或是否为PDSCH解调的相位参考如果存在UE专用参考信号并且是PDSCH解调的有效相位参考，那么UE可以忽略在天线端口2和3上的传输23下行传输(续)同步信号1在小区搜索过程中和小区id密切相关。物理层小区id总共有504个，分成168个物理层小区id组，每组有3个id。这样物理层小区id可以表示成：NcellID=3 N(1)ID+N(2)ID，N(1)ID0,1,167，N(2)ID0,1,2分为主同步信号和辅同步信号在映射到资源网格中的时候要避开已经映射了参考信号的资源元素主同步信号序列的生成由频域 Zadoff-Chu 序列产生和 N(2)ID 相关辅同步信号序列的生成序列的生成两个两个长长度度为为31的二的二进进制序列交制序列交错级联产错级联产生生级联级联的序列由主同步信号的序列由主同步信号给给出的出的扰码扰码序列序列进进行加行加扰扰24下行传输(续)同步信号2主同步信号映射到主同步信号映射到资资源元素源元素帧结构1：主同步信号仅仅在时隙0和时隙10中最后一个符号发送帧结帧结构构2：主同步信号在：主同步信号在DwPTS域第三个符号域第三个符号发发送。送。辅辅同步信号映射到同步信号映射到资资源元素源元素帧结构1：辅同步信号仅仅在时隙0和时隙10中最后第二个符号发送帧结帧结构构2：辅辅同步信号在同步信号在时时隙隙1和和时时隙隙11的最后一个的最后一个OFDM符号符号发发送送25下行传输(续)下行物理信道的处理过程1 基本处理过程 加扰：对将要在物理信道上传输的码字中的比特进行加扰 调制：加扰后的比特变成了复值调制符号 层映射：将复值调制符号映射到一个或者多个传输层 预编码：对将要在各个天线端口上发送的每个传输层上的复制调制符号进行预编码 映射到资源元素：把每个天线端口的复值调制符号映射到资源元素上 生成OFDM信号：为每个天线端口生成复值时域的OFDM符号26下行传输(续)下行物理信道的处理过程2 加扰加扰前后的比特数不变利用小区专用序列加扰 调制编码效率根据不同的调制方法而不同 QPSK:L=2；16QAM:L=4；64QAM:L=627物理信道物理信道调制方法调制方法PDSCH/PMCHQPSK,16QAM,64QAMPBCH/PCFICH/PDCCHQPSKPHICHN/A下行传输(续)下行物理信道的处理过程3 层映射码字数q，层数v，天线端口数P，每层的符号数M layersymb输入 d(q)(0),d(q)(M(q)symb-1)，输出x(i)=x(0)(i),x(v-1)(i)T，i=0,1,Mlayersymb-1单天线的层映射(v=1)x(0)(i)=d(0)(i)，Mlayersymb=M(0)symb空间复用的层映射(q=1,2，vP)28下行传输(续)下行物理信道的处理过程429n 层映射层映射u传输分集的层映射传输分集的层映射(q=1，v=P)下行传输(续)下行物理信道的处理过程5 预编码层映射的输出作为输入，每个天线端口p上的输出表示为 y(p)(i)，i=0,1,Mapsymb-1在单天线上传输的预编码(p=1)y(p)(i)=x(0)(i)i=0,1,Mapsymb-1，Mapsymb=Mlayersymb空间复用的预编码(p=2,4)CDD较小或等于0 CDD较大30下行传输(续)下行物理信道的处理过程631P=2的W(i)P=4的W(i)CDD较小的D(i)CDD较大的D(i)下行传输(续)下行物理信道的处理过程7 传输分集的预编码P=232lP=4下行传输(续)下行物理信道的处理过程8 层复用和预编码是成套出现的33下行传输(续)下行物理信道的处理过程9 映射到资源元素每个天线端口处，复值符号从y(p)(0)开始，映射到指定的虚拟传输块上用于传输参考信号的资源块不被映射先子载波后OFDM符号，然后按照时隙和子帧依次映射34下行传输(续)PBCH1 处理过程35仅适用仅适用QPSK不使用空间复用模式不使用空间复用模式P=1，2，4n在在4个连续的无线帧内传输个连续的无线帧内传输n 先先k，再，再l，然后，然后slot的顺序映射的顺序映射nl 从指定表中取值，从指定表中取值，k满足满足下行传输(续)PBCH2映射示意图 36下行传输(续)PCFICH1 指示在一个子帧中传输PDCCH所使用的OFDM符号数(1,2,or 3)处理方法37一个码字中一个码字中32比特比特仅适用仅适用QPSK不使用空间复用模式不使用空间复用模式P=1，2，4使用的天线集合和使用的天线集合和PBCH一样一样下行传输(续)PCFICH2映射示意图 38下行传输(续)PHICH39n 承载承载HARQ ACK/NACKn 处理方法处理方法当当P=1，2时，加扰后时，加扰后的比特首先要与一个的比特首先要与一个正交序列逐比特相乘，正交序列逐比特相乘，然后再进行调制然后再进行调制不使用空间复用模式不使用空间复用模式P=1，2，4使用的天线集合与使用的天线集合与 PBCH一样一样n首先要把一个首先要把一个PHICH组中同一个天线端口上各个组中同一个天线端口上各个PHICH相同位置的符号叠加起来相同位置的符号叠加起来n映射到没有被参考信号、同步信号和映射到没有被参考信号、同步信号和 PCFICH使用的资使用的资源元素上，并且这些物理资源元素每源元素上，并且这些物理资源元素每4个连续的分成一个连续的分成一组共分成组共分成3组组nPHICH在一个子帧中占用的在一个子帧中占用的OFDM符号数由高层配置符号数由高层配置下行传输(续)PDCCH 承载调度指令和其它控制信息 PDCCH在一个或者几个控制信道元素(CCEs)的集合中被发送。一个CCE和一组资源元素相关。多个PDCCHs可以在一个子帧中被发送。PDCCH支持多种传输格式 处理方法40一个子帧中要传输的多个一个子帧中要传输的多个PDCCHs级联后一起处理级联后一起处理仅适用仅适用QPSK不使用空间复用模式不使用空间复用模式P=1，2，4使用的天线集合和使用的天线集合和PBCH一样一样n首先，首先，4个相邻符号构成一组，并进行块内交织个相邻符号构成一组，并进行块内交织 n然后，对交织后的符号进行循环移位然后，对交织后的符号进行循环移位n同时，定义四个频域上连续，并且没有被参考信同时，定义四个频域上连续，并且没有被参考信号、号、PCFICH和和PHICH占用的资源元为一个资源占用的资源元为一个资源元素四元素组元素四元素组n最后，把符号映射到四元数组上最后，把符号映射到四元数组上下行传输(续)PDSCH 处理过程没有传UE专用参考信号：P=1，2，4传输了UE专用信号：p=5映射时，按照先k，再l，然后时隙，最后是子帧的顺序，将经过处理的符号映射到没有被前面的信号和信道使用过的资源元素上41下行传输(续)PMCH 处理过程不使用传输分级模式在使用单天线传输时，使用的天线端口是 p=4传输PMCH使用的子帧时，最多只有前面两个OFDM符号保留用来实现non-MBSFN在支持PDSCH和PMCH混合发送的载波上，不能在子帧0和5传PMCH映射时，按照先k，再l，然后时隙，最后是子帧的顺序，将经过处理的符号映射到没有被前面的信号和信道使用过的资源元素上42下行传输(续)OFDM基带信号的生成一个时隙内的OFDM符号以 l 的升序方式发送43n时间连续信号时间连续信号np是天线端口号是天线端口号nl是是OFDM符号序号符号序号 上行的时隙结构上行的时隙结构 参考信号参考信号 PUCCHPUCCH和和PUSCHPUSCH的具体处理过程的具体处理过程 SC-FDMASC-FDMA基带信号的生成基带信号的生成 PRACHPRACH44nnE-UTRANE-UTRAN概述概述概述概述nn下行信道下行信道下行信道下行信道nn上行信道上行信道上行信道上行信道nn硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构内容提要内容提要内容提要内容提要上行传输 LTE的上行传输是基于SC-FDMA的 物理信号 Reference signal（由相同的基本序列产生）解调参考信号（与PUSCH或PUCCH有关）Sounding参考信号（与PUSCH或PUCCH无关）物理信道 Physical Uplink Shared Channel,PUSCH Physical Uplink Control Channel,PUCCH Physical Random Access Channel,PRACH45上行传输(续)时隙结构上行的子载波间隔 f 只有一只有一种，15kHz时域上为 NULsymb 个SC-FDMA符号，根据不同的CP和帧结构，数目不同资源块编号与资源元素之间的关系46上行传输(续)参考信号1 两类 上行参考信号 解调参考信号：与PUSCH或PUCCH的传输相关Sounding参考信号：与PUSCH和PUCCH的传输无关两类参考信号由不同的循环因子a与同一个基本序列生成47n基本序列按长度基本序列按长度3RB3RB为界分为两种不同的产生方法为界分为两种不同的产生方法n基本序列分为基本序列分为3030组，组，u u为组号，为组号，v v为组内序列号，每组根据序列长为组内序列号，每组根据序列长度不同包含一个或两个序列。度不同包含一个或两个序列。v=0(v=0(信号长度为信号长度为15RB)15RB)，v=0/1(v=0/1(信信号长度为号长度为6110RB)6110RB)48上行传输(续)基本序列的生成 基本序列长度=3RB时n 基本序列长度=1RB/2RB时，查表5.5.1.2-1/5.5.1.2-249上行传输(续)各信号处理流程上行传输(续)参考信号2 PUCCH的解调参考信号(rPUCCH()参考信号序列的产生 不同的不同的PUCCH格式，每个格式，每个时时隙中使用的参考信号数隙中使用的参考信号数NRSPUCCH和和w(n)不同不同不同不同时时隙采用不同的隙采用不同的w(n),不同的符号位置采用不同的循不同的符号位置采用不同的循环环位移位移PUCCH解解调调参考信号参考信号长长度度为为12子子载载波波映射到资源元素参考信号序列先乘以幅度因子PUCCH先按k的升序，然后是的升序，然后是l 的升序，最后是的升序，最后是时时隙号隙号 k的取的取值值范范围围与用于与用于PUCCH传输传输的集合一的集合一样样帧结帧结构构类类型不同型不同选选用的用的l不同不同 50PUCCH PUCCH FormatFormatl值Normal Normal CPCPExtended Extended CPCP02,3,42,3121,53上行传输(续)参考信号351n PUSCH的解调参考信号的解调参考信号(rPUSCH()u参考信号序列生成参考信号序列生成 l跳跳频频模式一个模式一个时时隙中的隙中的u根据跳根据跳频频序列的不同而不同序列的不同而不同l非跳非跳频频模式模式u值值固定，固定，v值值基于基于时时隙隙变变化化l一个子一个子帧帧中不同的中不同的时时隙可以使用不同的隙可以使用不同的l信号信号长长度与度与PUSCH的的长长度相同度相同u映射到资源元素映射到资源元素l参考信号序列先乘以幅度因子参考信号序列先乘以幅度因子PUSCHl仅使用仅使用l=3，k 按照升序进行映射按照升序进行映射上行传输(续)参考信号4Sounding参考信号信号的生成rSRS()使用的序列序号从PUCCH使用的序列序号得到映射到物理资源元素先乘以幅度因子SRS按照下述公式映射到资源块(k,l)上 52sounding 参考信号的参考信号的频频域起始位置域起始位置 sounding参考信号的序列参考信号的序列长长度度 上行传输(续)PUCCH承载上行控制信息，不和PUSCH同时传输支持多种格式，格式不同调制方法和每个子帧中的比特数不同处理过程 加扰 调制：加扰后的比特变成了复值符号映射到资源元素：把每个天线端口的复值调制符号映射到资源元素上 生成SC-FDMA信号：为每个天线端口生成复值时域的SC-FDMA符号53n根据不同的格式进行调制根据不同的格式进行调制nFormat 0 and 1：用于：用于ACK/NAK传输传输nFormat 2：用于：用于CQI传输传输nFormat 3n先乘以幅度因子先乘以幅度因子n两个相邻时隙间出现跳频两个相邻时隙间出现跳频上行传输(续)PUSCH处理过程 加扰 调制：加扰后的比特变成了复值符号 变换预编码(Transform precoding)：生成复值调制符号 映射到资源元素：把每个天线端口的复值调制符号映射到资源元素上 生成SC-FDMA信号：为每个天线端口生成复值时域的SC-FDMA符号54UE专用扰码加扰专用扰码加扰可采用可采用QPSK，16QAM和和64QAMn先将输入的符号分成先将输入的符号分成 集合，每集合，每个集合对应一个个集合对应一个SC-FDMA符号符号n再对它们使用变换预编码再对它们使用变换预编码n先乘以幅度因子先乘以幅度因子n再按先再按先k，再，再l，最后，最后slot映射到可以使用的资源元素上映射到可以使用的资源元素上nk的变化由跳频图样和高层调度决定的变化由跳频图样和高层调度决定上行传输(续)SC-FDMA基带信号的生成与随机接入基与随机接入基带带信号的生成方法不同信号的生成方法不同按按 l 的升序的升序处处理理 55上行时隙中第上行时隙中第 l 个个SC-FDMA符号符号上行传输(续)PRACH 1 时间和频率结构不同的无线帧结构不同56Preamble format01234(frame structure type 2 only)57上行传输(续)PRACH 2不同配置情况下PREAMBLE发送情况示意图上行传输(续)PRACH 3 前缀序列的生成 由零相关区Zadoff-Chu(ZC-ZCZ)序列生成58上行传输(续)PRACH 4 基带信号的产生59幅度因子幅度因子Zadoff-Chu序列的长度序列的长度kRA 控制在频域中的位置，表控制在频域中的位置，表示为示为RB的数目，高层配置的数目，高层配置随机接入前缀随机接入前缀的子载波间隔的子载波间隔决定随机接入决定随机接入在在RB中位置中位置的固定偏移的固定偏移60nnE-UTRANE-UTRAN概述概述概述概述nn下行信道下行信道下行信道下行信道nn上行信道上行信道上行信道上行信道nn硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构硬件实现架构内容提要内容提要内容提要内容提要uueNodeBeNodeB发送发送发送发送uueNodeBeNodeB接收接收接收接收uu终端终端终端终端硬件实现架构eNodeB发送61硬件实现架构eNodeB接收62硬件实现架构终端63