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OFDM基本原理
OFDM是为多径衰落信道而设计

应对频率选择性衰落-------窄带并行传播

OFDM由来

u 每个OFDM符号在其周期内包括多种非零子载波，因此其频谱可以看作是周期为T矩形脉冲频谱与一组位于各个子载波频率上δ函数卷积。
u 矩形脉冲频谱幅值为Sa函数，这种函数零点出目前频率为整数倍位置上。
u 在每一种子载波频率最大值处，所有其他子信道频谱值恰还为零，从而防止了子信道频谱值恰好为零，从而防止了子信道间（ICI）干扰出现。
u 各子载波组合在一起, 总频谱形状 非常近似矩形频谱。

OFDM实现措施

下行调制多址OFDMA:

OFDM发送和接受：

OFDM发射流程：

OFDM处理：

加CP：
为了最大程度地消除ISI，可以在每个OFDM符号之间插入保护间隙（Guard Interval），并且该保护间隔长度一般要不小于无线信道最大时延扩展，这样一种符号多径分量就不会对下一种符号导致干扰。

CP长度确实定：
l CP长度考虑原因：频谱效率、符号间干扰和子载波间干扰
l 假如时间偏移不小于CP，就会导致载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）
—越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低
—越长越好：可以防止符号间干扰和子载波间干扰
LTE CP长度确实定：

子载波间隔确实定：

多普勒频移
l 设手机发出信号频率为，基站收到信号频率为，相对运动速度为V，C为电磁波在自由空间传播速度（光速），为多普勒频移
l 例360km/h车速，3GHz频率多普勒频移：
=（1）==3
=
子载波间隔确定-多普勒频移影响
l 2GHz频段，350km/h带来648Hz多普勒频移
l 低速场景，多普勒频移不明显，子载波间隔可以较小
l 高速场景，多普勒频移是重要问题，子载波间隔要较大
l 仿真显示，子载波间隔不小于11KHz，多普勒频移不会导致严重性能下降
l 当15KHz时，EUTRA系统和UTRA系统具有相似码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz子载波间隔
l 独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小子载波间隔，以减少CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波

OFDM图示：

OFDM技术优势：
l 抗多径衰落
l 频谱效率高
l 宽带扩展性强
l 频域调度和自适应
l 实现MIMO技术较为简朴

1、多载波/单载波对频率选择性衰落适应

2、频谱效率高
l 各子载波可以部分重叠，理论上可以靠近Nyquist极限。
l 实现小区内各顾客之间正交性，防止顾客间干扰，获得很高小区容量。
l 相对单载波系统（WCDMA），多载波技术是更直接实现正交传播措施。

3、宽带扩展性强
l 当子载波间隔确定后，OFDM系统信号带宽取决于使用子载波数量，几百kHz—几百MHz都较轻易实现，FFT尺寸带来系统复杂度增长相对并不明显。
l 非常有助于实现未来宽带移动通信所需更大带宽，也更便于使用2G系统退出市场后留下小片频谱。
l 单载波CDMA只能依赖提高码片速率或多载波CDMA方式支持更大带宽，都也许导致接受机复杂度大幅上升。
l OFDM系统对大带宽有效支持成为其相对单载波技术决定性优势。
4、 频域调度和自适应
集中式、分布式子载波分派方式：

5、实现MIMO技术简朴
l 在平坦衰落信道可以实现简朴MIMO接受。
l 频率选择性衰落信道中，IAI和符号间干扰（ISI）混合在一起，很难将MIMO接受和信道均衡分开处理。

OFDM技术存在问题
l PARP问题
l 时间和频率同步
l 多小区多址和干扰克制

1、峰均比高

l 高PAPR会增长模数转换和数模转换复杂性，减少RF功率放大器效率，增长发射机功放成本和耗电量，不利于在上行链路实现（终端成本和耗电量收到限制）
l 减少PAPR技术：信号预失真技术、编码技术、加扰技术。
l 下行使用高性能功放，上行采用SC-FDMA以改善蜂均比。

2、对频率偏移尤其敏感

l 载波频率偏移带来两个破坏性影响：减少信号幅度（sinc函数移动导致无法在峰值点抽样），导致载波间干扰（ICI）
l 研究表明，在低频调制下，频率偏移误差控制在2%以内才能防止SNR性能急剧下降；使用更高阶调制时，频率精确度规定就更高。
l 时间偏移会导致OFDM子载波相位偏移大，由于使用了CP，对时间同步规定在一定程度上可以放松，假如同步误差和多径扩展导致时间误差不不小于CP，系统就能维持子载波之间正交性。
l 由于子载波宽度较小，对频偏较敏感，因此OFDM系统需要保持严格频率同步，以保证子载波之间正交性。
l 多载波系统对载波相位噪声也比单载波系统愈加敏感。
l 发射机和接受机晶振误差往往会带来相位噪声。在OFDM系统中，载波相位噪声会导致相位偏移和ICI。
l 导致ICI原因：1.OFDM符号周期内信道变化（OFDM符号周期相对于信道有关时间太长）；2.非线性失真；3.保护间隔不够长；4.在接受机端频（看不清）位噪声。

3、多小区多址和干扰克制
l OFDM系统虽然保证了小区内顾客正交性，但无法实现自然小区间多址（CDMA则很轻易实现）。
l 假如不采用额外设计，将面临严重小区间干扰（某些宽带无线接入系统就因缺乏这方面考虑而也许为多小区组网带来困难）。
l 也许处理方案包括加扰、小区间频域协调（ICIC）、干扰消除、跳频等。

顾客1比特

顾客2比特

顾客K比特

FEC
基带调制
S/P
FEC
基带调制
S/P
FEC
基带调制
S/P
子载波映射器
L点I
F
F
T
P
/
S
加循环前缀
顾客1比特
S/P
去循环前缀
L点
F
F
T
解映射
抽取M个符号
频域均衡器
P/S
检测
对顾客1进行信道估计
下行OFDMA发送与接受

L点IFFT
顾客1比特
FEC
基带联调
S/P
子载波映射器
AMC
顾客1上行链路OFDMA发射器
P/S
上行OFDMA发送与接受

上行SC-FDMA发送

DFT-S-OFDM方式下上行顾客复用

LTE/SAE网络架构

LTE:Long Term Evolution
SAE:System Architecture Evolution
E-UTRAN:Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
EPC:Evolved Package Core
EPS:Evolved Packet System
MME:Mobility Management Entity
HSS:Home Subscriber Server
PCRF:Policy Charging Rules Function

E-UTRAN和EPC分工界面

Uu接口协议构造

MME（移动性管理实体）实现功能：
l 将寻呼消息发送到eNodeB
l 跟踪区域列表管理（UEIDLE模式和ACTIVE模式）
l 在3GPP访问网络之间移动时，CN节点之间信令传播
l P-GW（PDN分组数据网关）和S-GW（服务网关）选择
l MME选择，MME变化带来切换
l SGSN（服务GPRS支持节点）选择，为了切换到2G或3G网络
l IDLE空闲状态下移动性管理、漫游、确认等
l SAE承载控制（承载建立和管理等）
l NAS（非接入层）信令，信令加密和完整性保护

S-GW实现功能：
l 为eNB间切换，进行当地移动定位
l 3GPP间移动性管理，建立移动性安全机制
l 在E-UTRANIDLE模式下，下行包缓冲和网络初始化
l 授权侦听
l 包路由和前向转移
l 在上下行进行传播级包标识
l 在运行商之间互换顾客和Qos类别标识有关计费信息

P-GW实现功能：
l 顾客包过滤
l 授权侦听
l UEIP地址分派
l 传播级下行包标识
l 上下行服务级计费，速率控制
l 基于最大比特速率下行速率控制
l DHCP（Dynamic Configuration Protocol）v4和DHCP v6功能

无线空中接口协议栈架构：
—L3层：无线资源控制（RRC）层
u 寻呼，维持和释放一种RRC连接，移动性管理，Qos管理
—L2层
u 分组数据汇聚协议（PDCP）：IP数据包头压缩/解压缩，信令加密和一致性保护
u 无线链路控制（RLC）子层：分割和级联数据单元，用过ARQ（自动重发祈求）进行纠错，维持数据包次序
u 子层媒体接入控制（MAC）子层：在逻辑信道和传播信道之间映射，调度不一样UE间优先权，选择传播格式（编码、调制功率等）
—L1层：物理层
u 传播信道与物理信道映射，形成发送信号，接受无线信号

顾客面数据封装流程：

下行链路物理信道及到高层映射

上行链路物理信道及到高层映射

逻辑信道功能：
l 广播控制信道BCCH：广播系统控制信息
l 寻呼控制信道PCCH：寻呼信息
l 公共控制信道CCCH：UE与网络间传播控制信息，当UE没有和网络RRC连接时使用该信道
l 多播控制信道MCCH：从网络到UEMBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）调度和控制信息传播使用点到点下行信道
l 专用控制信道DCCH：专用控制信息点到点双向信道，UE有RRC连接时使用
l 专用业务信道DTCH：双向点到点信道，专用于一种UE传播顾客信息
l 多播业务信道MTCH：点到多点下行信道

物理层重要功能：
l 传播信道错误检测，并向高层提供指示
l 传播信道纠错编码/译码、物理信道调制与解调
l HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）软合并
l 编码传播信道向物理信道映射
l 物理信道功率加权
l 频率与时间同步
l 无线特性测量，并向高层提供指示
l MIMO天线处理、传播分集、波形赋形
l 射频处理

信道带宽：
l 支持信道带宽与传播带宽配置
² 1.4MHz 3.0MHz 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz
² 6RB 15RB 25RB 75RB 100RB
l LTE系统上下行带宽可以不一样

物理资源概念：
l 无线帧
l 子帧
l 时隙
l OFDM符号
l 采样点
l 资源块RB（Resource Block），RE（Resource Element），RGB（Resource Element Group）

l RE：1个符号1个子载波
l 一种RB在时域上包括7个持续OFDM符号，在频域上包括12个持续子载波
l RB大小和下行数据最小载荷相匹配
l RB时域大小为一种时隙，即0.5ms

资源块概念：

帧构造：
l FDD帧构造---帧构造类型1
n 一种长度为10ms无线帧由10个长度为1ms子帧构成；
n 每个子帧由两个长度为0.5时隙构成；
n TTI（传播时间间隙：Transmission Time Interval）：代表最小数据传送时间，可以根据不一样业务进行变化，最小1ms，详细是指无线链路可以独立解调传播块长度，可认为多种subframe，譬如接受完整个10ms无线帧再进行解调，那么TTI就是10ms，调度器（scheduler）在每个TTI根据顾客信道质量来决定调度哪些顾客，为它们分派多少资源，LTE中eNB每TTI做一次资源调度。

物理资源概念：
l 资源单元组（REG）
n 控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道
n 每个REG中包括4个数据RE

l 控制信道单元（CCE）
n 36RE，9REG构成

LTE物理层参数：
子载波间隔：15kHz

带宽（MHz）
1.4
3
5
10
15
20
占用带宽
1.08
2.7
4.5
9
13.5
18
采样率MHz
1.92
3.84
7.68
15.36
23.04
3072
FFT尺寸
128
256
512
1024
1536
2048
占用载波数
72
180
300
600
900
1200
资源块数
6
15
25
50
75
100
OFDM符号数
/时隙
7/6（短/长CP）
CP长度（us）
短
（4.69）
10+9
（6个）
20+18
（6）
40+36
（6）
80+72
（6）
120+108（6）
160+144（6）
长（16.67）
32
64
128
256
384
512

物理层处理
上行：

下行：

下行物理信道
l 物理广播信道(PBCH:Physical broadcast channel)
l 物理下行共享信道（PDSCH:Physical downlink shared channel）
l 物理组播信道（PMCH：Physical multicast channel）
l 物理下行控制信道（PDCCH:Physical downlink control channel）
l 物理控制格式指示信道（PCFICH:Physical control format indicator channel）
l 物理混合自动重传指示信道（PHICH：Physical Hybrid ARQ Indicator Channel）

下行物理信号
l 小区专用下行参照信号
n 参照信号用于传送下行链路相干解调信息
n 为了实现信道估计，已知参照信号被分散到预先确定间隔资源中，时域和频域间隔由信道特性确定，是信道估计精度与开销折中
l 同步信号
n 主同步信号：3种Zadoff-Chu根序列
n 从同步信号：16种相移31位伪随机序列
n 每个小区通过一种ZC序列和一种伪随机苏列组合来识别，因此总共有168*3=504种不一样小区。

上行物理信道
l 物理上行共享信道（PUSCH:Physical uplink shared channel）
l 物理上行控制信道（PUCCH：Physiacal uplink control channel）
l 物理随机接入信道（PRACH:Physical random access channel）

上行物理信号
l 上行参照信号
n 支持2种上行参照信号
解调参照信号，与PUSCH和PUCCH关联
Sounding参照信号，与PUSCH和PUCCH无关联

信道编码处理：

LTE下行信道编码方案
传播信道
编码方案
编码率
DL-SCH,PCH,MCH
Turbo码
1/3
BCH
卷积码
1/3

控制信息
编码方案
编码率
DCI

卷积码
1/3
CFI
块编码
1/16
HI
反复编码
1/3

下行物理信道处理过程

l 层映射：每一种码字中复值调制符号被映射到一种或者多种层上，根据选择天线技术不一样，而采用不一样层映射
l 预编码：就是把层映射后二等矩阵映射到对应天线端口上
l 资源粒子映射：将预编码后复值符号映射到资源块中没有被占用资源粒子上

下行物理信道功能概述
l 物理下行共享信道（PDSCH）
—传播数据块，调制方式：QPSK,16QAM,64QAM
l 物理广播信道（PBCH）
—传递UE接入系统所必需系统信息，如带宽，天线数目等，调制方式：QPSK
l 物理下行控制信道（PDCCH）
—用于指示PDSCH有关传播格式，资源分派，HARQ信息等，调制方式：QPSK
l 物理控制格式指示信道（PCFICH）
—一种子帧中用于PDCCHOFDM符号数目，调制方式：BPSK
l 物理HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）指示信道（PHICH）
—用于基站向UE反馈和PUSCH有关ACK/NACK信息，调制方式：QPSK
l 物理多播信道（PMCH）
—传递MBMS有关数据，调制方式：QPSK,16QAM,64QAM

PBCH调制与映射
l 加扰，扰码与Cell_ID有关
l QPSK调制
l 分层和预编码，多天线只有发送分集方式
l 物理资源映射，subframe0slot1中前4个OFDM符号72个子载波，cell-special RS（72/6=12个导频）要保留
l 4个无线帧40ms，每10ms发送一种可以自解码PBCH
l 对Normal CP而言，40ms物理资源共4*（4*72-4*12）=960个子载波，每个子载波上传播。。。。K符号，因此传播1920比特。

下行物理信道PCFICH信息
l PCFICH用于指示在一种子帧中传播PDCCH所使用OFDM符号个数
n CFI（控制格式指示）：2bit信息
n 1/16编码（32位，下表），QPSK调制，占16个子载波

l PHICH承载1bit ACK\NACK 信息
n 由于采用4倍正交码扩频，再加上QPSKI、Q两路，共可以在一种PHICH内复用8个ACK/NACK信道，即每个PHICH group承载8个顾客HARO反馈，2*4=8
n 常规CP：一种信道占12个RE，3次反复和4倍扩频

下行物理信道PDCCH
l 物理下行控制信道PDDCCH
n PDCCH用于承载DCI（下行链路控制信息），重要为资源分派、功率控制等信息，共10种格式
n 逻辑映射
u 一种PDCCH是一种或者几种持续CCE（控制信道单元）集合，ICCE=9REG=2（QPSK）*9（REG）=72bit
u 根据PDCCH中包括CCE个数，可以将PDCCH分为如下四种格式：
PDCCH格式
CCE个数
REG个数
PDCCH比特数目
0
1
9
72
1
2
18
144
2
4
36
288
3
8
72
576
l 物理映射
u 多种顾客PDCCH进行复用和加扰等操作，映射到没有用于传播PCFICH和PHICHREG上

PDCCH盲检测图示：

下行物理信号

PSS：primary synchronization signal SSS:secongdary synchronization signal

上行链路物理信道及到高层映射

上行物理信道功能概述
l 物理上行控制信道（PUCCH）
u 当没有PUSCH时，UE用PUCCH发送ACK/NAK，CQI调度祈求（SR），秩指示（RI：rank indication）信息等
u 当有PUSCH时，在PUSCH上发送这些信息
u 调制方式：QPSK
l 物理上行共享信道（PUSCH）
u 承载数据
u 调制方式：QPSK，16QAM，64QAM
l 物理随机接入信道（PRACH）

u 用于随机接入，发送随机接入需要信息

PUCCH时频映射
l PUCCH在频域两个边带发送，可以在时隙进行跳频
l 多顾客采用CDM方式复用一种RB，通过正交码（3）和CAZAC序列（12）来辨别不一样顾客，Cycllc Shift间隔为2,1个RB上可支持3*6=18个UE复用一种RB

上行物理共享信道PUSCH：
l 用于承载上行业务数据；
l 上行资源只能选择持续PRB，并且PRB个数满足2、3、5倍数；
l 在RE映射时，PUSCH映射到子帧中数据区域上；

控制信令和数据复用：
l 为了保证上行单载波特性，当数据和控制信令同步传播时，控制信令和数据在DFT之前需要进行复用

物理随机接入信道PRACH：
UE在初始接入或重新建立上行链路同步
GT用来处理UE和eNode之间来回传播时延

l CDMA关键技术——RAKE接受

RAKE接受技术在多径衰落条件下有效提高接受性能

①　 导频P2超过T_ADD，但尚未到达动态门限T1时，移动台将P2加入候选集。其中T1=（soft_slope/8）*10 lgP1+ADD_INTERCEPT/2
②　 导频P2超过动态门限T1时，移动台发送导频强度测量消息PSMM向基站汇报
③　 移动台收到来自基站切换指示消息HDM后，将P2加入激活集，然后向基站发送切换完毕消息HCM
④　 当导频P1低于动态门限T2时，移动台启动切换去掉定期器T_TDROP.其中T2=(soft_slope/8)*10 lgP2+DROP_INTERCEPT/2)
⑤　 当切换去掉定期器T_TDROP 超时，移动台向基站发送导频测量消息PSMM
⑥　 移动台收到来自基站切换指示消息HDM后，将导频P1移入候选集，并发送切换完毕消息HCM
⑦　 当导频P1低于T_DROP时，移动台启动切换去掉定期器T_TDROP
⑧　 当切换去掉定期器T_TDROP 超时，移动台将P1移入相邻集

下行物理信号：SSS和PSS

l 小区专用参照信号

同步信号（PSS+SSS）
l 共有504个物理小区ID，分为168组，每组3个，物理层小区ID为 ，小区ID组NID1为0,1…167，小区标识NID2为0,1,2
l 主同步信号用于检测NID2和符号定期，辅同步信号用于检测NID1和帧定期
主同步信号采用62位Zadoff-Chu序列（具有恒定幅度零自有关CAZAC特性），有3个ZC序列，对应于小区标识0,1,2，使用不一样小区ID主同步信号彼此正交
l 采用2个互为相移31位m序列，用对应PSS。。。。。构成62位辅同步信号

主同步信号PSS频域位置：

次同步码频域位置：

FDD帧中PSS与SSS时域位置：
一种无线帧内，位于时隙0和时隙10SS采用相反 短码，这样可以获得帧同步。

LTE小区搜索获得基本信息
l 初始符号定期
l 频率同步
l 小区传播带宽
l 小区标识号
l 帧定期信息
l 小区基站天线配置信息（发送天线数）
l 循环前缀（CP长度LTE对单播和广播/组播业务规定了不一样CP长度）

SIB：System Information Block；SFN:System Frame Number

下行同步信号序列
l 同步信号序列
ü 主同步信号使用Zadoff-Chu序列；
共有3个PSS序列，每个对应一种小区ID： 　　　　
ü 辅同步信号使用序列由两个长度为31二进制序列通过交错级联产生，并且使用由主同步信号序列决定加扰序列进行加扰，长度为31二进制序列以及加扰序列都由m序列产生；
共有168组SSS序列，与小区ID组序号 一一对应

随机接入时隙配置流程：

PRACH接入时隙配置索引：

不一样帧构造在LTE时频构造当中位置：

物理接入信道PRACH：
UE在初始接入或重新建立上行链路同步；GT用来处理UE和eNode之间来回传播时延

PRACH帧格式：

最大半径=TGT*3*10^8/2=14.531km 68*Ts=103.125us
PRACH时频构造：

Preamble信息：
l 序列产生
n Preamble使用Zadoff-Chu序列
n ZC根序列索引有838个，序列长度为839，循环（Ncs，cyclic shift）取值有16种，每个小区需要配置前导（Preamble）序列为64个
n 网络侧配置小区内可以使用前导序列，并通过SIB2中参数来广播该小区第一种ZC根序列，对根序列按一定规则循环移位，生成对应PRACH前导序列
n 由于PRACH上行传播不一样步以及不一样传播延迟，对应循环移位之间需要有足够间隔，并非所有循环移位都可以作为正交序列使用
n 假如可用循环移位前导序列数目不够64个，则按一定规则选择下一种ZC根序列，通过循环移位生成新PRACH前导序列
l 频域构造
l 一种PRACH占用6个持续RB=6*12*15kHz=1.08MHz
l Preamble信号采用子载波间隔与上行其他SC-FDMA符号不一样为1250Hz
l 6kHz=864子载波
ZC根序列举例
STEP1：根据小区半径决定循环移位Ncs取值，假设Ncs取值76；
STEP2:839/76成果向下取整成果为11，这意味着每个索引可产生11个前导序列，64个前导序列就需要6个根序列索引；
STEP3：这意味着可供根序列索引为0,6,12….834共139个可用根序列索引；
STEP4：根据可用根序列索引，在所有小区之间进行分派，以克制小区间干扰
随机接入过程

l UE侧随机接入流程
n 解析传播祈求，获得随机接入配置信息；
n 选择preamble序列
1)基于竞争随机接入：随机选择preamble
2)无竞争随机接入：由高层指定preamble
n 按照指定功率发送preamble
n 盲检用RA-RNTI标识PDCCH
--检测到，接受对应PDSCH并将信息上传；
--否则直接退出物理层随机接入过程，由高层逻辑决定后续操作；

l 竞争随机接入流程
n 合用于初始接入
p UE端通过在特定时频资源上，发送可以标识其身份preamble序列，进行上行同步
p 基站端在对应时频资源对preamble序列进行检测，完毕序列检测后，发送随机接入响应。
p UE端在发送preamble序列后，在后续一段时间内检测基站发送随机接入响应
p UE在检测到属于自己随机接入响应，该随机接入响应中包括UE进行上行传播资源调度信息
p 基站发送冲突处理响应，UE判断与否竞争成功

LTE物理层过程
---小区搜索
---随机接入
---寻呼