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1、LTE/LTE-Advanced 物理层本章目标目标一：建立图示的围绕物理层L1的无线接口协议的架构。目标二：了解物理层向高层提供的服务。 物理层向高层提供数据传输服务。从高层看，对服务的访问就是始终通 过MAC子层并利用传输信道。为了提供数据传输服务，物理层具备如下 功能： 传输信道的错误发现，并通知高层； 传输信道的译码/解码；传输信道到物理信道的速率匹配； 传输信道到物理信道的映射； 物理信道的功率开销； 物理信道的调制/解调； 频域/时域的同步；无线特性的测量，并通知高层； MIMO天线处理；差异化传输； 波束成形； RF处理等。目录1. 物理层基础 2. 帧结构 3. 下行链路的物理
2、设计 4. 上行链路的物理设计 5. 物理信道的分工 6. 传输信道 7. 物理层模型 8. 调度1.物理层基础1. 数据通信的理论基础 2. 物理层的功能和作用 3. ARQ和HARQ4. 载波聚合1.1数据通信的理论基础 傅里叶分析 有限带宽的信号 信道的最大数据传输率1.2物理层的功能和作用1.3 ARQ和HARQ ARQ的实现 HARQ的分类在数字通信领域，控制通信的错误基本有两个主要技术： 自动重传（Automatic Repeat reQuest， ARQ）技术； 前向纠错（Forward Error Correction，FEC）技术。ARQ和FEC相结合的方案，即HARQ（Hy
3、brid ARQ）。 ：ARQ的实现(1)ARQ-SAW（stop-and-wait）停止等待ARQ l 发送端给接收方发送数据包，然后等待接收端回复ACK并开始计时；l 在等待过程中，发送端停止发送新的数据包； l 当数据包没能成功被接收端接收时，接收端不会发送ACK，这样发送 端在等待一定时间后，重新发送数据包； l 反复以上步骤直到收到从接收端发送的ACK。特点：所需系统开销非常小；对UE内存要求比较低；信道利用率低；(2)连续ARQ（Continuous ARQ） 选择性重复ARQ-SR（selective repeat）： 连续ARQ会连续发送一组数据包，然后再等待这些数据包的 AC
4、K。当一定时间内没有收到某个数据包的ACK时，发送端只 重新发送没有ACK的数据包。基于窗口的ARQ-SR是一种被许 多系统所采用的方法。并行HARQ-N-SAW： 在一个信道上同时并列进行N各SAW，当下行链路被某个 SAW用于传输数据块时，上行链路被用于传输其他SAW的确 认信息，这样系统资源被充分利用，但这需要接收端必须能 够存储N个传输块的信息。：HARQ的分类根据HARQ中前向纠错编码在接收端合并的方式，HARQ可分为3类： (1) 型HARQ 在3GPP的R99规范中采用的ARQ方案被称作型HARQ。数据被加以CRC 并用FEC编码。在接收端采用FEC解码并用CRC监测分组质量。如
5、果分组有 错，就进行重传，而错误的分组被丢弃，重传分组采用与前一次相同的 编码。故每次重传被正确解码的概率相同且比较低。 (2) 型HARQ此方法属于递增冗余（incremental redundancy）的ARQ方案。在首次传 输数据块时没有或带有较少的冗余。如果传输失败，将开始重传。重传 的数据块不是首次所传数据块的复制，而是增加了其中的冗余部分。在 接收端将两次收到的数据块进行合并，编码速率会有所降低，但是提高 了编码增益。 (3) 型HARQ也属于增量冗余(IR)方案，它与型HARQ不同的是重传码字具有自解码 能力，因此接收端可以直接从重传码字中解码恢复数据，也可以将出错 重传码字与已
6、有缓存的码字进行合并后解码。型HARQ 方案的一个示例1.4 载波聚合2.帧结构1. 一型帧结构（FDD） 2. 二型帧结构（TDD）LTE公布了两种EUTRA帧结构：一型帧结构；二型帧结构。 一型帧结构用在FDD模式下，二型帧结构用在TDD模式下。2.1 一型帧结构(FDD模式下)一个10ms的无线帧（Radio Frame）被等分成10个子帧（Sub- frame）。每个子帧由两个时隙（Slot）组成，每个时隙的长 度为0.5ms。每个子帧Sub-frame可以作为上行子帧或者下行 子帧来传输。 另外，在每一个无线帧的第1和第6时隙处包含同步周期。2.2 二型帧结构设置特殊子帧的目的是起同
7、步和保护作用。 GP 是考虑到，上行和下行转换时延、信号的处理和传输等的时延，以及 上下行之间的干扰，需要设置一定的时间保护间隔，完成上下行的顺利 转换。根据TDD结构特点，可以就子帧的上行和下行进行灵活配 置。二型帧的结构支持7种不同的配置方法。有3种10ms切换 周期和4种5ms切换周期。3.下行链路的物理设计 1. 下行链路的时隙结构和物理资源划分 2. 下行物理信道的一般结构 3. 基于OFDM的基本下行传输方案4. 下行链路物理层的处理机制 5. 下行链路的控制信道 6. 下行链路的参考信号 7. 下行链路的多天线传输 8. 物理层的过程3.1下行链路的时隙结构和物理资源划分资源网格
8、下行链路定义的物理信道包括： 物理广播信道（Physical Broadcast Channel, PBCH） 物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH） 物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH ） 物理HARQ指示信道（Physical HARQ Indicator Channel，PHICH） 物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH ） 物理多播信道（Physical Multicast Channe
9、l，PMCH） 物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH） 物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH） 物理随机访问信道（Physical random access channel，PRACH）3.2 下行物理信道的一般结构物理信道的一般结构如图所示：3.3 基于OFDM的基本下行传输方案3.4 下行链路物理层的处理机制 CRC插入：24位CRC是PDSCH的基线； 信道编码：基于QPP的Turbo编码； 物理层的混合ARQ（Hybrid-ARQ）处理机制； 信道交叉机制； 动态组合；在DL
10、-SCH、BCH和PCH中，传输信道特 指的动态组合，在特殊的MBSFN传输时，公共 MCH的动态组合； 调制：QPSK、16QAM和64QAM； 层的映射和预编码； 映射到指定的资源和天线端口。3.5 下行链路的控制信道下行控制信令是位于开始的n个OFDM符号（n4），组成如 下述： 传输格式、与DL-SCH和PCH相关的资源配置信息，以及与 DL-SCH相关的HARQ信息； 与UL-SCH相关的传输格式、资源配置、HARQ信息、 响应上行传输的ACK/NAK信息。3.6 下行链路的参考信号3.7 下行链路的多天线传输LTE-Advanced系统设计成可以适应宏小区、微小区、热点等 各种环境
11、的MIMO技术。基本MIMO模型是下行22、上行12 个天线，同时也设计更多天线配置（最多88）。LTE-A目前支持两种空分复用（SDM）模式： SU-MIMO，MU-MIMO。LTE的下行发送过程：1. 对于来自上层的数据，进行信道编码，形成码字； 2. 对不同的码字进行调制，产生调制符号； 3. 对于不同码字的调制信号组合一起进行层映射； 4. 对于映射层之后的数据进行预编码，映射到天线端口上 发送。3.8物理层的过程示例1. 链路自适应 2. 功率控制 3. 小区搜索 4. 随机接入4.上行链路的物理设计1. 上行链路的时隙结构和物理资源划分 2. 上行链路的基本传输方案 3. 上行链路
12、物理层的处理机制 4. 上行链路控制信道 5. 上行链路参考信号 6. 随机接入前导 7. 上行链路多天线传输 8. 物理信道的过程4.1 上行链路的时隙结构和物理资源划分上行链路需要定义的物理信道包括： 物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel， PUCCH） 物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel， PUSCH） 物理混合自动请求重传指示信道（Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，PHICH） 物理随机访问信道（Physical random access channel，
13、 PRACH）4.2上行链路的基本传输方案4.3上行链路物理层的处理机制传输信道上行物理层的处理机制，包括以下措施： CRC插入：24位CRC是PUSCH的一个基线； 信道编码：含有Trellis技术，并且基于QPP内部交叉的 Turbo编码； 物理层HARQ处理； 加扰：UE加扰； 调制：QPSK、16QAM和64QAM（在UE侧是可选）； 映射到指定的资源和天线口。4.4上行链路控制信道在上行链路，PUCCH（物理上行控制信道）被映射到控制信道资源上 去。当跨越时隙之间的边界时，做到时间上的连续。 在有上行定时同步和无上行定时同步两种情况下，上行物理控制信令能 够进行不同的处理。当有上行定
14、时同步时，带外控制信令（Outband Control Signalling）组成如下： CQI（Channel Quality Indication 信道质量指示）； ACK/NCK； 调度请求（Scheduling Request，SR）。 CQI从UE的角度来告知调度器目前信道的质量。如果使用MIMO传输技术 ，CQI还要包括与MIMO有关的反馈信息。在每一个HARQ过程中，与下行数据传输有关的HARQ反馈由单一ACK/NAK 位组成。 为了支撑SR和CQI报告，通过RRC信令实现PUCCH资源的配置/取消。 物理层支持PUCCH和PUSCH同步传输。4.5上行链路参考信号上行参考信号的
15、作用至少包括上行信道的测量和估计，供eNodeB对信道 估计和信道质量（CQI）估计。4.6随机接入前导在没有传输内容期间，物理层随机接入信号由一个循环前缀、 一个前导符和一个保护时间组成。前导符主要用于上行时钟对 齐和UE识别符的检测。4.7上行链路多天线传输LTE系统设计成可以适应宏小区、微小区、热点等各种环境 的MIMO技术。MIMO模型支持SU-MIMO和MU-MIMO多天线 配置（最多88），从而提高上行系统的容量。物理层支持 一些控制格式的传输多样性。4.8 物理信道的过程1：链路自适应 根据信道的具体环境、UE的能力（最大传输功率、最大传输带宽等）、所 需QoS（速率、延迟、包错
16、误率等）有三种类型的链路自适应，分别是：自适应的传输宽度； 传输功率控制； 自适应的调制和信道编码速率。2：上行链路的时间控制 除了考虑基本的UE和eNodeB之间的同步外，基于OFDM/FDMA的LTE系统 还需要考虑两种特殊的同步： 一种是：上行同步（又称时间同步） 二种是：eNodeB之间的同步5.物理信道的分工E-UTRA物理信道包括：下行： 物理广播信道 PBCH 物理控制格式指示信道PCFICH 物理下行控制信道PDCCH 物理HARQ指示信道PHICH 物理下行共享信道PDSCH 物理多播信道PMCH上行： 物理上行控制信道PUCCH 物理上行共享信道PUSCH 物理随机接入信道PRACH6.传输信道物理层提供到MAC或者更高层的信息传输服务，传 输信道是物理层和MAC子层之间的SAP。传输信道名称缩写下行上行广播信道（Broadcast Channel）B
