LTE空中接口物理層過程分析

1 概述

LTE（Long Term EvoluTIon,長期演進(jìn)）項目是3G的演進(jìn)，始于2004年3GPP的多倫多會議。LTE并非人們普遍誤解的4G技術(shù)，而是3G與4G技術(shù)之間的一個過渡，是3.9G的全球標(biāo)準(zhǔn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行326Mbit/s與上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。

圖1-1LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個系統(tǒng)由核心網(wǎng)絡(luò)（EPC）、無線網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）和用戶設(shè)備（UE）3部分組成，見上圖。其中EPC負(fù)責(zé)核心網(wǎng)部分；E-UTRAN（LTE）負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，由eNodeB節(jié)點組成；UE指用戶終端設(shè)備。系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式，并對傳統(tǒng)UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其中LTE僅包含eNodeB,不再有RNC;EPC也做了較大的簡化。這使得整個系統(tǒng)呈現(xiàn)扁平化特性。

系統(tǒng)的扁平化設(shè)計使得接口也得到簡化。其中eNodeB與EPC通過S1接口連接；eNodeB之間通過X2接口連接；eNodeB與UE 通過Uu接口連接。

2 物理層過程

本文重點討論LTE空中接口物理層的一些主要過程。

2.1 下行物理層過程

2.1.1 小區(qū)搜索過程

用戶體驗（UserExperience,簡稱UX或UE）是一種純主觀的在用戶使用一個產(chǎn)品（服務(wù)）的過程中建立起來的心理感受。因為它是純主觀的，就帶有一定的不確定因素。個體差異也決定了每個用戶的真實體驗是無法通過其他途徑來完全模擬或再現(xiàn)的。但是對于一個界定明確的用戶群體來講，其用戶體驗的共性是能夠經(jīng)由良好設(shè)計的實驗來認(rèn)識到。計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使技術(shù)創(chuàng)新形態(tài)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，以用戶為中心、以人為本越來越得到重視，用戶體驗也因此被稱做創(chuàng)新2.0模式的精髓。

UE使用小區(qū)搜索過程識別并獲得小區(qū)下行同步，從而可以讀取小區(qū)廣播信息。此過程在初始接入和切換中都會用到。

為了簡化小區(qū)搜索過程，同步信道總是占用可用頻譜的中間63個子載波。不論小區(qū)分配了多少帶寬，UE只需處理這63個子載波。

UE通過獲取三個物理信號完成小區(qū)搜索。這三個信號是P-SCH信號、S-SCH信號和下行參考信號（導(dǎo)頻）。

一個同步信道由一個P-SCH信號和一個S-SCH信號組成。同步信道每個幀發(fā)送兩次。

規(guī)范定義了3個P-SCH信號，使用長度為62的頻域Zadoff-Chu序列。每個P-SCH信號與物理層小區(qū)標(biāo)識組內(nèi)的一個物理層小區(qū)標(biāo)識對應(yīng)。S-SCH信號有168種組合，與168個物理層小區(qū)標(biāo)識組對應(yīng)。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號后UE可以確定當(dāng)前小區(qū)標(biāo)識。

下行參考信號用于更精確的時間同步和頻率同步。

完成小區(qū)搜索后UE可獲得時間/頻率同步，小區(qū)ID識別，CP長度檢測。

圖2.1.1-1小區(qū)搜索過程

2.1.2 下行功率控制

下行功率控制適用于數(shù)據(jù)信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。

eNode B 決定每個資源單元的下行發(fā)射功率。對于數(shù)據(jù)信道（PDSCH）方法如下：

對每個OFDM 符號，定義或= EPREPDSCH /EPRERS,

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （對所有 PDSCH 發(fā)送方式，除多用戶MIMO）

是由高層提供的UE特定參數(shù)，使用3個比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB.

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系統(tǒng)通過定義"RNTP（RelativeNarrowbandTX Power） "來支持可能進(jìn)行的下行功率協(xié)調(diào)，該消息通過X2接口在基站間交換。

定義了一個門限，由以比特圖的形式指示每個PRB將要使用的發(fā)射功率是否超過該門限。由下式確定：

其中：

- 指示比特圖

- 下行帶寬配置

-

- nPRB PRB 數(shù)目

- EA:不包含參考符號的OFDM符號中的數(shù)據(jù)子載波的發(fā)射功率

- EB:包含參考符號的OFDM符號中的數(shù)據(jù)子載波的發(fā)射功率

2.1.3 尋呼 – 物理層面

尋呼用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的呼叫建立過程。有效的尋呼過程可以允許UE在多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，只在預(yù)定時間醒來監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的尋呼信息。

在WCDMA中，UE在預(yù)定時刻監(jiān)聽物理層尋呼指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接收尋呼信息。因為尋呼指示信息時長比尋呼信息時長短得多，這種方法可以延長UE休眠的時間。

W-CDMA（寬帶碼分多址）是一個ITU（國際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)，它是從碼分多址（CDMA）演變來的，從官方看被認(rèn)為是IMT-2000的直接擴(kuò)展，與現(xiàn)在市場上通常提供的技術(shù)相比，它能夠為移動和手提無線設(shè)備提供更高的數(shù)據(jù)速率。WCDMA采用直接序列擴(kuò)頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps,載波帶寬為5MHz.基于Release99/Release4版本，可在5MHz的帶寬內(nèi)，提供最高384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。W-CDMA能夠支持移動/手提設(shè)備之間的語音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達(dá)2Mb/s（對于局域網(wǎng)而言）或者384Kb/s（對于寬帶網(wǎng)而言）。輸入信號先被數(shù)字化，然后在一個較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴(kuò)頻模式進(jìn)行傳輸。窄帶CDMA使用的是200KHz寬度的載頻，而W-CDMA使用的則是一個5MHz寬度的載頻。

在LTE中尋呼依靠PDCCH.UE依照特定的DRX周期在預(yù)定時刻監(jiān)聽PDCCH.因為PDCCH傳輸時間很短，引入PICH節(jié)省的能量很有限，所以LTE中沒有使用物理層尋呼指示信道。

如果在PDCCH上檢測到自己的尋呼組標(biāo)識，UE將解讀PDSCH并將解碼的數(shù)據(jù)通過尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。PCH傳輸塊中包含被尋呼的UE的標(biāo)識。未在PCH上找到自己標(biāo)識的UE 會丟棄這個信息并依照DRX周期進(jìn)入休眠。

2.2 上行物理層過程

2.2.1 隨機(jī)接入過程

層一的隨機(jī)接入過程包括隨機(jī)接入preamble的發(fā)送和隨機(jī)接入響應(yīng)。其余的消息不屬于層一的隨機(jī)接入過程。

2.2.1.1 物理非同步隨機(jī)接入過程

層一的隨機(jī)接入過程包括如下步驟：

高層的preamble發(fā)送請求觸發(fā)L1隨機(jī)接入過程；

隨機(jī)接入所需的preambleindex,目標(biāo)preamble 接收功率（PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER），相應(yīng)的 RA-RNTI 和 PRACH 資源作為請求的一部分由高層指示；

preamble發(fā)射功率PPRACH由下式計算：

PPRACH = min{ , PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER + PL} [dBm]

其中是配置的 UE 發(fā)射功率，PL 是UE估算的下行路徑損耗；

UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中隨機(jī)選擇一個 Preamble 序列；

UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 發(fā)送選擇的 Preamble 序列；

UE嘗試在高層定義的接受窗口內(nèi)使用RA-RNTI檢測 PDCCH.如果檢測到，相應(yīng)的 PDSCH 傳輸塊被傳輸?shù)礁邔?。高層解讀傳輸塊并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理層。

2.2.1.2隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許

高層使用20比特 UL-SCH grant指示物理層，這被稱為物理層隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許。20 比特 UL-SCH grant 的內(nèi)容包括：

-跳頻標(biāo)識– 1 bit

-固定尺寸RB指派– 10 bits

-截短的MCS– 4 bits

-PUSCH的TPC 命令 – 3 bits

-UL遲延 – 1 bit

-CQI請求 – 1 bit

2.2.2 CQI/PMI/RI的報告

UE用來報告CQI（ChannelQuality Indication）、PMI （Precoding Matrix Indicator）和 RI（Rank Indication）的時頻資源由eNB 控制。報告方式有周期性和非周期性兩種。UE可以使用PUCCH進(jìn)行周期性報告，使用PUSCH進(jìn)行非周期性報告。

信道質(zhì)量指示符（CQI）是無線信道的通信質(zhì)量的測量標(biāo)準(zhǔn)。CQI能夠是代表一個給定信道的信道測量標(biāo)準(zhǔn)所謂一個值（或多個值）。通常，一個高值的CQI表示一個信道有高的質(zhì)量，反之亦然。對一個信道的CQI能夠通過使用性能指標(biāo)，例如，信噪比（SNR），信號與干擾加噪聲比（SINR），信號與噪聲失真比（SNDR），等信道的性能被計算。這些值和其它的能夠針對一個給定的信道測量和然后用來計算信道的CQI.一個給定信道的CQI能夠依賴于被通信系統(tǒng)使用的傳輸（調(diào)制）方案。例如，一個使用碼分多址（CDMA）的通信系統(tǒng)能夠利用一個不同的CQI而不是一個使用正交頻分復(fù)用（OFDM）通信系統(tǒng)。在更多復(fù)雜的通信系統(tǒng)中，例如，那些使用多輸入多輸出（MIMO）和空間時間代碼的系統(tǒng)，CQI的使用也依賴于接收器的類型。其它能夠考慮CQI的因素是性能損傷。例如，多普勒轉(zhuǎn)換、信道預(yù)算錯誤、干擾等等。

CQI或PMI的最小計算和反饋單位為subband（約為2~8個RB,若系統(tǒng)帶寬小于8個RB,不定義Subband），見表2.2.2-1.

表2.2.2-1:Subband尺寸 (k) vs.系統(tǒng)帶寬 （on PUSCH）

CQI的計算與報告分為widebandCQI、UEselected（subbandCQI）和High layer configured（subband CQI）三種?；靖鶕?jù)終端反饋的CQI 和預(yù)測算法，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗CS,見表2.2.2.-2.

對于空間復(fù)用，UE需要確定一個RI值，對應(yīng)有效的傳輸層數(shù)。對于發(fā)射分集，RI等于一。

表2.2.2-2:4-bitCQI Table

2.2.3 上行功率控制

上行功率控制用來控制不同上行物理信道的發(fā)射功率。這些物理信道包括物理上行共享信道（PUSCH）、物理上行控制信道（PUCCH）和Sounding參考符號。

2.2.3.1物理上行共享信道

物理上行共享信道PUSCH在子幀i的發(fā)送功率由下式確定：

[dBm]

其中：

- 是配置的UE發(fā)射功率；

- 表示PUSCH 在子幀 i的帶寬，即RB的數(shù)目；

2.2.3.3Sounding參考符號

Sounding參考符號在子幀i的發(fā)射功率由下式確定：

[dBm]

其中，

2.2.4 UE PUSCH跳頻

如果PDCCH（DCI格式0）中的FH域設(shè)置為1,UE 會進(jìn)行PUSCH跳頻。

PUSCH跳頻意味著一個子幀中的兩個時隙上行傳輸所用的物理資源不占用相同的頻段。

進(jìn)行PUSCH跳頻的UE需要確定它的子幀的第一個時隙的PUSCH資源分配，其中包含PRB索引號。

- 當(dāng)上行PUSCH hopping關(guān)閉，或者通過UL grant實現(xiàn)hopping時，PUSCH PRB索引號等于UL grant中分配的索引號；

- 當(dāng)上行hooping開啟時，PUSCH PRB索引號由UL grant中分配的索引號和一個預(yù)定義的、與cell ID相關(guān)的hopping pattern來共同決定。

2.3 Semi-Persistent調(diào)度

LTE中的動態(tài)調(diào)度提供了很大的靈活性但同時也產(chǎn)生了較高的信令負(fù)荷。對于較規(guī)則的低速業(yè)務(wù)，這種信令開銷尤為明顯。為了降低此類業(yè)務(wù)的信令負(fù)荷，3GPP定義了一個新的概念：semi-persistent調(diào)度。這種調(diào)度概念的思想是對于較規(guī)則的低速業(yè)務(wù)（例如VoIP），對較長時間內(nèi)的資源使用進(jìn)行分配，而無需每次傳輸時都進(jìn)行動態(tài)分配，以節(jié)省信令開銷。所有HARQ重傳使用動態(tài)調(diào)度。圖2.3-1顯示了semi-persistent 調(diào)度的概念和HARQ 重傳。

圖2.3?1.Semi-persistent調(diào)度

下行方向規(guī)范允許基于盲檢測的semi-persistent調(diào)度，即事先預(yù)配置少數(shù)幾種格式（編碼、調(diào)制和物理資源的組合），在配置的子幀中可以使用任何預(yù)配置的格式。UE需要進(jìn)行盲檢測來確定子幀中使用的是哪一個預(yù)配置的格式。但上行方向規(guī)范只允許一個格式，即不允許盲檢測。