LTE空中接口物理層過程解析

1 概述

LTE是3GPP在2005年啟動的新一代無線系統研究項目。LTE采用了基于OFDM技術的空中接口設計，目標是構建出高速率、低時延、分組優(yōu)化的無線接入系統，提供更高的數據速率和頻譜利用率。



圖1-1LTE系統網絡架構

整個系統由核心網絡（EPC）、無線網絡（E-UTRAN）和用戶設備（UE）3部分組成，見上圖。其中EPC負責核心網部分；E-UTRAN（LTE）負責接入網部分，由eNodeB節(jié)點組成；UE指用戶終端設備。系統支持FDD和TDD兩種雙工方式，并對傳統UMTS網絡架構進行了優(yōu)化，其中LTE僅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了較大的簡化。這使得整個系統呈現扁平化特性。

系統的扁平化設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

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)標識組內的一個物理層小區(qū)標識對應。S-SCH信號有168種組合，與168個物理層小區(qū)標識組對應。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號后UE可以確定當前小區(qū)標識。

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據信道（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。對于數據信道（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，使用3個比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB。

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系統通過定義“RNTP(RelativeNarrowbandTX Power) ”來支持可能進行的下行功率協調，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 數目

- EA：不包含參考符號的OFDM符號中的數據子載波的發(fā)射功率

- EB：包含參考符號的OFDM符號中的數據子載波的發(fā)射功率

2.1.3 尋呼 – 物理層面

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

在WCDMA中，UE在預定時刻監(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。

在LTE中尋呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在預定時刻監(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識，UE將解讀PDSCH并將解碼的數據通過尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。PCH傳輸塊中包含被尋呼的UE的標識。未在PCH上找到自己標識的UE 會丟棄這個信息并依照DRX周期進入休眠。
2.2 上行物理層過程

2.2.1 隨機接入過程

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

2.2.1.1 物理非同步隨機接入過程

層一的隨機接入過程包括如下步驟：

高層的preamble發(fā)送請求觸發(fā)L1隨機接入過程；

隨機接入所需的preambleindex，目標preamble 接收功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)，相應的 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使用RA-RNTI檢測 PDCCH。如果檢測到，相應的 PDSCH 傳輸塊被傳輸到高層。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隨機接入響應準許

高層使用20比特 UL-SCH grant指示物理層，這被稱為物理層隨機接入響應準許。20 比特 UL-SCH grant 的內容包括：

-跳頻標識– 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進行周期性報告，使用PUSCH進行非周期性報告。

CQI或PMI的最小計算和反饋單位為subband（約為2～8個RB，若系統帶寬小于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K端反饋的CQI 和預測算法，選擇數據傳輸的MCS，見表2.2.2.-2。

對于空間復用，UE需要確定一個RI值，對應有效的傳輸層數。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域設置為1，UE 會進行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。

- 當上行PUSCH hopping關閉，或者通過UL grant實現hopping時，PUSCH PRB索引號等于UL grant中分配的索引號；

- 當上行hooping開啟時，PUSCH PRB索引號由UL grant中分配的索引號和一個預定義的、與cell ID相關的hopping pattern來共同決定。

2.3 Semi-Persistent調度

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



圖2.3?1.Semi-persistent調度

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