LTE基本原理物理層

1、通信基礎通信基礎通信的目的：傳遞消息中所包含的信息度量信息量的方法 事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述： 消息出現(xiàn)的概率越小，則消息中包含的信息量就越大。設：P(x) 消息發(fā)生的概率，I 消息中所含的信息量，則P(x) 和I之間應該有如下關系：I是P(x) 的函數：IIP(x)P(x) ，I ；P(x) ，I；P(x) = 1 時，I 0；P(x) = 0 時，I ；因此滿足條件的? ?（?）若若a a= = 2 2，信息量的單位稱為比特，信息量的單位稱為比特(bit)(bit) ，對于，對于 64QAM64QAM 就相當于是就相當于是 6464 進制調制進制調制，000000-1111

2、11000000-111111 等概出現(xiàn)等概出現(xiàn), ,均為均為 1/641/64? ? ? ?bitbitLTE 系統(tǒng)模型圖系統(tǒng)模型圖1 1：串并轉換：串并轉換：將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，設 N 為載波數，并行碼元速率降低為串行碼元速率的 1/N，好處：可以有效地對抗多徑干擾可以有效地對抗多徑干擾發(fā)送信號經過兩條路徑到達接收端，路徑二碼元 1 對路徑一碼元 2 的干擾，就是碼間干擾。OFDM 擴大碼元周期的好處：碼元雖然被干擾，但是距離抽樣時刻還有一段時間，因此造成的碼間干擾將會減小很多。2 2：QPSKQPSK 調制：調制：說 QPSK 調制前先說什么叫正交調制正交調制先說調制

3、過程：我們在I和Q路分別輸入a數據和 b數據， a數據與cos? 相乘， b數據與 sin?相乘，輸出信號 s(t)=a cos?-b sin?。解調過程：接收端分為兩路，一路乘以 cos? 再積分就得到數據 a，另一路乘以 sin?得到數據 b。正交調制滿足的條件正交調制滿足的條件：1，正弦波和余弦波的乘積在一個基波周期內的積分等于 0。即：2，自身乘積的積分在一個基波周期內的積分大于 0OFDM 正是利用了QPSK 調制：用四個相位分別表示 00、01、11、10比如輸入 00，s t ?cos? ?sin? cos（? t?）輸入 01，s t ?cos? ?sin? cos（? t?）

4、前面說到增加碼元周期可以減小碼間串擾，但不能從根本上解決問題，這里就說到為什么要插入含循環(huán)前綴的保護間隔了。這里就說到為什么要插入含循環(huán)前綴的保護間隔了。保護間隔大于最大多徑時延大于最大多徑時延即可實現(xiàn)無碼間串擾。但是卻帶來的問題是破壞了正交性破壞了正交性：之前正交的波形：可以看出來在一個周期內積分為 0 0插入保護間隔后，解決了碼間干擾插入保護間隔后，解決了碼間干擾 ISIISI，帶來了載頻干擾，帶來了載頻干擾 ICIICI：明顯看到周期內積分不為明顯看到周期內積分不為 0 0。解決方法：加循環(huán)前綴：可以明顯的看到加了循環(huán)前綴后，解決了載頻干擾載頻干擾 ICIICI最后我們把加完含循環(huán)前綴的

5、保護間隔的 OFDM 碼串到一起通過載波調制，搬移到高頻發(fā)射出去LTE 測試中主要關注測試中主要關注1. PCIPCI（物理小區(qū)標識） 、2. RSRPRSRP（Reference Signal Receiving Power 參考信號接收功率）RSSIRSSI（Received Signal Strength Indicator，指的是 UE 接收到的信號總功率，包括有用信號、干擾和底噪）RSRQRSRQ（Reference Signal Receiving Quality 參考信號的接收質量）N 為 RSSI 測量帶寬的 RB 個數3. PUSCHPUSCH PowerPower（UE 的

6、發(fā)射功率） 、PrachPrach PowerPower、PUCCHPUCCH PowerPower4. SINRSINR(S/(I+N)，信噪比)、5. TransmissionTransmission ModeMode(傳輸模式） 、6. ULUL Throughput,Throughput, DLDL ThroughputThroughput(上下行吞吐率)、7. RankRank IndicatorIndicator（簡稱 RI ，Rank 指示，表示秩） 、8. RxChCorFactorRxChCorFactor（天線相關性） 、9. PUCCHPUCCH ULUL GrantGr

7、ant CountCount，PDCCHPDCCH DLDL GrantGrant CountCount（上下行子幀調度數上下行子幀調度數）PUSCHPUSCH RBRB NumberNumber ,PDSCH,PDSCH RBRB NumberNumber(上下行共享信道 RB 調度數)10. EARFCNEARFCN（頻點）11. 掉線率、連接成功率、切換成功率掉線率、連接成功率、切換成功率物理層物理層1.1物理層概述物理層概述物理層位于最底層，它直接面向實際承擔物理層位于最底層，它直接面向實際承擔數據傳輸數據傳輸的的物理媒體物理媒體。1.1.1物理層時域構成物理層時域構成幀幀： （時域）

8、數據在網絡中傳輸的單位，幀由幾部分組成，不同的部分執(zhí)行不同的功能FDD 幀結構：在不同的頻段劃分上下行。一個長度為 10ms 的無線幀由 10 個長度為 1ms 的子幀構成；每個子幀由兩個長度為 0.5ms 的時隙構成；FDD 中所有子幀全部做下行，或者全部做上行。TDD幀結構：在時間上劃分上下行。一個長度為 10ms 的無線幀由 2 個長度為 5ms 的半幀構成每個半幀由 5 個長度為 1ms 的子幀構成常規(guī)子幀：1ms，由兩個長度為 0.5ms 的時隙構成，常規(guī)常規(guī) CPCP 每個時隙每個時隙由由 7 7 個個 OFDMOFDM 符號組成（擴展符號組成（擴展 6 6 個）個）特殊子幀：1m

9、s，由 DwPTS、GP 以及 UpPTS 構成支持 5ms 和 10ms DLUL 切換點周期特殊時隙功能：DwPTSDwPTS：最多12個symbol，最少3個symbol，DwPTSDwPTS? ?可用于傳送下行數據和信令可用于傳送下行數據和信令UpPTSUpPTS:UpPTS上不發(fā)任何控制信令或數據，UpPTSUpPTS長度為長度為2 2個或個或1 1個個symbol,2symbol,2個符個符號時用于短號時用于短RACHRACH或或SoundingSounding RS,1RS,1個符號時只用于個符號時只用于soundingsoundingGPGP:a) 保證距離天線遠近不同的UE的

10、上行信號在eNB的天線空口對齊b) 提供上下行轉化時間（eNB的上行到下行的轉換時間，約20us）c) GPGP大小決定了支持小區(qū)半徑的大小大小決定了支持小區(qū)半徑的大小，LTE TDD最大可以支持100km假設X為覆蓋半徑，GP長度為9個OFDM符號，不考慮上下行轉換時間?X C GP X C GP? ? ? ?d) 避免相鄰基站間上下行干擾下面來看一下TDD中的上下行子幀配比上下行子幀配比(7(7種種) )和特殊子幀配比（特殊子幀配比（9 9種）種）測試中 PUCCHPUCCH ULUL GrantGrant CountCount，PDCCHPDCCH DLDL GrantGrant Cou

11、ntCount（上下行子幀調度數）即是根據上圖配比算的。1，無錫現(xiàn)網 F 頻段采用 2:5 配比（上下行配比為 2，特殊子幀配比為 5）由上圖上下行配比 2 可以看出一個無線幀 10ms 用作上行子幀（U）有 2 個，用作下行子幀 （D） 有 6 個； 再由上圖特殊子幀配比 5， DwPTS=3， 不滿足條件不滿足條件 DwPTSDwPTS? ?可用于傳送下行數據和信令可用于傳送下行數據和信令，因此特殊子幀不用做下行數據傳輸。擴大到 1s 的時間，有 100 個無線幀，因此可得時域上每秒的調度數：P PD DCCHCCH ULUL GrantGrant CountCount 為為 200200

12、，PDCCHPDCCH DLDL GrantGrant CountCount 為為 600,600,2， 若是采用2:6配比， 上下行配比不變， 特殊子幀中DwPTS=9,滿足條滿足條件件DwPTSDwPTS? ?可用于傳送下行數據和信令可用于傳送下行數據和信令，特殊子幀特殊子幀 S S 可看做是下行子幀可看做是下行子幀 D D，因此可得時域上每秒的調度數：P PD DCCHCCH ULUL GrantGrant CountCount 為為 200200，PDCCHPDCCH DLDL GrantGrant CountCount 為為 800,800,3，類比 2:7，可得時域上下行調度為 2

13、00 和 8004，常用的配比為 1：5；1:6；1:7；2:5；2:6；2:7。上下行調度自行計算熟記。TDD上下行子幀、特殊時隙、常用配比.xlsx1.1.2物理層頻域構成物理層頻域構成LTELTE 支持的信道帶寬（支持的信道帶寬（ChannelChannel BandwidthBandwidth）1.4MHz，3.0MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz現(xiàn)網系統(tǒng)帶寬用的是 20MHz20MHz，其中 18MHz18MHz 用于用于數據傳輸數據傳輸， 2MHz2MHz 是保護帶寬是保護帶寬， 用作鄰頻干擾保護帶寬和濾波滾降系統(tǒng)。 資源單元資源單元 (RE)(RE)物理層資源的

14、最小粒子時域：1 個 OFDM 符號，頻域：1 個子載波 資源塊資源塊 (RB)(RB)最小資源調度單位時域為一個時隙（0.5ms） ，頻域上連續(xù)的寬度為 180kHz（12 個子載波）的物理資源稱為一個資源塊 TTITTI發(fā)送時間間隔，時域=1ms，2 時隙，即 LTE 調度周期為 1ms CCECCE（ControlControl ChannelChannel ElementElement）控制信道資源單位，1CCE=9REGs=36REs REGREG（RERE groupgroup）=4RE RBGRBG（RBRB groupgroup）在 20MHz 系統(tǒng)帶寬配置下，1RBG=4RB

15、18MHz18MHz 傳輸帶寬中傳輸帶寬中 RBRB 個數的計算：個數的計算：1個RB頻域上占用12個子載波， 每個子載波占15kHz， 因此一個RB=12*15=180kHz因此 18MHz 傳輸帶寬中共有?MHz?kHz ? 個個 RBRB如下圖便是每個時隙調度的 RB=98，時隙=0.5ms，對應 1s 下行下行的數據信道 RB 調度數就是 2PDCCH DL Grant CountPDSCH RB Number16w（1s 下行子幀 800個，每個子幀 2 個時隙） ，但是 Probe 軟件統(tǒng)計對應子幀單時隙，只有一半。由 LTE 時頻結構我們就可以算出來 TDD-LTE 峰值速率峰值

16、速率：以 F 頻段 2:5 配比，64QAM 調制，雙流為例：1s=600下行子幀，一個子幀=2個時隙=14個 OFDM 符號，64QAM 調制Rb log?bit符號，18MHz 傳輸帶寬共有1200子載波，考慮開銷25%下行吞吐率下行吞吐率 ? ? ? ? ? ? ?1.2物理信道物理信道物理信道（physical channel） ：在通信系統(tǒng)中，由物理實體構成的信道在通信系統(tǒng)中，由物理實體構成的信道1.2.1下行物理信道及其功能下行物理信道及其功能物理下行控制信道物理下行控制信道(PDCCH）用于指示 PDSCH 相關的傳輸格式，資源分配，HARQ 信息等物理下行共享信道物理下行共享信

17、道(PDSCH)傳輸下行數據和信令物理廣播信道物理廣播信道(PBCH)傳遞 UE 接入系統(tǒng)所必需的系統(tǒng)信息，如帶寬，天線數目等物理控制格式指示信道物理控制格式指示信道(PCFICH)一個子幀中用于 PDCCH 的 OFDM 符號數目物理物理 HARQ 指示信道指示信道(PHICH)用于 NodB 向 UE 反饋和 PUSCH 相關的 ACK/NACK 信息物理多播信道物理多播信道(PMCH)傳遞 MBMS 相關的數據1.2.2上行物理信道及其功能上行物理信道及其功能物理上行控制信道物理上行控制信道(PUCCH)當沒有 PUSCH 時，UE 用 PUCCH 發(fā)送 ACK/NAK，CQI，調度請求

18、(SR，RI) 信息。當有 PUSCH 時，在 PUSCH 上發(fā)送這些信息物理上行共享信道物理上行共享信道(PUSCH)承載上行數據物理隨機接入信道物理隨機接入信道 (PRACH)用于隨機接入，發(fā)送隨機接入需要的信息，preamble 等, PRACH 共有 5 種結構（04） ，目前支持 Format 0,1&4。LTE 隨機接入的作用是實現(xiàn) UE 和網絡的同步,解決沖突,分配資源(RNTI)和上行通信資源的分配，分為競爭隨機接入競爭隨機接入和非競爭隨機接入非競爭隨機接入。無線網絡臨時標識（無線網絡臨時標識（RNTI Radio Network Tempory Identity）競爭

19、隨機接入：競爭隨機接入：1，UE 端通過在特定的時頻資源上，發(fā)送可以標識其身份的 preamble 序列，進行上行同步2,基站端在對應的時頻資源對 preamble 序列進行檢測，完成序列檢測后，發(fā)送隨機接入響應。3，UE 進行上行傳輸的資源調度信息，并發(fā)出 RRC 連接請求。4，eNB 確認收到請求并返回該 UE 的IMSI(TMSI)以解決競爭問題，并發(fā)出 RRC建立。TMSI(TemporaryMobileSubscriberIdentity)臨時識別碼國際移動用戶識別碼（IMSI） internationalmobilesubscriberidentity觸發(fā)競爭隨機接入的事件觸發(fā)競爭

20、隨機接入的事件：初始開機接入（只能競爭初始開機接入（只能競爭） ；重建立（只能競爭重建立（只能競爭） ；切換（兩者均可，大多數是非競爭） ；下行數據到達（兩者均可） ；上行數據到達（只能競爭上行數據到達（只能競爭） 。非競爭隨機接入：非競爭隨機接入：1，基站根據此時的業(yè)務需求，給 UE分配一個特定的 preamble 序列。 （該序列不是基站在廣播信息中廣播的隨機接入序列組）2，UE 接收到信令指示后，在特定的時頻資源發(fā)送指定的 preamble 序列。3，基站接收到隨機接入 preamble 序列后，發(fā)送隨機接入響應。進行后續(xù)的信令交互和數據傳輸。觸發(fā)非競爭隨機接入的事件：觸發(fā)非競爭隨機接入

21、的事件：切換；下行數據到達；UEUE 定位（只能非競爭定位（只能非競爭） 。如下是用 CDSCDS 路測的時候的事件列表，不同的事件對應不同的隨機接入方式。（Msgmessage）分配1.3物理信號物理信號1.3.1下行物理信號下行物理信號1 1， 同步信號PSS：主同步信號SSS：輔同步信號確定唯一的物理小區(qū)標識 PCI， 信道校準， 估計LTE 是用 PCIPCI（Physical Cell ID）來區(qū)分小區(qū)，LTE 共有 504504 個 PCI：U UE E 開機后要進行小區(qū)選擇和隨機接入開機后要進行小區(qū)選擇和隨機接入， U UE E 通過獲取三個物理信號完成小區(qū)搜索通過獲取三個物理信

22、號完成小區(qū)搜索。這三個信號是這三個信號是 P PSSSS 信號、信號、S SSSSS 信號和下行參考信號（導頻）信號和下行參考信號（導頻）一個同步信道由一個 PSS 和一個 SSS 組成。PSS 信號有 3 種組合（02） ，與物理層小區(qū)標識組內的一個物理層小區(qū)標識物理層小區(qū)標識對應。SSS 信號有 168 種組合（0167） ，與 168 個物理層小區(qū)標識組物理層小區(qū)標識組對應。因此由下圖可知 PCI 的范圍為 0167*3+2 即0503 共 504504 個。 小區(qū)初搜基本流程 1）通過 PSS 獲得 5ms 定時，并通過序列相關得到小區(qū) ID 號 N_ID(2) 2）通過 SSS 獲得

23、 10ms 定時，并通過序列相關得到小區(qū) ID 組號 N_ID(1) 3）按照以上兩步的結果經過計算得到 CELL_ID=3* N_ID(1)+ N_ID(2) 4）在固定的時頻位置上接收并解碼 PBCH，得到 MIB（主信息塊） 5）在下行子幀使用 PCFICH 指示 PDCCH 格式，PDCCH 指示 PDSCH 調度 SIB（系統(tǒng)信息塊）2 2， 下行參考信號小區(qū)專用參考信號 CRSMBSFN 參考信號 MBSFN RS終端專用參考信號 DRS下行信道質量測量下行信道估計和解調CRSCRS 分布如下所示：PCIPCI 模三干擾模三干擾：把 2 個天線端口 CRS合在一起就能夠看出來 mo

24、d3 干擾的原因了：在每個 RB 上 CRS 在頻域上只有 3個位置可以選擇，位置與 PSS 攜帶的小區(qū)標識（02）有關，PCI=3*SSS+PSS,PCImod3=PSS。由于 CRS是用于小區(qū)信道估計，如果在同一時間在同一個頻率位置出現(xiàn) 2 個或以上的CRS 信號，則他們之間將互相干擾。RSRP=CRSRSRP=CRS RSRPRSRP 參考信號的接收功率，是在某個 Symbol 內承載參考信號的所有 RE 上接收到的信號功率的平均值；RSSIRSSI（Received Signal Strength Indicator）則是在這個 Symbol 內接收到的所有信號所有信號（包括導頻信號和

25、數據信號，鄰區(qū)干擾信號，噪音信號等）功率的平均值。RSRQRSRQ(Reference Signal Receiving Quality)則是 RSRP 和 RSSI 的比值，當然因為兩者測量所基于的帶寬可能不同，會用一個系數來調整，也就是 RSRQ =?RBDLRSRP/RSSI，以下為例：RSRQ ?lg?7?5?75 ?log? t ?log?7? ?log?5?75 ?log? t 7? 5?75? ?log? t ? ? ?dB下面說一下導頻功率設置：下面說一下導頻功率設置：對于對于 RSRS 功率的配置，為了保證上下鏈路平衡，基站的發(fā)射功率能夠用完，功率的配置，為了保證上下鏈路平衡

26、，基站的發(fā)射功率能夠用完，所以所以 TypeATypeA 和和 TypeBTypeB 符號上的功率盡量相等。系統(tǒng)定義了如下參數以達到這個符號上的功率盡量相等。系統(tǒng)定義了如下參數以達到這個要求：要求：符號含義Type A 符號無 RS 的 OFDM 符號Type B 符號有 RS 的 OFDM 符號a無 RS 的符號上的 PDSCH 的 RE 功率與 RS 功率的比值b有 RS 的符號上的 PDSCH 的 RE 功率與 RS 功率的比值PA當非 4 天線分集時，aPA；當 4 天線分集時，a=PA+10lg2PBb/a，即有 RS 和沒有 RS 的符號的 PDSCH 的子載波功率的比值對于對于

27、PBPB 的映射關系如下所示：的映射關系如下所示：現(xiàn)網配置的現(xiàn)網配置的 PA=-3PA=-3，PB=1PB=1 應該如何理解呢應該如何理解呢首先首先a=PA=-3=?lg（?無 RS PDSCHRE?）因此因此? ?無 RS PDSCHREPB=1PB=1，b/a=1,表示?無 RS PDSCHRE?有 RS PDSCHRE令?無無 ? ?t? ? 得到右邊的圖同理，同理，PA=PB=0PA=PB=0 也這么理解。也這么理解。首先首先a=PA=0=?lg（?無 RS PDSCHRE?）因此因此? ?無 RS PDSCHREPB=0PB=0，b/a=5/4 表示?有 RS PDSCHRE5?無

28、RS PDSCHRE令?無無 ? ?t? ? 得到右邊的圖有了以上的鋪墊就很好理解。有了以上的鋪墊就很好理解。CRSCRS 功率計算方式：t?h? ?單通道單通道t ? ? t ? ? ? ? ?單通道單通道? t ? ?單通道單通道? t ?實際上的意義就是把單通道的功率分配到實際上的意義就是把單通道的功率分配到 12001200 個子載波上，得到無個子載波上，得到無 RSRS 的的PDSCH_REPDSCH_RE 功率，再通過功率，再通過 RSRS 功率與無功率與無 RSRS 的的 PDSCH_REPDSCH_RE 功率的映射關系得到功率的映射關系得到 RSRS 功功率。率。SINR=S/(I+N)SINR=S/(I+N)參考信號的功率與干擾噪聲功率和的比值，與參考信號的功率與干擾噪聲功率和的比值，與 RSRQRSRQ 一樣用于一樣用于反映信號的質量。反映信號的質量。UE測算SINR，上報RI及CQICQI索引給eNodeB，eNodeB根據UE反饋的RI及CQI索引進行TM和MCS