LTE下行鏈路的物理層標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u18894LTE下行鏈路的物理層標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議分析概述 1611.1LTE簡(jiǎn)述 1134531.2LTE下行鏈路物理層 2323101.2.1物理層概述 2258861.2.2幀結(jié)構(gòu) 2157911.2.4資源網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 4167141.2.5信道分類(lèi)及其映射關(guān)系 5120341.2.6物理信道及輔助信號(hào)定義 7232831.2.7物理層運(yùn)行過(guò)程 871101.2.8調(diào)制方式定義 91.1LTE簡(jiǎn)述LTE系統(tǒng)之所以會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅猛發(fā)展，成為如今大眾所使用的最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)制式，主要是由于其強(qiáng)大的性能指標(biāo)，即相比其他制式而言，LTE具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）傳輸速度更加的快。（2）靈活性更強(qiáng)（支持不同的帶寬，最小1.4MHz，最大20MHz。以保證LTE在全球范圍都可以運(yùn)行，因?yàn)橛泻芏噙\(yùn)營(yíng)商拿不出20MHz的完整頻譜資源用于LTE）[10]（3）頻譜利用率更高（由于采用了OFDM技術(shù)）。（4）調(diào)制技術(shù)更加好（采用正交幅度調(diào)制）。（5）傳輸技術(shù)更加先進(jìn):采用了MIMO，波束成型、載波聚合，空分多址等多種技術(shù)去提高信息傳輸速率[19]。（6）eNodeB相互之間直接連接使LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu),使整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變得扁平化，加速了分組數(shù)據(jù)的交換，避免了RNC故障引起的區(qū)域整體故障，降低了用戶時(shí)延，提升了穩(wěn)定性[20]。（7）采用了AMC，其基于用戶上報(bào)的CQI，選用合適的調(diào)制制度以及合適的信道編碼速率（1/4即意味著有效信息:冗余=1:3)、信道調(diào)度等方法，提高了小區(qū)切換速度，降低了時(shí)延[19]。圖3-1AMC示意圖1.2LTE下行鏈路物理層1.2.1物理層概述物理層為協(xié)議棧中的最底層，負(fù)責(zé)最基礎(chǔ)的編碼調(diào)制以及射頻發(fā)射。為收發(fā)兩端的設(shè)備提供傳輸數(shù)據(jù)以及相對(duì)應(yīng)的鏈路。通俗來(lái)講，物理層就是“信號(hào)與介質(zhì)”。以下所述內(nèi)容均基于3GPP協(xié)議TS136系列，故不再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)標(biāo)注。1.2.2幀結(jié)構(gòu)LTE提供兩個(gè)雙工模式：頻分雙工（FDD）—支持全雙工和半雙工操作且支持在非成對(duì)頻譜中傳輸，以及時(shí)分雙工（TDD）—支持半雙工操作且只能在成對(duì)頻譜中傳輸。3GPP所規(guī)定的資源分配方案有以下幾種：（以20MHz帶寬為例，左右各有1MHz的保護(hù)帶寬，實(shí)際可用帶寬為18MHz）12個(gè)子載波，每個(gè)子載波帶寬為15kHz24個(gè)子載波，子載波帶寬為7.5kHz72個(gè)子載波，每個(gè)子載波帶寬為2.5kHz（以上每個(gè)時(shí)隙0.5ms）144個(gè)子載波，每個(gè)子載波帶寬為1.25kHz（此情況下，時(shí)隙1ms）486個(gè)子載波，每個(gè)子載波大約0.37kHz（此情況下，時(shí)隙3ms）現(xiàn)行的各大運(yùn)營(yíng)商的標(biāo)準(zhǔn)體系中，12個(gè)15kHz的子載波是最常用的方案。以12個(gè)15kHz的子載波方案為例：FDD所采用的幀結(jié)構(gòu)，有以下特點(diǎn)：其一幀持續(xù)時(shí)間為10ms，有20個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙持續(xù)時(shí)間為0.5ms，由6或7個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成，中間由循環(huán)前綴隔開(kāi)，當(dāng)為6個(gè)符號(hào)時(shí)，是使用的擴(kuò)展循環(huán)前綴，當(dāng)為7個(gè)符號(hào)時(shí)，是使用的普通循環(huán)前綴。兩個(gè)相鄰的時(shí)隙形成一個(gè)子幀，長(zhǎng)度為1ms。對(duì)于FDD而言，上下行傳輸分別在不同的頻率上同時(shí)進(jìn)行。圖3-2FDD幀結(jié)構(gòu)TDD所采用的幀結(jié)構(gòu)，有以下特點(diǎn)：一幀由兩個(gè)半幀組成，每個(gè)半幀的持續(xù)時(shí)間為5ms，包含5個(gè)1ms的子幀。5個(gè)子幀中有4個(gè)普通子幀和1個(gè)特殊子幀，特殊子幀由三個(gè)特殊字段（DwPTS、GP和UpPTS）構(gòu)成，DwPTS、GP和UpPTS的長(zhǎng)度可配置，總長(zhǎng)度為1ms。其中UpPTS為上行導(dǎo)頻時(shí)隙(UplinkPilotTimeSlot)用于上行同步、DwPTS為下行導(dǎo)頻時(shí)隙(DownlinkPilotTimeSlot)用于下行同步、GP為保護(hù)時(shí)隙(GuardPeriod)是作為上下行之間的保護(hù)間隔的，不用于傳輸信號(hào)。對(duì)TDD而言，上下行信號(hào)在同一頻率的不同的時(shí)間段內(nèi)傳送。圖3-3TDD幀結(jié)構(gòu)下表中所示為3GPP定義的DwPTS、GP和UpPTS長(zhǎng)度配置，最常用的是6，7。表3-1特殊子幀長(zhǎng)度配置表上下行子幀配比也由3GPP所規(guī)定，國(guó)內(nèi)常采用結(jié)構(gòu)1或2，D為下行，U為上行，S為特殊子幀，如下表所示。表3-2子幀配比表1.2.4資源網(wǎng)格結(jié)構(gòu)LTE一個(gè)時(shí)隙內(nèi)所傳輸?shù)男盘?hào)可以用資源網(wǎng)格來(lái)表征，資源網(wǎng)格縱軸是頻域索引坐標(biāo)，一格代表一個(gè)子載波，橫軸是時(shí)域索引坐標(biāo)，一格代表一個(gè)OFDM符號(hào)。資源塊RB：時(shí)域一個(gè)時(shí)隙（以普通循環(huán)前綴為例，為7個(gè)OFDM符號(hào)），頻域12個(gè)連續(xù)的15KHz的子載波，通常作為L(zhǎng)TE資源分配的最小單位。資源粒子RE：時(shí)域一個(gè)OFDM符號(hào)，頻域一個(gè)15KHz的子載波。圖3-4資源網(wǎng)格示意圖1.2.5信道分類(lèi)及其映射關(guān)系這里我們淺述MAC層和物理層，上面的RLC層、PDCP、RRC和NAS層不再進(jìn)行說(shuō)明。圖3-5信道映射關(guān)系MAC層內(nèi)有邏輯信道，根據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類(lèi)型，其分為5種邏輯信道：BCCH-傳輸廣播消息信道PCCH-傳播尋呼消息信道CCCH-傳播初始接入信令信道DCCH-傳輸用戶控制信令信道DTCH-傳輸用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信道邏輯信道映射到同在MAC層內(nèi)的傳輸信道，傳輸信道分為4種，不同的傳輸信道傳輸機(jī)制不一樣：BCH（廣播信道）是不斷循環(huán)再發(fā)的，不需要用戶端確認(rèn)PCH（尋呼信道）規(guī)定好發(fā)射次數(shù)，發(fā)完為止DL/ULSCH（上下行共享信道）采用確認(rèn)模式，發(fā)一次，等待用戶端回ACK或者NACK，基站通過(guò)ACK/NACK來(lái)確定是否需要重傳。RACH(隨機(jī)接入信道)，在手機(jī)接入基站時(shí)，以一定功率發(fā)送接入信號(hào)，接入失敗，提升發(fā)射功率，直到收到響應(yīng)為止。上圖可以看到廣播消息，一部分通過(guò)廣播信道發(fā)送，一部分通過(guò)共享信道發(fā)送。尋呼消息通過(guò)尋呼信道發(fā)送，為一對(duì)一。信令與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均通過(guò)共享信道發(fā)送。傳輸信道映射到物理信道，物理信道分為7種，物理信道是用于傳輸控制信息,傳輸信道的數(shù)據(jù)或者指示信息的時(shí)-頻資源塊。根據(jù)幀結(jié)構(gòu)中不同的時(shí)頻資源位置進(jìn)行劃分，即資源網(wǎng)格中每個(gè)位置都是是根據(jù)3GPP的規(guī)范所規(guī)定好的物理信道。由上圖可知：RACH映射到物理隨機(jī)接入信道PRACH上PCH和SCH映射到物理下行共享信道PDSCH上BCH映射到物理廣播信道PBCH而PDCCH,PHICH,PCFICH,PSS/SSS,RS無(wú)對(duì)應(yīng)的傳輸信道，他們的作用是為了更好的解出有映射關(guān)系的信道，即業(yè)務(wù)解調(diào)，起輔助作用。1.2.6物理信道及輔助信號(hào)定義1.PSS/SSS主同步信號(hào)和輔同步信號(hào)，兩者用于下行的時(shí)間和頻率同步，區(qū)分TDD和FDD系統(tǒng)，識(shí)別小區(qū)擾碼(PCI)，區(qū)分普通CP和擴(kuò)展CP。PSS為三種序列固定的0，1序列，編號(hào)0、1、2。SSS為168種固定的0，1序列。從而得小區(qū)擾碼PCI=3*168=504，即504種不同的搭配方案，從0到503。用戶可以通過(guò)處理PSS和SSS，獲得PCI，從而使用戶不受其他小區(qū)的干擾。這兩信號(hào)在資源網(wǎng)格中的位置是固定的，例如在FDD中，其處于時(shí)域第6.7個(gè)符號(hào)，頻域最中心的6個(gè)RB，與小區(qū)帶寬無(wú)關(guān)。2.PBCH物理廣播信道，攜帶終端訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)所需的部分系統(tǒng)信息，即主信息塊兒MIB，其包含PHICH配置，LTE的下行帶寬以及系統(tǒng)幀號(hào)。在資源網(wǎng)格上，每幀都有，時(shí)域上為4個(gè)OFDM符號(hào)，頻域上為最中心6個(gè)RB1.PRACH物理隨機(jī)接入信道，在其上以一定功率發(fā)送接入信號(hào)，接入失敗，提升發(fā)射功率，直到收到響應(yīng)為止。4.PCFICH物理控制格式指示信道，為用戶端提供解碼PDCCH的信息。用于指示PDCCH的符號(hào)數(shù)，在資源網(wǎng)格中的位置由PCI決定。5.PDCCH物理下行控制信道，用于上下行資源調(diào)度，所調(diào)度的資源主要包括：資源指示相關(guān)信息（資源塊和分配時(shí)長(zhǎng)），傳輸格式相關(guān)信息（多天線信息，調(diào)制方式，有效載荷大小等），功率控制信息。其在時(shí)域上占用1-3個(gè)OFDM符號(hào)(由PCFICH指示)，頻域上占用整個(gè)頻域。一個(gè)PDCCH可供多個(gè)用戶使用，故UE需要特定的調(diào)度方法去獲得自己的調(diào)度信息。6.PDSCH物理下行共享信道，將用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息SIBs（內(nèi)含小區(qū)ID，上下行子幀配比等信息）發(fā)送到終端。其優(yōu)先級(jí)最低，等PSS/SSS，PDCCH等占用好位置以后，剩下的才是PDSCH的。7.PHICH物理HARQ指示信道，在下行時(shí)是對(duì)UE端發(fā)的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答，若基站可以正確解碼UE端所發(fā)信息，則回ACK，相反回NACK，去告知UE端是否需要重新傳輸上行信息塊。在資源網(wǎng)格中的位置由PCI所決定。8.CRS小區(qū)參考信號(hào)，用于更加精確的時(shí)頻同步，且由于參考信號(hào)接收端已知，故可以通過(guò)解調(diào)過(guò)信道的參考信號(hào)，去獲得信道環(huán)境，去進(jìn)行信道估計(jì)，或輔助用于相干解調(diào)。在3GPP規(guī)定協(xié)議中每2個(gè)RB，需分布有8個(gè)CRS，且8個(gè)CRS均勻，離散的分布在整個(gè)頻帶上，其分布位置由PCI決定。相鄰2個(gè)小區(qū)的RS分布不可以一致，否則會(huì)造成干擾[15]。圖3-6CRS分布圖1.2.7物理層運(yùn)行過(guò)程下面簡(jiǎn)述UE端與eNB端完整的接入、駐留及業(yè)務(wù)交換的流程：1.手機(jī)開(kāi)機(jī)后，通過(guò)PSS/SSS進(jìn)行小區(qū)搜索，獲得物理小區(qū)ID（PCI）2.確定物理小區(qū)后，通過(guò)讀取PBCH（用于存放MIB）中的廣播消息（還讀取一部分來(lái)自PDSCH中的SIBs）獲得小區(qū)配置信息，從而得知自己是否能夠成功駐留，滿足條件，則駐留下來(lái)。1.發(fā)起業(yè)務(wù)：首先隨機(jī)接入，用戶端通過(guò)PRACH信道進(jìn)行隨機(jī)接入，基站收到后，會(huì)通過(guò)PDCCH發(fā)送調(diào)度資源，而PDCCH所占資源網(wǎng)格的資源由PCFICH所決定（占用1-3個(gè)OFDM符號(hào)）。4.獲得調(diào)度信息以后，去解PDSCH，去獲得給“我”的資源，此即代表著業(yè)務(wù)連接成功了。5.業(yè)務(wù)連接成功以后，在PDSCH上傳輸業(yè)務(wù)信息。6.在PDSCH進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，還伴隨著PHICH上反饋消息的傳輸