LTE空中接口物理层过程分析

1 概述

LTE（Long Term EvoluTIon,长期演进）项目是3G的演进，始于2004年3GPP的多伦多会议。LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行326Mbit/s与上行86Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。

图1-1LTE系统网络架构

整个系统由核心网络（EPC）、无线网络（E-UTRAN）和用户设备（UE）3部分组成，见上图。其中EPC负责核心网部分；E-UTRAN（LTE）负责接入网部分，由eNodeB节点组成；UE指用户终端设备。系统支持FDD和TDD两种双工方式，并对传统UMTS网络架构进行了优化，其中LTE仅包含eNodeB,不再有RNC;EPC也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。

系统的扁平化设计使得接口也得到简化。其中eNodeB与EPC通过S1接口连接；eNodeB之间通过X2接口连接；eNodeB与UE 通过Uu接口连接。

2 物理层过程

本文重点讨论LTE空中接口物理层的一些主要过程。

2.1 下行物理层过程

2.1.1 小区搜索过程

用户体验（UserExperience,简称UX或UE）是一种纯主观的在用户使用一个产品（服务）的过程中建立起来的心理感受。因为它是纯主观的，就带有一定的不确定因素。个体差异也决定了每个用户的真实体验是无法通过其他途径来完全模拟或再现的。但是对于一个界定明确的用户群体来讲，其用户体验的共性是能够经由良好设计的实验来认识到。计算机技术和互联网的发展，使技术创新形态正在发生转变，以用户为中心、以人为本越来越得到重视，用户体验也因此被称做创新2.0模式的精髓。

UE使用小区搜索过程识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信息。此过程在初始接入和切换中都会用到。

为了简化小区搜索过程，同步信道总是占用可用频谱的中间63个子载波。不论小区分配了多少带宽，UE只需处理这63个子载波。

UE通过获取三个物理信号完成小区搜索。这三个信号是P-SCH信号、S-SCH信号和下行参考信号（导频）。

一个同步信道由一个P-SCH信号和一个S-SCH信号组成。同步信道每个帧发送两次。

规范定义了3个P-SCH信号，使用长度为62的频域Zadoff-Chu序列。每个P-SCH信号与物理层小区标识组内的一个物理层小区标识对应。S-SCH信号有168种组合，与168个物理层小区标识组对应。故在获得了P-SCH和S-SCH信号后UE可以确定当前小区标识。

下行参考信号用于更精确的时间同步和频率同步。

完成小区搜索后UE可获得时间/频率同步，小区ID识别，CP长度检测。

图2.1.1-1小区搜索过程

2.1.2 下行功率控制

下行功率控制适用于数据信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。

eNode B 决定每个资源单元的下行发射功率。对于数据信道（PDSCH）方法如下：

对每个OFDM 符号，定义或= EPREPDSCH /EPRERS,

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （对所有 PDSCH 发送方式，除多用户MIMO）

是由高层提供的UE特定参数，使用3个比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB.

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系统通过定义"RNTP（RelativeNarrowbandTX Power） "来支持可能进行的下行功率协调，该消息通过X2接口在基站间交换。

定义了一个门限，由以比特图的形式指示每个PRB将要使用的发射功率是否超过该门限。由下式确定：

其中：

- 指示比特图

- 下行带宽配置

-

- nPRB PRB 数目

- EA:不包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率

- EB:包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率

2.1.3 寻呼 – 物理层面

寻呼用于网络发起的呼叫建立过程。有效的寻呼过程可以允许UE在多数时间处于休眠状态，只在预定时间醒来监听网络的寻呼信息。

在WCDMA中，UE在预定时刻监听物理层寻呼指示信道（PICH），此信道指示UE是否去接收寻呼信息。因为寻呼指示信息时长比寻呼信息时长短得多，这种方法可以延长UE休眠的时间。

W-CDMA（宽带码分多址）是一个ITU（国际电信联盟）标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，从官方看被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps,载波带宽为5MHz.基于Release99/Release4版本，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s（对于局域网而言）或者384Kb/s（对于宽带网而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。窄带CDMA使用的是200KHz宽度的载频，而W-CDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。

在LTE中寻呼依靠PDCCH.UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH.因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量很有限，所以LTE中没有使用物理层寻呼指示信道。

如果在PDCCH上检测到自己的寻呼组标识，UE将解读PDSCH并将解码的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。PCH传输块中包含被寻呼的UE的标识。未在PCH上找到自己标识的UE 会丢弃这个信息并依照DRX周期进入休眠。

2.2 上行物理层过程

2.2.1 随机接入过程

层一的随机接入过程包括随机接入preamble的发送和随机接入响应。其余的消息不属于层一的随机接入过程。

2.2.1.1 物理非同步随机接入过程

层一的随机接入过程包括如下步骤：

高层的preamble发送请求触发L1随机接入过程；

随机接入所需的preambleindex,目标preamble 接收功率（PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER），相应的 RA-RNTI 和 PRACH 资源作为请求的一部分由高层指示；

preamble发射功率PPRACH由下式计算：

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

其中是配置的 UE 发射功率，PL 是UE估算的下行路径损耗；

UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中随机选择一个 Preamble 序列；

UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 发送选择的 Preamble 序列；

UE尝试在高层定义的接受窗口内使用RA-RNTI检测 PDCCH.如果检测到，相应的 PDSCH 传输块被传输到高层。高层解读传输块并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理层。

2.2.1.2随机接入响应准许

高层使用20比特 UL-SCH grant指示物理层，这被称为物理层随机接入响应准许。20 比特 UL-SCH grant 的内容包括：

-跳频标识– 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迟延 – 1 bit

-CQI请求 – 1 bit

2.2.2 CQI/PMI/RI的报告

UE用来报告CQI（ChannelQuality Indication）、PMI （Precoding Matrix Indicator）和 RI（Rank Indication）的时频资源由eNB 控制。报告方式有周期性和非周期性两种。UE可以使用PUCCH进行周期性报告，使用PUSCH进行非周期性报告。

信道质量指示符（CQI）是无线信道的通信质量的测量标准。CQI能够是代表一个给定信道的信道测量标准所谓一个值（或多个值）。通常，一个高值的CQI表示一个信道有高的质量，反之亦然。对一个信道的CQI能够通过使用性能指标，例如，信噪比（SNR），信号与干扰加噪声比（SINR），信号与噪声失真比（SNDR），等信道的性能被计算。这些值和其它的能够针对一个给定的信道测量和然后用来计算信道的CQI.一个给定信道的CQI能够依赖于被通信系统使用的传输（调制）方案。例如，一个使用码分多址（CDMA）的通信系统能够利用一个不同的CQI而不是一个使用正交频分复用（OFDM）通信系统。在更多复杂的通信系统中，例如，那些使用多输入多输出（MIMO）和空间时间代码的系统，CQI的使用也依赖于接收器的类型。其它能够考虑CQI的因素是性能损伤。例如，多普勒转换、信道预算错误、干扰等等。

CQI或PMI的最小计算和反馈单位为subband（约为2~8个RB,若系统带宽小于8个RB,不定义Subband），见表2.2.2-1.

表2.2.2-1:Subband尺寸 (k) vs.系统带宽 （on PUSCH）

CQI的计算与报告分为widebandCQI、UEselected（subbandCQI）和High layer configured（subband CQI）三种。基站根据终端反馈的CQI 和预测算法，选择数据传输的MCS,见表2.2.2.-2.

对于空间复用，UE需要确定一个RI值，对应有效的传输层数。对于发射分集，RI等于一。

表2.2.2-2:4-bitCQI Table

2.2.3 上行功率控制

上行功率控制用来控制不同上行物理信道的发射功率。这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参考符号。

2.2.3.1物理上行共享信道

物理上行共享信道PUSCH在子帧i的发送功率由下式确定：

[dBm]

其中：

- 是配置的UE发射功率；

- 表示PUSCH 在子帧 i的带宽，即RB的数目；

2.2.3.3Sounding参考符号

Sounding参考符号在子帧i的发射功率由下式确定：

[dBm]

其中，

2.2.4 UE PUSCH跳频

如果PDCCH（DCI格式0）中的FH域设置为1,UE 会进行PUSCH跳频。

PUSCH跳频意味着一个子帧中的两个时隙上行传输所用的物理资源不占用相同的频段。

进行PUSCH跳频的UE需要确定它的子帧的第一个时隙的PUSCH资源分配，其中包含PRB索引号。

- 当上行PUSCH hopping关闭，或者通过UL grant实现hopping时，PUSCH PRB索引号等于UL grant中分配的索引号；

- 当上行hooping开启时，PUSCH PRB索引号由UL grant中分配的索引号和一个预定义的、与cell ID相关的hopping pattern来共同决定。

2.3 Semi-Persistent调度

LTE中的动态调度提供了很大的灵活性但同时也产生了较高的信令负荷。对于较规则的低速业务，这种信令开销尤为明显。为了降低此类业务的信令负荷，3GPP定义了一个新的概念：semi-persistent调度。这种调度概念的思想是对于较规则的低速业务（例如VoIP），对较长时间内的资源使用进行分配，而无需每次传输时都进行动态分配，以节省信令开销。所有HARQ重传使用动态调度。图2.3-1显示了semi-persistent 调度的概念和HARQ 重传。

图2.3?1.Semi-persistent调度

下行方向规范允许基于盲检测的semi-persistent调度，即事先预配置少数几种格式（编码、调制和物理资源的组合），在配置的子帧中可以使用任何预配置的格式。UE需要进行盲检测来确定子帧中使用的是哪一个预配置的格式。但上行方向规范只允许一个格式，即不允许盲检测。