LTE空中接口物理層分析

1 概述

LTE是3GPP在2005年啟動(dòng)的新一代無(wú)線系統(tǒng)研究項(xiàng)目。LTE采用了基于OFDM技術(shù)的空中接口設(shè)計(jì)，目標(biāo)是構(gòu)建出高速率、低時(shí)延、分組優(yōu)化的無(wú)線接入系統(tǒng)，提供更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率。



圖1-1LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由核心網(wǎng)絡(luò)（EPC）、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）和用戶設(shè)備（UE）3部分組成，見(jiàn)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(diǎn)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(duì)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(jiǎn)化。這使得整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)扁平化特性。

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

2 物理層過(guò)程

本文重點(diǎn)討論LTE空中接口物理層的一些主要過(guò)程。

2.1 下行物理層過(guò)程

2.1.1 小區(qū)搜索過(guò)程

UE使用小區(qū)搜索過(guò)程識(shí)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(guò)程在初始接入和切換中都會(huì)用到。

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

UE通過(guò)獲取三個(gè)物理信號(hào)完成小區(qū)搜索。這三個(gè)信號(hào)是P-SCH信號(hào)、S-SCH信號(hào)和下行參考信號(hào)（導(dǎo)頻）。

一個(gè)同步信道由一個(gè)P-SCH信號(hào)和一個(gè)S-SCH信號(hào)組成。同步信道每個(gè)幀發(fā)送兩次。

規(guī)范定義了3個(gè)P-SCH信號(hào)，使用長(zhǎng)度為62的頻域Zadoff-Chu序列。每個(gè)P-SCH信號(hào)與物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組內(nèi)的一個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)。S-SCH信號(hào)有168種組合，與168個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組對(duì)應(yīng)。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號(hào)后UE可以確定當(dāng)前小區(qū)標(biāo)識(shí)。

下行參考信號(hào)用于更精確的時(shí)間同步和頻率同步。

完成小區(qū)搜索后UE可獲得時(shí)間/頻率同步，小區(qū)ID識(shí)別，CP長(zhǎng)度檢測(cè)。


圖2.1.1-1小區(qū)搜索過(guò)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(gè)資源單元的下行發(fā)射功率。對(duì)于數(shù)據(jù)信道（PDSCH）方法如下：

對(duì)每個(gè)OFDM 符號(hào)，定義或= EPREPDSCH /EPRERS，

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （對(duì)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(gè)比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB。

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

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

定義了一個(gè)門限，由以比特圖的形式指示每個(gè)PRB將要使用的發(fā)射功率是否超過(guò)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(hào)的OFDM符號(hào)中的數(shù)據(jù)子載波的發(fā)射功率

- EB：包含參考符號(hào)的OFDM符號(hào)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(guò)程。有效的尋呼過(guò)程可以允許UE在多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只在預(yù)定時(shí)間醒來(lái)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的尋呼信息。

在WCDMA中，UE在預(yù)定時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)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?yàn)閷ず糁甘拘畔r(shí)長(zhǎng)比尋呼信息時(shí)長(zhǎng)短得多，這種方法可以延長(zhǎng)UE休眠的時(shí)間。

在LTE中尋呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在預(yù)定時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)PDCCH。因?yàn)镻DCCH傳輸時(shí)間很短，引入PICH節(jié)省的能量很有限，所以LTE中沒(méi)有使用物理層尋呼指示信道。

如果在PDCCH上檢測(cè)到自己的尋呼組標(biāo)識(shí)，UE將解讀PDSCH并將解碼的數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)。未在PCH上找到自己標(biāo)識(shí)的UE 會(huì)丟棄這個(gè)信息并依照DRX周期進(jìn)入休眠。
2.2 上行物理層過(guò)程

2.2.1 隨機(jī)接入過(guò)程

層一的隨機(jī)接入過(guò)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(guò)程。

2.2.1.1 物理非同步隨機(jī)接入過(guò)程

層一的隨機(jī)接入過(guò)程包括如下步驟：

高層的preamble發(fā)送請(qǐng)求觸發(fā)L1隨機(jī)接入過(guò)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(qǐng)求的一部分由高層指示；

preamble發(fā)射功率PPRACH由下式計(jì)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(gè) 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(cè) PDCCH。如果檢測(cè)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。