3.1 物理层概述
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3.1.1 协议框架
无线接口主要指UE和网络之间的接口,包括层1、层2和层3。其中层1(物理层)规范在TS 36.200系列中描述,层2和层3在TS 36.300系列中描述。
图3-2给出了物理层周围的E-UTRA无线接口协议结构。物理层与层2的媒体接入控制(Media Access Control,MAC)子层和层3的无线资源控制(Ratio Resource Control,RRC)层具有接口。其中的圆圈表示不同层/子层间的服务接入点(Service Access Point,SAP)。物理层向MAC层提供传输信道(Transport Channel)。MAC提供不同的逻辑信道层2的无线链路控制(Radio Link Control,RLC)子层。
![](https://book.img.zhangyue01.com/group61/M00/37/CF/CmRaIV_DEKmESEQJAAAAAMRez3E620717478.jpg?v=9YvOTUSC&t=CmRaIV_DEKk.)
图3-2 物理层周围的E-UTRA无线接口协议结构
3.1.2 物理层功能
物理层向高层提供数据传输服务,可以通过MAC子层并使用传输信道来接入这些服务。为了提供数据传输服务,物理层将提供以下功能。
① 传输信道的错误检测并向高层提供指示。
② 传输信道的前向纠错(Forward Error Correction,FEC)编码解码。
③ 混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat-reQuest,HARQ)软合并。
④ 编码的传输信道与物理信道之间的速率匹配。
⑤ 编码的传输信道与物理信道之间的映射。
⑥ 物理信道的功率加权。
⑦ 物理信道的调制与解调。
⑧ 频率和时间同步。
⑨ 射频特性测量并向高层提供指示。
⑩ 多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)天线处理。
传输分集。
波束赋形。
射频处理。
3.1.3 物理层协议概要
1.多址接入
LTE物理层的多址接入方案下行是基于带循环前缀(CP)的正交频分复用(OFDM),上行基于循环前缀的单载波频分复用(SC-FDMA)。为了支持成对和不成对的频谱,支持频分双工(FDD)和时分双工(TDD)。
物理层是基于资源块以带宽不可知的方式定义的,允许物理层适应于不同的频谱分配。一个资源块在频域上占用12个子载波,每个子载波的带宽为15kHz,或者占用24个子载波,每个子载波的带宽为7.5kHz,在时域上的持续时间为0.5ms。
无线帧结构1用于FDD(包括全双工和半双工),持续10ms,包含20个时隙,每个时隙的长度为0.5ms。两个相邻的时隙构成一个子帧,其长度为1ms。无线帧结构2用于TDD,具有两个时长为5ms的半帧(Half-frame),每个半帧又包含8个时长为0.5ms的时隙和3个特殊区域:下行导频时隙(Downlink Pilot Time Slot,DwPTS)、保护时隙(Guard Period,GP)和上行导频时隙(Uplink Pilot Time Slot,UpPTS),这个3个特殊区域各自时长可配,总时长为1ms。除子帧1和子帧6以外,一个子帧包括两个相邻的时隙,子帧1和子帧6包含DwPTS、GP、UpPTS,支持5ms和10ms的切换点周期。
2.物理信道与调制
下行定义的物理信道包括物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel,PDSCH)、物理多播信道(Physical Multicast Channel,PMCH)、物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)、物理广播信道(Physical Broadcast Channel,PBCH)、物理控制格式指示信道(Physical Control Format Indicator Channel,PCFICH)以及物理HARQ指示信道(Physical HARQ Indicator Channel,PHICH)。
上行定义的物理信道包括物理随机接入信道(Physical Random Access Channel ,PRACH),物理上行共享信道(the Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)和物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH)。
另外,定义的信号包括参考信号、主/辅同步信号。下行和上行均支持如下调制方式:QPSK、16QAM和64QAM。
3.信道编码与调制
LTE中传输块的信道编码方案为Turbo编码,编码速率为1/3,它由8个状态子编码器和一个Turbo码内部交织器构成。在Turbo编码中使用栅格终止(Trellis Termination)方案。在Turbo编码之前,传输块被分割为多个段,每段的大小要与最大信息块的大小6144bit保持一致。使用24bit长的循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)来支持错误检测。
4.物理层过程
LTE操作中涉及多个物理层过程,这些过程包括小区搜索、功率控制、上行同步和上行定时控制、随机接入相关过程、HARQ相关过程、通过在频域、时域和功率域进行物理资源控制,LTE隐含地支持干扰协调。
5.物理层测量
无线特性在终端和基站进行测量,并在网络中向高层进行报告。这包括用于同频和异频切换的测量、用于不同无线接入技术(Radio Access Technology,RAT)之间切换的测量、定时测量、用于无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)的测量。
用于不同RAT间切换的测量支持向GSM、UTRA FDD和UTRA TDD系统的切换。
信道编码与调制,物理层过程以及物理层测量将在第四章中进行介绍。
3.1.4 帧结构
在物理层规范中,除非特殊说明,各种域的时域大小表示时间单位T s 的倍数,该时间单位定义为T s =1/(15000×2048)s,那么一个无线子帧的长度可以表示为T f =307200-T s =10ms。
LTE支持两种类型的无线帧结构:类型1,适用于FDD模式;类型2,适用于TDD模式。
1.帧结构类型1
帧结构类型1适用于全双工和半双工的FDD模式。每一个无线帧长度为10ms,由20个时隙构成,每一个时隙的长度为T slot =15360-T s =0.5ms。这些时隙分别编号为0~19。一个子帧定义为两个相邻的时隙,其中第i个子帧由第2i和2i+1个时隙构成,如图3-3所示。
![](https://book.img.zhangyue01.com/group61/M00/37/D0/CmRaIV_DEKyEVPGlAAAAALlU-vA348053677.jpg?v=TPrOQ1p2&t=CmRaIV_DEKw.)
图3-3 帧结构类型1
对于FDD,在每一个10ms中,有10个子帧可以用于下行传输,并且有10个子帧可以用于上行传输。上下行传输在频域上分开。
2.帧结构类型2
帧结构类型2使用于TDD模式。每一个无线帧由两个半帧构成,每一个半帧长度为5ms。每一个半帧又由8个常规时隙和DwPTS、GP、UpPTS三个特殊时隙构成。1个常规时隙的长度为0.5ms。DwPTS和UpPTS的长度是可配置的,并且要求DwPTS、GP以及UpPTS的总长度为1ms。具体配置见表3-1。子帧1包含DwPTS、GP以及UpPTS,子帧6在表3-2所列的配置0、1、2和6中包含DwPTS、GP以及UpPTS。所有其他子帧包含两个相邻的时隙,其中第2i和2i+1个时隙的构成如图3-4所示。
表3-1 DwPTS/GP/UpPTS的长度
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图3-4 帧结构类型2
LTE TDD支持5ms和10ms的上下行子帧切换周期。具体配置见表3-2,其中D表示用于下行传输的子帧,U表示用于上行传输的子帧,S表示包含DwPTS、GP和UpPTS的特殊子帧。
表3-2 上下行子帧切换点配置
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子帧0和子帧5以及DwPTS永远预留为下行传输。
在5ms切换周期情况下,UpPTS、子帧2和子帧7预留为上行传输。
在10ms切换周期情况下,DwPTS在两个半帧中都存在,但是GP和UpPTS只在第一个半帧中存在,在第二个半帧中DwPTS长度为1ms。UpPTS和子帧2预留为上行传输,子帧7到子帧9预留为下行传输。