LTE空中接口物理層分析

1 概述

LTE是3GPP在2005年啟動的新一代無線系統研究項目。LTE采用了基于OFDM技術的空中接口設計，目標是構建出高速率、低時延、分組優化的無線接入系統，提供更高的數據速率和頻譜利用率。



圖1-1LTE系統網絡架構

整個系統由核心網絡（EPC）、無線網絡（E-UTRAN）和用戶設備（UE）3部分組成，見上圖。其中EPC負責核心網部分；E-UTRAN（LTE）負責接入網部分，由eNodeB節點組成；UE指用戶終端設備。系統支持FDD和TDD兩種雙工方式，并對傳統UMTS網絡架構進行了優化，其中LTE僅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了較大的簡化。這使得整個系統呈現扁平化特性。

系統的扁平化設計使得接口也得到簡化。其中eNodeB與EPC通過S1接口連接；eNodeB之間通過X2接口連接；eNodeB與UE 通過Uu接口連接。

2 物理層過程

本文重點討論LTE空中接口物理層的一些主要過程。

2.1 下行物理層過程

2.1.1 小區搜索過程

UE使用小區搜索過程識別并獲得小區下行同步，從而可以讀取小區廣播信息。此過程在初始接入和切換中都會用到。

為了簡化小區搜索過程，同步信道總是占用可用頻譜的中間63個子載波。不論小區分配了多少帶寬，UE只需處理這63個子載波。

UE通過獲取三個物理信號完成小區搜索。這三個信號是P-SCH信號、S-SCH信號和下行參考信號（導頻）。

一個同步信道由一個P-SCH信號和一個S-SCH信號組成。同步信道每個幀發送兩次。

規范定義了3個P-SCH信號，使用長度為62的頻域Zadoff-Chu序列。每個P-SCH信號與物理層小區標識組內的一個物理層小區標識對應。S-SCH信號有168種組合，與168個物理層小區標識組對應。故在獲得了P-SCH和S-SCH信號后UE可以確定當前小區標識。

下行參考信號用于更精確的時間同步和頻率同步。

完成小區搜索后UE可獲得時間/頻率同步，小區ID識別，CP長度檢測。


圖2.1.1-1小區搜索過程

2.1.2 下行功率控制

下行功率控制適用于數據信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。

eNode B 決定每個資源單元的下行發射功率。對于數據信道（PDSCH）方法如下：

對每個OFDM 符號，定義或= EPREPDSCH /EPRERS，

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （對所有 PDSCH 發送方式，除多用戶MIMO）

是由高層提供的UE特定參數，使用3個比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB。

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系統通過定義“RNTP(RelativeNarrowbandTX Power) ”來支持可能進行的下行功率協調，該消息通過X2接口在基站間交換。

定義了一個門限，由以比特圖的形式指示每個PRB將要使用的發射功率是否超過該門限。由下式確定：



其中：

- 指示比特圖

- 下行帶寬配置

-

- nPRB PRB 數目

- EA：不包含參考符號的OFDM符號中的數據子載波的發射功率

- EB：包含參考符號的OFDM符號中的數據子載波的發射功率

2.1.3 尋呼 – 物理層面

尋呼用于網絡發起的呼叫建立過程。有效的尋呼過程可以允許UE在多數時間處于休眠狀態，只在預定時間醒來監聽網絡的尋呼信息。

在WCDMA中，UE在預定時刻監聽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。因為尋呼指示信息時長比尋呼信息時長短得多，這種方法可以延長UE休眠的時間。

在LTE中尋呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在預定時刻監聽PDCCH。因為PDCCH傳輸時間很短，引入PICH節省的能量很有限，所以LTE中沒有使用物理層尋呼指示信道。

如果在PDCCH上檢測到自己的尋呼組標識，UE將解讀PDSCH并將解碼的數據通過尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。PCH傳輸塊中包含被尋呼的UE的標識。未在PCH上找到自己標識的UE 會丟棄這個信息并依照DRX周期進入休眠。
2.2 上行物理層過程

2.2.1 隨機接入過程

層一的隨機接入過程包括隨機接入preamble的發送和隨機接入響應。其余的消息不屬于層一的隨機接入過程。

2.2.1.1 物理非同步隨機接入過程

層一的隨機接入過程包括如下步驟：

高層的preamble發送請求觸發L1隨機接入過程；

隨機接入所需的preambleindex，目標preamble 接收功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)，相應的 RA-RNTI 和 PRACH 資源作為請求的一部分由高層指示；

preamble發射功率PPRACH由下式計算：

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

其中是配置的 UE 發射功率，PL 是UE估算的下行路徑損耗；

UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中隨機選擇一個 Preamble 序列；

UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 發送選擇的 Preamble 序列；

UE嘗試在高層定義的接受窗口內使用RA-RNTI檢測 PDCCH。如果檢測到，相應的 PDSCH 傳輸塊被傳輸到高層。高層解讀傳輸塊并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理層。