星星之火-38：LTE物理层无线资源与帧结构快速入门

本文从以太网的帧结构为类比对象，比较LTE帧结构与以太网帧结构的区别，分析LTE物理层帧的类型以及物理层帧与LTE的时频资源的关系。

目录

1 以太网帧结构的类比

2 LTE无线帧结构的特点

3 LTE的双工模式

4 LTE FDD的帧结构

5 LTE TDD的帧结构

6 时隙Slot的构成

7 LTE的物理层的时频资源

8 LTE的物理层的信道

8.1 物理信道

8.2 物理信号

9 物理层信道帧结构、信道、时频资源的关系

1 以太网帧结构的类比

上图是熟悉的以太网的帧结构。以太网帧结构的特点：

• 帧结构：以太网的帧是没有时间信息，只有反应二进制比特数据关系的的结构化信息，反应了如何结构化的方式组织二进制比特。
• 完整性：通常在一个连续的时间内，处理完（发送和接收）一个完整、独立的以太网帧。
• 复用方式：在以太网中，物理层的传输资源是分时复用的，不同的用户分时复用底层的传输资源，但分时的时间间隔不是严格固定的。而是取决于以太网帧的长度信息。
• 调度方式：不同用户，采用公平竞争的方式获取物理层的传输资源，并通过载波侦听和冲突检测的方式解决不同用户何时使用共享的传输信道、以及解决冲突问题。

2 LTE无线帧结构的特点

• 帧结构：移动通信中的无线帧结构二维的结构，一维是可用的无线频率（频域）资源，另一维是时间（时域）资源。称之为时频资源。
• 完整性：通常在一段连续的时间内，由多个、离散时间组成的帧结构，比如10ms的基本帧，1ms的子帧。
• 复用方式：每个无线帧不归属于任何用户，同一个帧结构为多个用户同时共享。
• 调度方式：完全基站采用独裁的方式、进行统一调度，每个用户没有权利在未获得基站授权的情况下使用无线资源。

因此LTE的帧结构与LTE的双工模式密切相关。

3 LTE的双工模式

双工模式是接收方向（上行）和发送方向（下行）共享无线资源。上行和下行，接收与发送是站在基站的角度来定义的，而不是手机。

LTE支持两种双工模式：TDD和FDD，于是LTE定义了两种帧结构：TDD帧结构和FDD帧结构。

FDD：是指使用不同的频率来区分上行与下行，上行与下行，在时间上是可以重叠的。因此，无线帧的结构不需要包含上行与下行的时间信息。

TDD: 是指使用相同的频率来发送和接收，并使用时间来区分上行和下行。上行与下行，在时间上是不能重叠。因此，无线帧的结构需要包含上行与下行的时间信息。

这就决定了LTE FDD和TDD具有不同的物理层的帧结构。

4 LTE FDD的帧结构

（1）10ms帧结构

LTE FDD类型的无线基本帧时间长为10ms，每帧含10个1ms的子帧，称为TTI, 每个TTI包含2个0.5ms的时隙，因此，一个10ms的基本帧，包含20个时隙。

很显然，LTE的帧是以时间为主线进行组织的。

LTE的时隙长度为0.5ms，LTE协议支持0.5ms的调度周期。

但在实际系统实现时，对0.5ms这一个调度的话，信令开销太大，对器件要求高。

一般调度周期设为一个子帧的长度（1ms），包括两个slot的时间长度，因此一个调度周期内，slot都是成对出现的。

5 LTE TDD的帧结构

（1）TDD 10ms帧结构

TDD帧结构中，同时包含上行与下行时隙，用于分时复用接收和发送数据。

（2）LTE的TDD帧结构和FDD相同的地方：

• 每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，
• 每个子帧包含2个0.5ms的时隙。

（3）LTE的TDD帧结构和FDD不相同的地方：

• 存在三种类型的子帧：上行子帧、下行子帧、特殊子帧
• 下行子帧=》上行子帧切换时，中间必须有一个特殊时隙进行过度。
• 上行子帧=》下行子帧切换时，中间无需有一个特殊时隙进行过度。

（4）上下行子帧的配比

D代表下行、S代表特殊时隙（也算下行），U代表上行。

（5）特殊子帧的构成

• DwPTS：下行导频时隙，长为75us
• GP：保护间隔，长为75us
• UpPTS：上行导频时隙，长为125us

通过特殊子帧，就可以从下行时隙顺利过度上行时隙。

（6）特殊子帧内部的配比

不同的特殊时隙DwPTS、GP、DwPTS的长度，在LTE-TDD帧中可配置，如下表所示。

TDD的一个子帧长度包括2个时隙，普通CP配置情况下，TDD的一个子帧长度是14个OFDM符号周期；

而在扩展CP配置情况下，TDD的一个子帧长度 为12个OFDM符号周期。

6 时隙Slot的构成

（1）普通模式时每个slot的构成

每个时隙slot，映射到1个无线资源块（PRB）上, PRB是分配无线资源的最小单元块。

每个PRB包含7个时间上连续的OFDM/SC-FDM调制信号，每个调制信号也称之为一个OFDM/SC-FDM symbol或RE. 挼下图所示：

（2）普通模式时每个符号的构成

采样周期：LTE采用OFDM技术，子载波间隔为△f=15kHz，每个子载波为2048阶IFFT采样，则LTE采样周期Ts=1/（2048×15 000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

• 有效数据：每个时域调制信号由2048个采样点组成，约为66.7us。
• 填充数据：为了克服符号间的干扰（ISI），需要加入CP。CP长度与覆盖半径有关，要求的覆盖半径越大需要配置的CP长度就越长，但过长的CP也会导致系统开销太大。第0个OFDM符号CP长度为160Ts，约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts，约为4.7us；

在这种情况下， 0.5ms时间内，只能容纳7个符号。

（3）扩展模式时每个slot的构成

（4）扩展模式时每个符号的构成

• 有效数据：每个时域调制信号由2048个采样点组成, 约为66.7us。
• 填充数据：每个OFDM周期内有用CP时间长度为512Ts，约为16.7us。

在这种情况下， 0.5ms时间内，只能容纳6个符号。

7 LTE的物理层的时频资源

（1）LTE基带信号的带宽：1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽配置。

（2）无线资源的复用模式：频分复用FDD + 时分复用TDD

（3）“频分复用“”的最小复用单位：子载载波。

（4）子载波参数： 子载波间隔=15K, OFDM子载波带宽=30K， SC-FDMA子载波宽度=15K，20M带宽时子载波的个数=1200。

（5）"时分复用"的最小复用单位：0.5ms的时隙。

（6）无线资源最小的多用户复用单位：1PRB = 12个子载波 * 7个连续时间的符号RE = 84个RE. 

20M带宽情况下，单个时隙有1200%12 = 100PRB， 10ms内有100 * 2slot * 10ms = 2000个PRB.

如果不计算开销，每个资源块PRB应该能提供速率为：

16QAM:    4bits/符号 =》 4* 84  / 0.5ms =  672K

64QAM:    6bits/符号 =》 6* 84  / 0.5ms =  1.008M

256QAM:  6bits/符号 =》 8 * 84 / 0.5ms =  1.344M

（7）多用户复用LTE帧结构

8 LTE的物理层的信道

8.1 物理信道

（1）物理信道的由来

5M带宽情况下，  单个时隙有300%12   = 25PRB，   10ms内有  25 * 2slot * 10ms = 500个PRB.

10M带宽情况下，单个时隙有 600%12 =  50PRB，   10ms内有  50 * 2slot * 10ms = 1000个PRB.

20M带宽情况下，单个时隙有1200%12 = 100PRB， 10ms内有100 * 2slot * 10ms = 2000个PRB.

在实际系统中，10ms的LTE帧结构，不仅仅存放多个用户的数据，还存放小区公共数据。

为了更加有效的、结构化的管理10ms的LTE物理层帧中的数据，如广播消息、同步消息等.

移动通信中采用物理信道的方式，对10ms帧内管理的所有的二维的无线资源RB进行功能的划分，这就是物理信道。

（2）信道的层次

LTE采用UMTS相同的三种信道：逻辑信道、传输信道和物理信道。

逻辑信道：处于是MAC层和RLC层之间的，是MAC层向RLC层提供服务的通道。

传输信道：处于物理层和MAC层之间的，是物理层向MAC层提供服务的通道。

物理信道：处于物理层内部，是无线资源PRB给物理层提供服务的通道.

物理信道是高层信息在无线环境中的实际承载。

在LTE中，物理信道是由一个特定的子载波、时隙、天线口确定的。即在特定的天线口上，对应的是一系列无线时频资源（Radio Resource Block：RB）。

一个物理信道是有开始时间、结束时间、持续时间的。物理信道在时域上可以是连续的，也可以是不连续的。

连续的物理信道持续时间由开始时刻到结束时刻，

不连续的物理信道则须明确指示清楚由哪些时间片组成。

（2）物理信道的种类

根据传送消息的不同类型，逻辑信道分为两类：控制信道、业务信道。

（3）下行方向有六个物理信道

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）：辖区内的大喇叭，但并不是所有广而告之的消息都从这里广播（映射关系在下一节介绍），部分广而告之的消息是通过下行共享信道（PDSCH）通知大家的。PBCH承载的是小区ID等系统信息，用于小区搜索过程。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）：发号施令的嘴巴，不干实事，但干实事的PDSCH需要它的协调。PDCCH传送用户数据的资源分配的控制信息。

举例来说，UMTS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是否去接受寻呼消息；在LTE中因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量有限，所以没有PICH，寻呼指示依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH。同样UMTS有随机接入响应信道（AICH），指示UE随机接入成功；在LTE中，也没有物理层的随机接入响应信道，随机接入响应同样依靠PDCCH。

物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）：类似藏宝图，指明了控制信息（宝藏）所在的位置。PCFICH是LTE的OFDM特性强相关的信道，承载的是控制信道在OFDM符号中的位置信息。

物理HARQ指示信道（Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，PHICH）：主要负责点头摇头的工作，下属以此来判断上司对工作是否认可。PHICH承载的是混合自动重传（HARQ）的确认/非确定（ACK/NACK）信息。

物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）：类似可点播节目的电视广播塔，PMCH承载多播信息，负责把高层来的节目信息或相关控制命令传给终端。

物理下行业务共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）：踏踏实实干活的信道，而且是一种共享信道，为大家服务，不偷懒，略有闲暇就接活干。PDSCH承载的是下行用户的业务数据。

每一种物理信道根据其承载的信息不同，对应着不同的调制方式。

PCSCH和PMCH可根据无线环境好坏，选择合适的调制方式。当信道质量好时选择高阶调制方式，如64QAM；质量差时选择低阶，如QPSK。其他信道不可变更调制方式。

从上图可以看出，不同的物理信道，调制方式不同。

（4）上行方向有三个物理信道

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）：干的是拜访领导时叩门的活，领导开了门才能进行下面的事，如果叩门失败后面的事就没法干了。PRACH承载UE想接入网络时的叩门信号——随机接入前导，网络一旦答应了，UE便可进一步和网络沟通信息。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）：上行方向发号施令的嘴巴，但干实活的PUSCH需要它的协调。PUCCH承载着HARQ的ACK/NACK，调度请求（Scheduling Request），信道质量指示（Channel Quality Indicator）等信息。

物理上行业务共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）：这是一个上行方向踏踏实实干活的信道。PUSCH也采用共享的机制，承载上行用户数据。

（5）信道映射

（6）物理信道的两大处理过程：比特级处理和符号级处理。

• 比特级处理：是物理信道数据处理的前端，主要是在二进制比特数据流上添加CRC校验；进行信道编码、交织、速率匹配以及加扰。
• 符号级处理，包括层映射、天线端口、预编码、资源块RB映射、调制、OFDM调制与复用、天线发送等过程。

本文主要关注调制、OFDM调制与复用、天线发送。

关于层映射、天线端口、预编码、资源块RB映射在多天线MIMO一文中再深入探讨。

8.2 物理信号

物理信号是物理层产生并使用的、有特定用途的一系列无线资源单元（Resource Element）。

物理信号并不携带从高层来的任何信息，它们对高层而言不是直接可见的，即不存在高层信道的映射关系，他们是物理层内在的功能。

下行方向上定义了两种物理信号：参考信号（Reference Signal，RS）和同步信号（Synchronization Signal，SS）。

上行方向上，只定义了一种物理信号：参考信号（RS）。

（1）下行参考信号

下行参考信号RS本质上是一种伪随机序列，不含任何实际信息。这个随机序列通过时间和频率组成的资源单元RE发送出去，便于接收端进行信道估计，也可以为接收端进行信号解调提供参考

（2）下行同步信号

同步信号SS用于小区搜索过程中UE和eUTRAN的时、频同步。UE和eUTRAN做业务连接的必要前提就是时隙、频率的同步。

同步信号包含两部分：

主同步信号（Primary  Synchronization Signal，PSS）：用于符号时间对准，频率同步以及部分小区的ID侦测。

从同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）：用于帧时间对准，CP长度侦测及小区组ID侦测。

在频域里，不管系统带宽是多少，主/从同步信号总是位于系统带宽的中心（中间的64个子载波上，协议版本不同，数值不同），占据1.25MHz的频带宽地。这样的好处是即使UE在刚开机的情况下还不知道系统带宽，也可以在相对固定子载波上找到同步信号，方便进行小区搜索，如图所示。时域上同步信号的发送也须遵循一定规则，为了方便UE寻找，要在固定的位置发送，不能过密也不能过疏。

时域里，同步信号在FDD-LTE和TDD-LTE的帧结构里的位置略有不同。

协议规定FDD帧结构传送的同步信号，位于每帧（10ms）的第0个和第5个子帧的第1个时隙中；主同步信号位于该传送时隙的最后一个OFDM符号里；次同步信号位于该传送时隙的倒数第二个OFDM符号里，如图所示。

时域中TDD-LTE的同步信号位置与FDD不一样。TDD中，主同步信号位于特殊时隙DwPTS里，位置与特殊时隙的长度配置有一定关系；次同步信号位于0号子帧的1#时隙的最后一个符号里，如图所示。

（3）上行参考信号

上行参考信号RS类似下行参考信号的实现机制。也是在特定的时频单元中发送一串伪随机码，类似TD-SCDMA里的上行导频信道（UpPCH），用于eUTRAN与UE的同步以及eUTRAN对上行信道进行估计。

9 物理层信道帧结构、信道、时频资源的关系

（1）时频资源

由子载波和时间组合而成的二维的矩阵，矩阵中的每个单元是可以调制二进制比特的符号（子载波）。

• 频率维度：1200个单元格，最小单元是单载波的RE, 也称为符号；每个子载波之间的间隔是15K, 子载波的个数取决与小区带宽。20M带宽时，有1333子载波，有效子载波为1200，多余的子载波用于小区的保护。
• 时间维度：140个传输RE单元格， 为每个RE预留的传输时间为0.5ms/7=0.07ms，连续7个RE的传输为1个slot，每2个slot为1ms的子帧，10个1ms的子帧构成一个10ms的基本帧。

（2）RE的构成

• 频率：就一个15K带宽的子载波，载波频率为n*15K, n=1,2,3....周期为1/15K = 66.67us/n，频率越高，周期越小，传输一个完整波形的时间越小，相同时间内，传输的完整的波形就越多。
• 时域：0.5ms内传输7个RE, 每个RE传输与一个携带无效数据CP和一个携带有效数据的OFDM符号，平均时间为71.43us。
• 时域-有效数据：传输时间为66.7us，正好包含1....N个完整的载波的波形, 频率越高，包含的完整的波形的个数越多，N个波形称为一个符号symbol。
• 时域-CP：填充数据，是两个有效符号之间的空挡时间，是为了克服符号间的干扰（ISI）添加的。第0个OFDM符号CP长度约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度约为4.7us；

（3）物理信道

在二维时频资源矩阵中，完成特定功能的时频资源块，就是特定的物理信道。

（4）信道映射

为二维时频资源矩阵中特定位置的时频资源指定特定的物理层功能，就是信道映射。

（5）物理层帧

使用结构化的方法，按照特定的功能，管理和分配二维时频资源矩阵的单元格资源。

至此，无论是物理层上层用户数据、还是物理层上层的信令消息，亦或是物理层本层的控制信号，在物理层的帧结构的统一管理下，使用特定的时频资源在基站和手机之间进行传输。

在数字通信系统中，用户数据、信令消息、控制信号都是二进制数据。

至于如何使用基带子载波信号承载二进制数据，然后再使用高频载波承载基带子载波信号，就是调制和解调的任务了。

最后

以上就是精明煎蛋为你收集整理的星星之火-38：LTE物理层无线资源与帧结构快速入门的全部内容，希望文章能够帮你解决星星之火-38：LTE物理层无线资源与帧结构快速入门所遇到的程序开发问题。

如果觉得靠谱客网站的内容还不错，欢迎将靠谱客网站推荐给程序员好友。