高通firehose通信协议_LTE协议精读(1)-概述

笔者最近在学习3GPP LTE协议的物理层，打算写一个系列整理一下学习笔记，主要依据的是3GPP 36系列的协议文档^[1]。36.200定义的是Layer1也就是物理层，36.300定义了Layer2和3，也就是MAC层和射频资源控制，整个协议的结构如下图。

这篇文章整理自36.201文档，201文档定义了LTE physical layer - General description，也就是物理层概述，由于是概述所以基本是翻译文档。LTE物理层为其它层实现了数据传输服务，接入上层服务是通过Transport channels (TC)。物理层需要实现以下功能：

1. Error detection on the transport channel and indication to higher layers（检错）
2. FEC encoding/decoding of the transport channel（前向纠错）
3. Hybrid ARQ soft-combining（自动重发请求）
4. Rate matching of the coded transport channel to physical channel（速率匹配）
5. Mapping of the coded transport channel onto physical channels（映射）
6. Power weighting of physical channels （功率分配）
7. Modulation and demodulation of physical channels（调制解调）
8. Frequency and time synchronisation（时频同步）
9. Radio characteristics measurements and indication to higher layers（射频测量）
10. Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna processing（MIMO天线处理）
11. Transmit Diversity (TX diversity)（分集传输）
12. Beamforming（波束成形）
13. RF processing（射频处理）

1. 物理层Multiple Access的基本知识

• Downlink是用的带cyclic prefix (CP) 的OFDM调制。uplink和sidelink使用的带cyclic prefix 的SC-FDMA。FDD和TDD两种模式都要支持。
• LTE网络划分频谱资源的单位是resource blocks（RC）- 资源块。RC就是时间和频率资源的二维划分，RC有两种：12个15Khz的子载波持续0.5ms；24个7.5Khz的子载波持续0.5ms；144个1.25Khz的子载波持续1ms。这三种RC的带宽都是180Khz。窄带模式中，用户设备会使用六个连续的RC。NB-IoT模式中，downlink使用12个15Khz的子载波，uplink有三种：单载波3.75Khz；单载波15Khz；3，6，12个15Khz的子载波。NB-IoT不支持TDD在Release13。
• 帧frame结构有三种，第一种只能用在FDD；第二种只能用在TDD；第三种只用在LAA secondary cell operation。这里LAA是指用ISM频带的LTE通信。

1. 第一种长10ms，由20个0.5ms的slots构成，相邻的两个slots构成一个sub-frame子帧。如果子载波带宽是1.25Khz，一个slot一个子帧。
2. 第二种包括两个half-frame，每个长5ms，由10个0.5ms的slots构成。half frame有两种：一种由10个0.5ms的slots构成；另一种由8个0.5ms的slot加长1ms的DwPTS, GP and UpPTS。
3. 第三种长10ms，由20个0.5ms的slots构成，相邻的两个slots构成一个sub-frame子帧。每个子帧都能被用在uplink和downlink。downlink和uplink开始之前，基站要开始一个信道接入的过程，但是downlink的开始或者结束可以不再subframe的边界。

• LTE中downlink的MIMO支持最多32个发送天线，8个接受天线，允许多层最多8个stream传输，在水平和垂直方向波束成形。uplink的MIMO会弱一点，支持最多4个发送天线，4个接受天，允许多层最多4个stream传输。
• Coordinated Multi-Point (CoMP)调节多点传输，要能配置UE多CSI信道参数反馈。
• LTE还需要实现Multimedia Broadcast and Multicast Service (MBMS)广播多播服务，传送Multicast/Broadcast over Single Frequency Network (MBSFN) 单频网络。
• uplink和downlink要能够聚合最多32个小区，每个小区的传输带宽上限是110个RC，能够传输1型和2型frame。而且能够连接属于两个eNB的服务小区。
• sidelink传输是用来支持用户设备之间的ProSe Direct Discovery（临近服务直接探索）和ProSe Direct Communication（临近服务直接通信）。这里ProSe是Proximity Service代理服务，也就是用来实现D2D设备间通信的，而D2D一般指临近设备之间的通信。sidelink使用网络范围内用户设备的相同帧结构；然而只限制在uplink资源的子集。V2X车联网可以使用sidelink或者通过基站。

2. 物理层信道

downlink信道：

1. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) （共享信道）
2. Physical Multicast Channel (PMCH)（多播信道）
3. Physical Downlink Control Channel (PDCCH)（控制信道）
4. Enhanced Physical Downlink Control Channel (EPDCCH)（增强控制信道）
5. MTC Physical Downlink Control Channel (MPDCCH)（机器通信控制信道）
6. Relay Physical Downlink Control Channel (R-PDCCH)（转播控制信道）
7. Physical Broadcast Channel (PBCH)（广播信道）
8. Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH)（物理控制格式指示）
9. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH)（混合自动重发）
10. Narrowband Physical Broadcast Channel (NPBCH)（窄带广播）
11. Narrowband Physical Downlink Control Channel (NPDCCH)（窄带下行控制）
12. Narrowband Physical Downlink Shared Channel (NPDSCH)（窄带下行共享）

uplink信道：

1. Physical Random Access Channel (PRACH)（随机接入）
2. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)（共享）
3. Physical Uplink Control Channel (PUCCH)（控制）
4. Narrowband Physical Random Access Channel (NPRACH)（窄带随机接入）
5. Narrowband Physical Uplink Shared Channel (NPUSCH)（窄带共享）

sidelink信道：

1. Physical Sidelink Broadcast Channel (PSBCH)
2. Physical Sidelink Control Channel (PSCCH)
3. Physical Sidelink Discovery Channel (PSDCH)
4. Physical Sidelink Shared Channel (PSSCH)

3. 物理层调制

1. downlink：QPSK, 16QAM, 64QAM and 256QAM
2. uplink：QPSK, 16QAM, 64QAM and 256QAM；单载波NB-IoT是
   BPSK and
   QPSK
3. sidelink：QPSK，16QAM

4. 信号编码和交织编码

1. Turbo码，码率1/3，两个8状态编码器
2. quadratic permutation polynomial (QPP)Turbo码交织器
3. Trellis termination栅格终止
4. 在Turbo编码之前，码块要先字节对齐，最大一个码块6144 bits，使用24 bit CRC纠错。

5. 物理层过程

1. Cell search（小区搜索，包括检测小区ID和downlink同步）
2. Power control（能量分配）
3. Uplink synchronisation and Uplink timing control（uplink同步）
4. Random access related procedures（随机接入）
5. HARQ related procedures（混合自动重传）
6. Relay related procedures（转播）
7. Sidelink related procedures（sidelink）
8. Channel Access procedures（信道接入）

6. 物理层测量

由用户设备和基站测量的射频信号特征要上报给上层，物理层测量可以帮助寻找更好的接入基站。包括：频率切换，无线接入（RAT）切换，时间测量，定位，RRM测量。

参考

1. ^3GPP 36系列协议 https://www.3gpp.org/DynaReport/36-series.htm