LTE空中接口物理层分析

1 概述

LTE是3GPP在2005年启动的新一代无线系统研究项目。LTE采用了基于OFDM技术的空中接口设计，目标是构建出高速率、低时延、分组优化的无线接入系统，提供更高的数据速率和频谱利用率。



图1-1LTE系统网络架构

整个系统由核心网络（EPC）、无线网络（E-UTRAN）和用户设备（UE）3部分组成，见上图。其中EPC负责核心网部分；E-UTRAN（LTE）负责接入网部分，由eNodeB节点组成；UE指用户终端设备。系统支持FDD和TDD两种双工方式，并对传统UMTS网络架构进行了优化，其中LTE仅包含eNodeB，不再有RNC；EPC也做了较大的简化。这使得整个系统呈现扁平化特性。

系统的扁平化设计使得接口也得到简化。其中eNodeB与EPC通过S1接口连接；eNodeB之间通过X2接口连接；eNodeB与UE 通过Uu接口连接。

2 物理层过程

本文重点讨论LTE空中接口物理层的一些主要过程。

2.1 下行物理层过程

2.1.1 小区搜索过程

UE使用小区搜索过程识别并获得小区下行同步，从而可以读取小区广播信息。此过程在初始接入和切换中都会用到。

为了简化小区搜索过程，同步信道总是占用可用频谱的中间63个子载波。不论小区分配了多少带宽，UE只需处理这63个子载波。

UE通过获取三个物理信号完成小区搜索。这三个信号是P-SCH信号、S-SCH信号和下行参考信号（导频）。

一个同步信道由一个P-SCH信号和一个S-SCH信号组成。同步信道每个帧发送两次。

规范定义了3个P-SCH信号，使用长度为62的频域Zadoff-Chu序列。每个P-SCH信号与物理层小区标识组内的一个物理层小区标识对应。S-SCH信号有168种组合，与168个物理层小区标识组对应。故在获得了P-SCH和S-SCH信号后UE可以确定当前小区标识。

下行参考信号用于更精确的时间同步和频率同步。

完成小区搜索后UE可获得时间/频率同步，小区ID识别，CP长度检测。


图2.1.1-1小区搜索过程

2.1.2 下行功率控制

下行功率控制适用于数据信道（PDSCH）和控制信道（PBCH、PDCCH、PCFICH和PHICH）。

eNode B 决定每个资源单元的下行发射功率。对于数据信道（PDSCH）方法如下：

对每个OFDM 符号，定义或= EPREPDSCH /EPRERS，

= [dB] 或

= [dB]

其中=0dB （对所有 PDSCH 发送方式，除多用户MIMO）

是由高层提供的UE特定参数，使用3个比特表示[3,2,1,0,-1,-2,-3,-6] dB。

2.1.2.1eNodeBRNTP 限制

系统通过定义“RNTP(RelativeNarrowbandTX Power) ”来支持可能进行的下行功率协调，该消息通过X2接口在基站间交换。

定义了一个门限，由以比特图的形式指示每个PRB将要使用的发射功率是否超过该门限。由下式确定：



其中：

- 指示比特图

- 下行带宽配置

-

- nPRB PRB 数目

- EA：不包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率

- EB：包含参考符号的OFDM符号中的数据子载波的发射功率

2.1.3 寻呼 – 物理层面

寻呼用于网络发起的呼叫建立过程。有效的寻呼过程可以允许UE在多数时间处于休眠状态，只在预定时间醒来监听网络的寻呼信息。

在WCDMA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是否去接收寻呼信息。因为寻呼指示信息时长比寻呼信息时长短得多，这种方法可以延长UE休眠的时间。

在LTE中寻呼依靠PDCCH。UE依照特定的DRX周期在预定时刻监听PDCCH。因为PDCCH传输时间很短，引入PICH节省的能量很有限，所以LTE中没有使用物理层寻呼指示信道。

如果在PDCCH上检测到自己的寻呼组标识，UE将解读PDSCH并将解码的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。PCH传输块中包含被寻呼的UE的标识。未在PCH上找到自己标识的UE 会丢弃这个信息并依照DRX周期进入休眠。
2.2 上行物理层过程

2.2.1 随机接入过程

层一的随机接入过程包括随机接入preamble的发送和随机接入响应。其余的消息不属于层一的随机接入过程。

2.2.1.1 物理非同步随机接入过程

层一的随机接入过程包括如下步骤：

高层的preamble发送请求触发L1随机接入过程；

随机接入所需的preambleindex，目标preamble 接收功率(PREAMBLE_RECEIVED_TARGET_POWER)，相应的 RA-RNTI 和 PRACH 资源作为请求的一部分由高层指示；

preamble发射功率PPRACH由下式计算：

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

其中是配置的 UE 发射功率，PL 是UE估算的下行路径损耗；

UE使用preambleindex 在 Preamble 序列集中随机选择一个 Preamble 序列；

UE在指定的PRACH上以功率 PPRACH 发送选择的 Preamble 序列；

UE尝试在高层定义的接受窗口内使用RA-RNTI检测 PDCCH。如果检测到，相应的 PDSCH 传输块被传输到高层。高层解读传输块并使用 20 比特 UL-SCH grant指示物理层。