3GPP LTE 物理层概况 pengxiao @ pcnss Oct. 6, 2007

3GPP LTE 物理层概况

pengxiao @ pcnss

Oct. 6, 2007

1. LTE 概述

2. LTE 物理层的当前状态

3. 针对物理层的一些最新技术提案

1. LTE 概述



1.1 商业目的保证未来十年内 3GPP 无线接入技术的领先地位（主要竞争对手

为 Wimax ）

1.2 主要技术目标 1. 上下行峰值速率分别为 100Mbps 和 50Mbps ；（相应频谱利用率分别为 5bps/Hz 和 2.5bps/Hz ） 2. 基于分组交换； 3. 非常低的延时（以支持大型在线网游以及 VoIP ）； 4. 对低速移动优化系统，同时支持高达 350km/h 的高速移动； 5. 支持最大达 100km 的小区半径； 6. 强大的多媒体多播广播业务能力

1.3 体系结构

1.3.1 网络拓扑

注： E-UTRAN

就是 3gpp-LTE

eNB

MME / S-GW MME / S-GW

eNB

eNB

S1 S1

X2 E-UTRAN

1.3.2 协议栈

Radio Resource Control (RRC)

Medium Access Control(MAC)

Transport channels

Physical layer

Con

trol

/ M

easu

rem

ents

Layer 3

Logical channelsLayer 2

Layer 1

1. LTE 概述



2.1 帧结构

2.1.1 FS1 ( frame structure type 1 )

特点：同时适用于全双工 FDD 、半双工 FDD 和 TDD

#0 #1 #2 #3 #19#18

One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms

One slot, Tslot = 15360Ts = 0.5 ms

One subframe

2.1.2 FS2 ( frame structure type 2 )

特点：只用于 TDD ；主要是为了兼容 TD-SCDMA ；存在争议

#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6

One subframe, 20736 Ts = 0.675 ms

Guard period, 1536Ts = 50 µs

UpPTS, 4352Ts = 141.66... µsDwPTS, 2560Ts = 83.33... µs

One radio frame, Tf = 307200Ts = 10 ms

One half frame, 153600Ts = 5 ms

2.2 上行链路

2.2.1 基本传输技术

1) 为控制 PAPR ，采用 SC( 单载波 ) - FDMA 多址技术；

2) SC-FDMA 信号通过 DFT 扩展 OFDM 的方法在频域生成（以获得与 OFDM 参数配置最大程度的相似）；

DFT Sub-carrier Mapping

CP insertion

Size-NTX Size-NFFT

Coded symbol rate= R

NTX symbols

IFFT

3) 两种子载波映射方案： Localized mapping 和 Distributed mapping;

后者可以获得额外的频率分集；两者间的切换由链路自适应体制负责；

4) 主要调制方式： BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM ； 5) 主要编码方式： Turbo ， Tail biting convolutional coding

0

0

0

0

L-1 zeros

L-1 zeros

L-1 zeros

from DFT

from DFT

to IFFT to IFFT

2.2.2 物理层资源映射 ——resource grid

每一个 slot 映射到一个 resource grid;

每个 resource grid 包含多个 resource block ；

每个 resource block 包含时域上连续的多个 SC-FDMA symbol 和频域上连续的多个子载波。

ULsymbN SC-FDMA symbols

One uplink slot slotT

0l 1ULsymb Nl

RB scUL RB

NN

su

bcar

riers

RB scN su

bcar

riers

RBsc

ULsymb NN

Resource block

resource elements

Resource element ),( lk

2.2.3 传输信道 ( transport channel ) 划分

1) 上行共享信道 ( Uplink Shared Channel 即 UL-SCH ) 2) 随机接入信道 ( Random Access Channel 即 RACH )

3) 控制信道资源 ( Control Channel Resource )

传输信道与物理信道的映射关系如下：

2.2.4 上行共享信道 ( UL-SCH ) 的物理层模型

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

MA

C s

ched

uler

Node B

Resourceassignment

Modulationscheme

Redundancyversion

Antennamapping

HARQ info

ACK/NACK

Antenna demapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

HARQ

UE

HARQ info

ACK/NACK

Antenna mapping

N Transport blocks(dynamic size S1..., SN)

Errorindications

Resource/powerassignment

Modulationscheme

Antennamapping

HARQ

Upl

ink

tran

smis

sion

con

trol

Channel-state information, etc.

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

MA

C s

ched

uler

Node B

Resourceassignment

Modulationscheme

Redundancyversion

Antennamapping

HARQ info

ACK/NACK

Antenna demapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

HARQ

UE

HARQ info

ACK/NACK

Antenna mapping


Errorindications


Modulationscheme

Antennamapping

HARQ

Upl

ink

tran

smis

sion

con

trol

Channel-state information, etc.

2.2.5 随机接入信道 ( UL-SCH )

1) 物理层随机接入 burst 的时域结构如下图；其中 Preamble

由 Zadoff-Chu 序列生成。

2) 两种随机接入：非同步随机接入和同步随机接入

PreambleCP

CPT PRET

2.2.6 控制信道资源 ( control channel resource )

1) 由物理控制信道 (PUCCH) 映射而来，其实就是一个简单的上

行控制信道；

2) 传输的信令包括： CQI ( 信道状态指示 );

N/ACK ( 用于 HARQ);

调度请求

2.2.7 上行参考信号

1) 上行参考信号的产生基于 Zadoff-chu 序列；

2) 共有两种上行参考信号：

i) 解调参考信号： PUSCH 解调参考信号； PUCCH 解调参考信号；

ii) 回声参考信号 (sounding reference signal)

2.2.8 上行多天线技术

1) 上行 MIMO 的基本配置是 MU-MIMO ( Multi-User MIMO ，即多个 SDM 数据流用于多个用户 ) ；

2) MU-MIMO 必须与预编码 (pre-coding) 联合使用 , UE 周期性地汇报 PMI (Pre-coding Matrix Indicator) ；

3) FDD 中将支持闭环天线选择分集 ( UE 可选 )

2.2.9 上行功控

上行同时支持开环和闭环功控

1) 小区内上行功控 ( intra-cell uplink power control ):

the closed loop component adjusts a set point determined

by the open loop power control component;

2) 小区间上行功控 ( inter-cell uplink power control ):

a cell wide overload indicator (OI) is exchanged for

inter-cell power control

2.3 下行链路

2.3.1 基本传输技术

1) 多址技术为 OFDMA ；

2) 子载波（物理资源块）的映射仍然有 Localized 和 Distributed

两种方式；

3) 主要调制方式为 QPSK, 16QAM, 64QAM ；

4) 主要编码方式为 Turbo 和 Tail biting convolutional coding ；

5) 采用很小的最小交织长度（以满足低数据传输延迟的要求）

2.3.2 物理层资源映射

与上行类似，只不过 SC-FDMA symbol 换成了 OFDM symbol 而已

DLsymbN OFDM symbols

One downlink slot slotT

0l 1DLsymb Nl

RB scDL RB

NN

su

bcar

riers

RB scN su

bcar

riers

RBsc

DLsymb NN

Resource block

resource elements

Resource element ),( lk

2.2.3 传输信道 ( transport channel ) 划分

1) 下行共享信道 DL-SCH 5) 寻呼信道 PCH

2) 下行控制信道 DL-CCH 6) 广播信道 BCH

3) 控制格式标示 CFI 7) 多播信道 MCH

4) HARQ 标示 HI

传输信道与物理信道的映射关系大致如下：

2.2.4 下行共享信道 (DL-SCH) 的物理层模型

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

QPSK, 16QAM, 64QAMData modulation

Interleaving

HARQ

MA

C s

ched

ule

r


Node B

Redundancy fordata detection

Redundancy forerror detection

Multi-antennaprocessing


Modulationscheme

Redundancyversion

Antennamapping

HARQ info

ACK/NACK

Channel-stateinformation, etc.

Antenna mapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

HARQ

UE

HARQ info

ACK/NACK

Antenna demapping

Errorindications

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

QPSK, 16QAM, 64QAMData modulation

Interleaving

HARQ

MA

C s

ched

ule

r


Node B

Redundancy fordata detection

Redundancy forerror detection

Multi-antennaprocessing


Modulationscheme

Redundancyversion

Antennamapping

HARQ info

ACK/NACK

Channel-stateinformation, etc.

Antenna mapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

HARQ

UE

HARQ info

ACK/NACK

Antenna demapping

Errorindications

2.2.5 广播信道 (BCH) 的物理层模型

CRC

Resource mapping

Coding + RM

QPSK onlyData modulation

Interleaving

Single Transport blocks(fixed size S)

Node B

Antenna mapping

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindication

CRC

Resource mapping

Coding + RM

QPSK onlyData modulation

Interleaving

Single Transport blocks(fixed size S)

Node B

Antenna mapping

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindication

2.2.6 寻呼信道 (PCH) 的物理层模型

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

MA

C s

ch

ed

ule

r

Single Transport blocks(dynamic size S)

Node B


Modulationscheme

Antennamapping

Antenna mapping

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindication

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

MA

C s

ch

ed

ule

r

Single Transport blocks(dynamic size S)

Node B


Modulationscheme

Antennamapping

Antenna mapping

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindication

2.2.7 多播信道 (MCH)

1) 多播信道支持 MBFSN ( Multicast/ Broadcast over a Single Frequency

Network ) ；

2) in MBFSN, a time-synchronized common waveform is transmitted from multiple cells for a given duration, allowing for over-the-air combining of multi-cell transmissions in the UE, where the cyclic prefix is utilized to cover the difference in the propagation delays, which makes the MBSFN transmission appear to the UE as a transmission from a single large cell ；

3) MBFSN 要求 MCH 的传输格式和资源分配方式是准静态的 ( semi-static )

4) 多播信道的物理层模型如下：

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

MA

C s

ched

ule

r


Node B


Modulationscheme

Antennamapping

Antenna mapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindications

Semi-staticconfiguration

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource mapping

Coding + RM

Data modulation

Interleaving

MA

C s

ched

ule

r


Node B


Modulationscheme

Antennamapping

Antenna mapping

CRC

RB mapping

Coding + RM

Data modulation

Interl.

CRC

Resource demapping

Decoding + RM

Data demodulation

Deinterleaving

UE

Antenna demapping

Errorindications

Semi-staticconfiguration

2.2.8 下行控制信道 (DL-SCH)

下行控制信令包含： 1) 传输格式、资源分配方式及 HARQ 信息； 2) 上行调度确认 ( Uplink scheduling grant ) ；

2.2.9 控制格式标示 (CFI)

指示 PDCCH 中，一个子帧里 OFDM 符号的个数；

2.2.10 HARQ 标示 (HI)

包含 HARQ 的 ACK/NAK

2.2.11 下行参考信号与同步信号

2.2.11.1 下行参考信号

每个参考信号对应于一个下行天线端口，共有以下三种参考信号：

1) MBSFN reference signal ，针对 MBFSN 传输； 2) Cell-specific reference signal ，针对 non-MBFSN 传输； 3) UE-specific reference signal ，只用于单天线端口传输

2.2.11.2 同步信号

1) Primary synchronization signal

2) Secondary synchronization signal

2.2.12 下行多天线技术

1) 支持 2 或 4 个发射天线；

2) SU-MIMO 和 MU-MIMO ，及两者的准静态切换 (semi-static switching) ；

3) 支持基于码本反馈的预编码以及秩自适应机制；

4) 采用波束成型技术作为一个可选的 MIMO 模式；

注： SU-MIMO: Spatial division multiplexing (SDM) of multiple modulation symbol

streams to a single UE using the same time-frequency (-code) resource

MU-MIMO: Spatial division multiplexing of modulation symbol streams to different

UEs using the same time-frequency resource

1. LTE 概述



下列技术提案均摘自 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074xxx 系列；

在 07 年 10 月 8日中国上海举行的 3GPP会议上这些提案将被予以讨论

Doc-ID: R1-074043

Source: Motorola

Title: CQI Feedback Schemes for E-UTRA

for: Discussion

概述：

1) 针对 LTE 系统中 CQI反馈机制的过高开销， Moto 提出了一些改进方案 ,

包括 Bitmap Feedback Scheme, Top-M feedback scheme , 以及 Hybrid

feedback scheme;

2) 这些改进的 CQI反馈机制以频域选择性调度 ( frequency-selective

scheduling ) 为基础，每次 CQI 汇报只需 10bit左右，并且基本可达到全反馈性能 (full feedback performance)

Doc-ID: R1-074417

Source: Panasonic

Title: VoIP capacity comparison between Nd=2 and Nd=3 for

DL distributed transmission

for: Discussion and Decision

概述：

1) 3GPP 就下行分布式传输 (downlink distributed transmission) 暂时形成了

两套方案 : Nd=2, 和 Nd=3 ； ( Nd: diversity order )

2) 为比较这两套方案的优劣， Panasonic 就 VoIP （属于典型的下行分布式

传输业务）的容量进行了仿真分析；他们的结果显示，相对于 Nd=2 而言， Nd=3 有 8~9% 的容量增益。以此为依据， Panasonic 认为 Nd=3 是更

好的选择

Doc-ID: R1-074424

Source: Panasonic

Title: Discussion on CQI Report Metric (SINR vs TBS)


概述：

1) Panasonic 就 CQI 汇报的尺度 (metric)进行了一些研究。他们认为，在决

定 CQI 的汇报尺度时，作为汇报实体的 UE 和作为评估实体的 eNB之间的功能划分应该作为一个考虑因素。

2) Panasonic 认为 TBS ( transport block size )作为汇报尺度要稍好于 SINR 。

Doc-ID: R1-074429

Source: Qualcomm Europe

Title: Details on Scrambling

for: Discussion

概述：

1) 针对 LTE 中的扰码机制，高通提出了一种新的 PRN扰码生成器；他们认为

这种扰码生成算法十分简便和灵活，适用于多种应用场合。

2) 高通给出了基于这种扰码生成器的 LTE 信道配置。

Doc-ID: R1-074430

Source: Qualcomm Europe

Title: Baseline CQI Format


概述：

1) 针对 CQI 信号可以在 PUSCH, PUCCH 两个物理信道上传输的事实，高通

做了一些分析和比较；他们认为，在支持频率分集和频率选择性调度的情况下，两种方式各有优劣。

2) 仿真结果显示，在多数场景下，无论窄带还是宽带情形， PUCCH都能提供简便而良好的 CQI 传输；但随着粒度的增大 ( CQI granularity

increasing ) ， PUSCH 成了更好的选择。

Doc-ID: R1-074432

Source: IPWireless, Nextwave Wireless

Title: TDD Frame Structurefor: Discussion and Decision

概述：

1) IPWireless 对 FS2 提出了异议。他们认为 LTE-TDD 的设计要力图与 LTE-FDD 兼容；只有这样，在芯片设计、测试耗费、设备代价以及市场前景等方面， LTE才会表现出竞争力。他们认为在这一点上 FS2 很成问题，因为它与 LTE-FDD 兼容性很差。

2) IPWireless 认为这种局面的原因是， FS2设计的一个前提是保证 LTE-TDD 和 TD-SCDMA 在上下行切换点处的严格对准。他们认为这个前提的必要性值得怀疑，并建议 RAN1敦促 RAN4 对这个问题进行重新研究。

参考文献 [1] 3GPP TS 36.201 V2.0.0 (2007-09)

[2] 3GPP TS 36.211 V2.0.0 (2007-09)

[3] 3GPP TS 36.212 V2.0.0 (2007-09)

[4] 3GPP TS 36.213 V2.1.0 (2007-09)

[5] 3GPP TS 36.214 V2.0.0 (2007-09)

[6] 3GPP TS 36.300 V8.1.0 (2007-06)

[7] 3GPP TR 25.814 V7.1.0 (2006-09)

[8] 3GPP TR 25.913 V7.3.0 (2006-03)

[9] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074043 (2007-10)

[10] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074417 (2007-10)

[11] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074424 (2007-10)

[12] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074429 (2007-10)

[13] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074430 (2007-10)

[14] 3GPP TSG RAN1#50-bis R1-074432 (2007-10)

附：相关文献的下载站点

与 LTE 相关的最新技术规范： http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/

与 LTE 相关的最新提案： http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/

http://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/36_series/

http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/

Documents

3GPP LTE 物理层概况 pengxiao @ pcnss Oct. 6, 2007