LTE物理层概述

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“发现了一本对于理解LTE很有帮助的书 Understanding LTE with MATLAB  ,编辑Houman Zarrinkoub。可惜书是英文版，为了图省钱，便准备边学边翻译边分享，书中的专业性词汇给出了英文原文，图和表的排版都是参考原文，翻译不准确的地方请读者多多包涵”

第二章 LTE物理层概述

本书关注LTE(Long Term Evolution) 物理层无线接入技术(Radio Access Technology)。大家的关注点聚焦在LTE物理层无限接口相关的技术概念的理解，对于这个主题的关注，将更好的说明LTE和LTE-A技术实现的显著的速率(datarates)。

LTE指定数据通信协议，包括上行（终端到基站）和下行通信（基站到终端），3GPP(Third Generation Partnership Project)术语里，基站指的是eNodeB (enhanced Node Base Station)，移动终端指的是UE(UserEquipment)。

本章内容包括物理层数据通信原理和LTE通信标准的传输协议。首先大家概述频带，FDD和TDD技术，可变带宽配置，时间帧，LTE时-频资源图。接着大家将详细的学习上下行处理站(processing stacks)，其中包括多载波传输方案，多天线协议，自适应调节，编码协议和依赖信道的链路适应(channel-dependent link adaptations)。

在每一个实例中，大家首先讨论连接不同通信栈层的信道，接着详细的讨论在上行和下行的物理层PHY的信号处理。这里所讨论的细节部分足够让大家通过MATLAB工程来建立下行PHY层数据处理模型。在随后的4个章节里，大家将通过简单的MATLAB算法推导出一个系统模型。

2.1 空口

LTE空口技术是基于下行的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)多址接入技术(multiple-access technology)和下行的SC-FDM(Single-Carrier Frequency Division Multiplexing)技术。OFDM技术与其他的多址接入技术相比有着明显的优点，在诸多的优点中最为重要的是高效的频率利用率，可变的通信带宽，对于多径衰落导致的码间干扰有抵抗性，支撑MIMO(Multiple Input Multiple Output)方案，同时支撑频域技术（如频域选择技术）[1]。

时-频表示的OFDM可以保证灵活的分配频率和时间帧，在LTE中，灵活的频谱不仅提供大量的频带资源，同时提供了可以扩展的带宽。LTE同时提供最小的10ms短帧为了缩小时延。通过指定的短帧尺寸，LTE能够提供更好的移动端的信道估计，allowing timely feedbacks necessary for link adaptations to be provided to the base station.

2.2 频带

LTE标准制定频谱资源为不同的频带。LTE标准的目标之一是与之前的移动通信系统无缝连接。例如，3GPP已经定义好的频带同样适用于LTE的部署，除了那些通用的频带，一些新的频带首次在LTE标准中被引进。不同国家间对于这些频带的规定不同，因此这些频带部署比起管理而言要容易的多。

按照惯例，3GPP标准的LTE同事支撑FDD和TDD两种模式，所以频带被分别指定为成对的和非成对的。FDD频带是成对的，这样保证了在不同的频带上平行传输：一个上行一个下行。为了提高接收器的性能，这种成对的频带同样被指定。TDD频带是非成对的，因为上行和下行传输可以共享同一个信道和载频，上下行传输是时分多路的（time-multiplexed）。

3GPP发布的R11标准显示了频带列表[2]，这个列表包括FDD的25个频带和TDD的11个频带。如表2.1所示，FDD双工的成对频带编号为1到25，表2.2显示了TDD频谱编号是33到43。6号频带不用于LTE，15和16号频带应用于ITU Region 1.

2.3 单博和多播传输服务

在移动通信中，最常见的通信模型是单点传输(unicast transmission)，即设计的数据对象为单个用户。除了单点传输服务之外，LTE支撑多媒体广播多播业务MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Services)的传输模型。MBMS传送高速率的多媒体服务，比如TV和无线广播，音频和视频流[1]。

MBMS具有自己的专用的传输和控制信道，基于多网格传输模型搭建的一个多播组播单频网络MBSFN(Multimedia Broadcast Single Frequency Network)。多媒体信号通过相邻的多个小区传输，这些小区属于同一给定的MBSFN服务区。当单播多播信道的传输内容通过不同小区传送，同一个子载波在UE上相干组合，导致信噪比SNR(signal-to-noise ratio)显著提高，并且显著提高了多媒体传输最大允许数据速率。单播传输或者多播/广播传输模型，都会影响系统操作。当大家描述LTE各个部件的常识的时候，大家将突出强调不同参数在单播和多播模型中如何操作的，这些参数包括不同信道，传输方式，物理信号和参数。本书的重点将放在单播服务和数据传输上。

2.4 频带分配

IMT-Advanced标准要求LTE的频谱灵活配置，这导致带宽在频域中是可伸缩的，范围从1.4MHz到20MHz。LTE中的频谱形成由12个子载波组成的级联的资源块。由于子载波以15kH单位分开，资源块总带宽为180kHz。这使得在单载波上，传输带宽配置的资源块从6个到110个，这就说明了LTE标准的多载波传输允许信道带宽从1.4MHz到20MHz变化，步长是180kHz，实现了频谱的灵活性。表2.3说明了信道带宽和资源块数量之间的关系。对于3-20MHz的带宽，传输带宽中的资源块的总体占有信道带宽的90%左右。

在1.4kHz的情况下，百分百下降到77%左右。这有助于减少带宽之外不必要的发射，如图2.1所示。下一节将会给出资源网格，资源块，时-频谱的定义。

2.5 时域结构

LTE的时域结构如图2.2所示，理解数据的时频表示，如何映射到已知的资源网格，何将资源网格最终转换为用于传输的OFDM符号，对于这些概念的清晰的理解，有助于理解LTE传输原理。时域上，LTE将传输组织为长度为10ms的无线帧序列，然后将每个帧细分为10个长度为1ms的子帧，每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙组成。最后，每个时隙由多个OFDM符号组成，同时含有6个或者7个普通循环前缀或者扩展循环前缀。接下来，大家将重点讨论OFDM传输的时间-频率表示。

参考文献

[1] Ghosh, A. and Ratasuk, R. (2011) Essentials of LTE and LTE-A, Cambridge University Press, Cambridge.

[2] Dahlman, E., Parkvall, S. and Sköld, J. (2011) 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Elsevier.

[3] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), , Physical Channels and Modulation Version 10.0.0. TS 36.211, January 2011.

[4] C. Lim, T. Yoo, B. Clerckx, B. Lee, B. Shim, Recent trend of multiuser MIMO in LTE-advanced, IEEE Magazine, 51, 3, 127–136, 2013. [5] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Multiplexing and Channel Coding. TS 36.212.

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未完待续

2018年10月25日