[原创]LTE物理层详解--- 基本先容

yueyingfeixu

自己看了些物理层协议，有一些理解，希翼大家能互相交流，多多捧场:)
1.机制的来源 ---- 哲学

• 想出来的，协议或规定，特别是‘恰当（中庸的思想），极端就是毁灭. 就像TDD没有沿用3G的上下行随便配置的方法，但也不能只有一种配置，这样太死板，所以折中之后提取出了七种比较有意义的帧结构模型。
• 具体问题具体分析。不能生搬硬套，要根据具体的情况订出具体的策略。后面先容每种信道的时候就能看出来，每种信道的处理几乎都不一样，没有一种完全统一的方式。
• 就像数学推论一样，当问一个为什么，不断问下去的时候？最后要不是规定或者设计思想；就要不是‘公理，定理’，根本没法证明。
• 任何事情都没有完美的，有利有弊，只是看你有没有发现而已。
• 配置出来的
• 潜规则，这是一种规则但并没有显示表示（在代码中也有同样的。由于潜规则不容易发现而且难于理解，最好少用）

注：也许这些看起来比较空洞，但当你看完了后面的信道实现再反过来看的时候，就能很好的感觉这些思想的意义了。


2.后面讨论的一些限制

• 只涉及TDD-LTE，TDD比较复杂些，想清楚了它,FDD自然也好理解
• 只涉及子载波是15kz的情况
• 只讨论‘一个时隙有7个symbol的情况’，也就是normal循环前缀（Normal cyclic prefix）的情况。不讨论Extended cyclic prefix的情况
• 不讨论半静态调度，也许偶尔会涉及到
• 不讨论MIMO的情况
• 看的都是860的协议，分别是36211-860,36212-860,36213-860
  • 注：调制之后也产生符号，而一个资源块RB也是时域上也是有符号的概念。所以为了两者区别，‘调制符号’就是指‘调制之后也产生符号’；而正常的‘符号’就是指‘时域的符号’的概念。

3.LTE整体理解
3.1 生活交流就是LTE ----设计思想
让大家从生活的角度来简单理解下‘通讯’，自己想出来的，有些也可能不太准确，只是想表达一种意思。假设eNodeb，UE都是人，是一个enodeb同时和多个UE进行交流。

• 加扰：由于enodeb和每个UE谈话的时候，都不想别人听得懂它们之间的谈话的内容。所以enodeb和每个UE谈话的时候，都用一种不同的语言，这也就相当于别的人虽然听到了，但是听不懂。相当于通讯中加扰。
• 功控：由于enodeb和多个UE都在一个环境谈话。如果一个UE讲得太小，enodeb听不到，enodeb就会让那个UE说话声音大点；如果UE说话声音太大了，又吵着了enodeb和其他人谈话，所以太大了又会让那个UE说话小声点。就这样不停的根据环境变化说话声音的大小，这也就是‘通讯中的功控了’，当然enodeb肯定也会控制自己说话的音量的。
• 编码率（CQI决定）：enodeb和UE之间谈话，觉得UE说话太快了，听不清楚，就会跟UE说，你说话慢点；这样UE每一个分钟说的话也就少了，表达的意思就少了，当然这也是根据环境不断变化的；反过来也一样。这也就是通讯中‘编码率’，表达了选择到的那块资源（时间+频域）所能携带的，由CQI（channel quality indication）决定的。由于只能让听的人来决定说话是否快慢，所以：通讯中下行就是通过UE上报的CQI—channel quality indication决定下行编码率，因为UE是听者；上行enodeb自己来判断CQI—channel quality indication决定上行编码率，因为enodeb是听者。
• ASN编码方式：就像人说话是否精练一样。同样的字数能传递的信息数是不一样的，像电报就要求比较精炼。无线侧的ASN编码就像人说话很干练；而有线侧TLV的ASN编码模式就相当于说话比较啰嗦。
• 资源位置的选择（CQI决定）：enodeb可以让UE站在不同的地方，看看它听enodeb说话的效果怎么样，或者让UE站在各个地方说‘事先订好大家都知道的话’。哪里enodeb听得最清楚，最后enodeb就说你就站在那里说话吧，那里说话听得最清楚。这也就是通讯中‘资源位置的选择’，就是通过‘不同资源上返回的CQI，去选择CQI最好的资源进行分配，当然这只是理想情况’。此时说话的内容都是事先订好的，这也就是通讯中的RS（参考信号的作用），RS还有个作用‘相干解调’，后面会先容。
• 资源数目的选择：用说话不好做比喻。就用货物运送吧。UE说我有很多货要送。Enodeb说我就给你多拍几辆车来送货把。这就是资源数目的意思了。
• 调度：一个enodeb和多个UE之间对话，每个人都有话要说，每个人可能要说好几件事，每件事重要程度也是不一样的（这也就是通讯中DRB的优先级），每件事说多少话也是不一样。而且有些UE的话重要，有些不太重要（这也就是UE的调度优先级）。但enodeb又忙不过来，它就去决定什么时候和某个UE对话，什么时候又听UE说话，分配多少时间给某个UE，分配多少车辆给UE送货（因为总的车辆数是一定的，也就是上下行带宽），最后调度就决定最后怎么去做。
• 正交：想到一个比喻但不是太恰当。就像一盘有各种颜色的珠子混在一起，然后你用自己对应的颜色，就能从混在一起的珠子中选出你自己想要的颜色的珠子。颜色就相当于正交码；用想要的颜色去匹配的动作就是正交运算。

3.2 一些设计基本原则----设计思想

• 为了防止小区间干扰，通常通用的会通过PCI（physical cell id）进行偏移计算或者‘参与加扰计算’来防止干扰；如果和时间（时隙0~19）的变化相关，还加上‘时间’参与加扰。
• 为了防止小区内不同UE的干扰或者决定UE的资源分配位置，通过一个与无线侧UE相关的唯一标识--‘RNTI’进行加扰或者定位资源分配的位置。考虑到，如果资源分配的位置还有冲突，可能还会加入一个系统内相对的子帧号（0~9）或者时隙号（0~19）来解决这种资源冲突，让这种冲突再下一个时间点能得到解决，也就是资源分配的位置由RNTI和子帧号/时隙号共同决定。当然也会加上PCI来区分不同小区之间的不同UE。
• 为了‘离散化’数据，一般喜欢‘横放列取’的方法。
• 由于‘空口最大的一个缺陷就是资源少’，所以为了尽量节省资源，产生了很多潜规则，而且也有时会‘1bit当2bit用，就是说不同的外部条件下，该1bit代表不同的意思’。这样虽然节省了资源，但这样的不利就是‘算法和限制条件太多了太烦了’。
• 要是‘没有了TDD’，也许思路该清净/清晰很多了。看物理层协议，TDD由于上下行配置的多样性和不对称性，产生了非常多的额外的处理问题，特别是HARQ ACK/NACK的处理。

3.3      基准时间单位-----规定
Ts = 1/30,720,000 S
这个的意思就是说‘每1秒，每个天线端口都会发送出30 720 000个‘调制符号’出去’。


3.4 FDD和TDD的帧结构  -- 规定
3.4.1  FDD帧的结构
FDD的配置,对称的(上下行不同的频点)

          系统帧，子帧，时隙，符号（symbol）与时间单位的关系

          Tframe(307 200 * Ts=10ms)à 10* Tsubframe(30 720*Ts=1ms) à
          2* Tslot(15 360*Ts = 0.5ms)à 7/6 symbol(2048*Ts = 66.7us).

3.4.2 TDD帧的结构
3.4.2.1思想

TDD的几种配置，可以不对称

• 思想（折中）：就像TDD没有沿用3G的上下行随便配置的方法，但也不能只有一种配置，这样太死板，所以折中之后提取出了七种比较有意义的帧结构模型。
• 参看：36211的Table 4.2-2

• 0和5这两个子帧都必须是下行，2必须是上行。
• 0和5这两个子帧都必须是下行，2必须是上行。
• 帧结构的配置可以改变，但不能改变得太快，不能每个系统帧都变一下
• 为了防止小区间干扰，相邻小区的上下行配置最好一样
• 特殊子帧只有下行转换到上行之间才有
• 帧结构和特殊指针的DWPTS/GP/UPPTS的时长都是由系统信息通知给手机的
• 使用那种时隙结构，是基于每个子帧都可以变化的。一般’扩展的CP’就是给MBMS子帧用的。
• 
  后面就能知道由于‘一个帧内的上下行子帧的数目不一样’这种不对称的配置，最后导致很多特殊的处理出来。也许现在还不太了解，看完后面的说明应该就了解了。
  •    3.4.2.2 配置
•      RRC::SystemInformationBlockType1 à TDD-Config à subframeAssignment

3.4.3 TDD特殊子帧的结构

• RRC::SystemInformationBlockType1 àTDD-Config à specialSubframePatterns决定特殊子帧的配置。

• 注意上表的红色部分，对应到的符号symbol数，因为PDCCH要占用1~3（normal）符合，所以‘也就会明白，后面提到的为什么特殊子帧配置为0,5的时候，为什么不能传输下行数据了，因为如果PDCCH占3个符号就没有资源给PDSCH用了（设计的人也是以PDCCH占最大情况来考虑的，一刀切。没有根据PCFICH来判断，如果根据PCFICH来判断算法会复杂。两种方法各有利弊）’

3.4.4 问题
3.4.4.1 问题1： 既然说GP是为了上下行转换提供空余时间减少干扰，那为什么说上行到下行转换得地方都没有GP呢？

因为下行到上行转换时，UE根本不知道和enodeb之间的距离，如果提前量太早了，UE发送上行数据而enodeb还在发送下行数据，就会发生干扰，所以需要GAP。当上行到下行的转换的时候，如果UE没有TA（时间提前量），它肯定是在PRACH上发送，premable占用的时间比较短，不会完全占满上行子帧，所以后面还是留了点时间，不会发送上下行冲突；而当UE已经有TA的时候，时间已经对齐了，即使发送有点误差也是落在了cyclic prefix（每个时域上symbol前面的空白）里面了，所以不会发生上下行干扰。

==》也进一步推出：为什么PRACH的资源在时域上，为什么在特殊子帧上要以‘特殊子帧’的尾部进行对齐，而在正常的上行子帧上，要以‘正常上行子帧的’开头对齐了。因为特殊子帧后面肯定是上行子帧，所以要向后对齐；而正常的上行子帧后面可能是下行子帧，所以要向前对齐。
3.4.4.2 问题2：为什么要有扩展的CP

• 覆盖范围大的小区，可以解决延迟长的问题
• MBMS广播，对于多个小区同时广播一套节目给终端，必须考虑不同小区到终端的时间延迟不同，所以用扩展的长的CP比较好。

3.5一些基本概念--规定
3.5.1公式--拉斯变换

• 变换的目的就是：让乘法变得很简单了。
  

3.5.2 资源块的描述--规定

• 1 个资源块（RB） = 12 subcarrier * 1 slot(正常7个符号)

• 1 subcarrier = 15khz à 也就是说一秒钟的发射载波频率是15k
• RE = (频域)15KZ * 1 symbol（时域），就是上面的一个‘最小的方框’。
• REG = 4个频域挨着的但不一定连续的，时域上相同的RE的集合。

        注意： CCE只是一个逻辑上的概念，也就是说它物理上只是等于9个REG,并没有实际的对应关系。为了PDCCH盲检测用的。它和REG的顺序不一样，它的顺序是先时域，再频域的。


3.5.2.1 问题1：为什么CCE要先时域后频域？
因为这样可以获得时域分集（就是把一组完整的数据分在不连续的时间上发送），跟后面提到的交织一样，都是为了错误随机化。因为‘射频单元’会以(1/Ts = 30 720 000 S)的频率‘按照先频域后时域发送‘调制符号’。

3.5.3 调度的单位--规定(个人觉得也是一种恰当不极端的思想

• 时间上：一个TTI(1ms)，即2个TS调度一次
• 频域上：调度的最小资源单位却是由一个subframe中的两个资源块为最小调度单位（一个时隙一个RB，但这两个RB可能载频不一样）,也就是所谓的时隙间跳频，跳即‘变化，不同的’意思。

    3.5.3.1问题1：为什么要不同时隙间的使用的载频可能不一样？

这样应该是为了获得良好的接收效果。如果在某个频点的信号不好，而1个TTI内上下时隙的频点不一样，这样另外一个频点对应的信息还是能很好的解出来。

一个很特别的例子就是PUCCH资源回应HARQ ACK/NACK的时候：它对应的上下时隙的频点就不一样，但是它们传输的数据是有关联的，只要一个时隙能解出来就行了，所以某个频点的信号不好也不会受影响。具体大家后面谈到PUCCH的时候再说明。

3.5.4 符号和真实的BIT数据的对应关系

•      大家可以简单的把符号理解成电磁波，接收端接收到的电磁波然后根据不同的相位可以认为代表不同的BIT.
  

记住：记住接收是指接收一个时间段的波形，而不是一个时间点的波形。

例如QPSK：1个符号代表2bit的情况。

• 参考36211的7.1。注意：64QAM有些手机是不支撑的，所以要从UE的信息中获取是否支撑，才能决定是否对该手机使用64QAM（RRC::UE-EUTRA-Capability->
  ue-Category能查到）

3.5.5 时域延迟等同于频率相位偏移如何理解

• T1时间点应该发送波形，推迟到T2点发送，所以相对于接收端它不知道推迟，所以它还是在T1时间点进行接收，接收到的就是T2时间点的波形。所以相位不一样，就相当于偏移。