LTE物理层基础概述

什么是LTE?

LTE是准4G，并不是真正意义上的4G，LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进，LTE并非人们普遍误解的4G技术，而是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。

LTE物理层在技术上实现了重大革新与性能增强。关键的技术创新主要体现在以下几方面：以OFDMA为基本多址技术实现时频资源的灵活配置;通过采用MIMO技术实现了频谱效率的大幅度提升;通过采用AMC、功率控制、HARQ等自适应技术以及多种传输模式的配置进一步提高了对不同应用环境的支持和传输性能优化;通过采用灵活的上下行控制信道涉及为充分优化资源管理提供了可能。

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协议结构

物理层周围的LTE无线接口协议结构如图1所示。物理层与层2的MAC子层和层3的无线资源控制RRC子层具有接口，其中的圆圈表示不同层/子层间的服务接入点SAP。物理层向MAC层提供传输信道。MAC层提供不同的逻辑信道给层2的无线链路控制RLC子层。

图1 物理层周围的无线接口协议结构

物理层功能

物理层通过传输信道给高层提供数据传输服务，物理层提供的功能包括:

1)传输信道的错误检测并向高层提供指示;

2)传输信道的前向纠错(FEC)编解码;

3)混合自动重传请求(HARQ)软合并;

4)编码的传输信道与物理信道之间的速度匹配;

5)编码的传输信道与物理信道之间的映射;

6)物理信道的功率加权;

7)物理信道的调制和解调;

8)频率和时间同步;

9)射频特性测量并向高层提供指示;

10)多输入多输出(MIMO)天线处理;

11)传输分集;

12)波束形成;

13)射频处理;

LTE无线传输帧结构

(1) 无线传输帧结构

LTE 在空中接口上支持两种帧结构：Type1 和Type2，其中Type1 用于FDD 模式;Type2 用于TDD 模式，两种无线帧长度均为10ms。

在FDD 模式下，10ms 的无线帧分为10 个长度为1ms 的子帧(Subframe)，每个子帧由两个长度为0.5ms 的时隙(slot)组成，如图2 所示。

图2 帧结构类型1

在TDD 模式下，10ms 的无线帧包含两个长度为5ms 的半帧(Half Frame)，每个半帧由5 个长度为1ms 的子帧组成，其中有4 个普通子帧和1 个特殊子帧。普通子帧包含两个0.5ms 的常规时隙，特殊子帧由3 个特殊时隙(UpPTS、GP 和DwPTS)组成，如图3 所示。

图3 帧结构类型2

(2) Type 2 TDD 帧结构-特殊时隙的设计

在Type2 TDD 帧结构中，特殊子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP 和UpPTS，总长度为1ms，如图4 所示。

DwPTS 的长度为3～12 个OFDM 符号，UpPTS 的长度为1～2 个OFDM 符号，相应的GP 长度为(1～10 个OFDM 符号，70～700us/10～100km)。UpPTS 中，最后一个符号用于发送上行sounding 导频。

DwPTS 用于正常的下行数据发送，其中主同步信道位于第三个符号，同时，该时隙中下行控制信道的最大长度为两个符号(与MBSFN subframe 相同)。

图4 TDD 帧结构特殊时隙设计

(3) Type 2 TDD 帧结构-同步信号设计

除了TDD 固有的特性之外(上下行转换、GP 等)，Type2 TDD 帧结构与Type1 FDD帧结构主要区别在于同步信号的设计，如图5 所示。LTE 同步信号的周期是5ms，分为主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)。LTE TDD 和FDD 帧结构中，同步信号的位置/相对位置不同。在Type2 TDD 中，PSS 位于DwPTS 的第三个符号，SSS 位于5ms 第一个子帧的最后一个符号;在Type1 FDD 中，主同步信号和辅同步信号位于5ms第一个子帧内前一个时隙的最后两个符号。

利用主、辅同步信号相对位置的不同，终端可以在小区搜索的初始阶段识别系统是TDD 还是FDD。