（通信与信息系统专业论文）基于lte的初始化小区搜索算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的快速发展，移动通信市场日益激烈的竞争，无线通信系统 呈现出多样化、移动化、宽带化和化的势态。为了应对来自w i m a x ，w i f i 这 些或传统或新兴的无线宽带接入技术的挑战，增强3 g 在宽带无线接入这个市场的 竞争力，3 g p p 开展了长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 技术的研究，以期实现 3 g 技术向b 3 g 和4 g 技术的顺利过渡。 小区搜索是l t e 物理层的关键同步技术之一。其目的是为了让用户终端与其所 在的小区获得时间同步，与此同时获得本小区的识别号，以便读取本小区的一些基 本广播信息。小区搜索主要分为两类，初始化小区搜索和相邻小区搜索。在相邻小 区同频的情况下，搜索的方法基本相同。本文主要研究的是初始化小区搜索。 本文首先介绍目前国内外对于小区搜索算法的研究现状，然后介绍了l t e 物理 层协议，其中规定了l t e 系统的无线帧结构和下行物理信道。在设计之前对近年的 几种系统中小区搜索的实现方法和部分o f d m 同步算法做作介绍和分析。 通过分析，小区搜索算法的关键问题都集中在对于主同步信号和辅同步信号的 检测。因此本文就从主、辅同步信号的检测算法入手改进小区搜索算法，给出了一 种简化的小区搜索算法步骤，分为两步，分别是主同步信号检测和辅同步信号检测。 本文的核心内容就围绕这两个步骤展开，先分别描述了两种信号的生成过程，并对 传统的检测算法进行介绍和分析，由于传统算法复杂度过高，并且对于频率偏移造 成的影响较敏感，本文在此基础上给出了简化算法，很大程度上降低了算法的复杂 度，而且在具有较大频率偏移的环境下，其性能也可以保持较稳定的水平。 最后对本文给出的小区搜索方案进行了仿真验证。仿真结果表明本文给出的改 进的主同步检测算法，在低信噪比和大频率偏移的环境中，仍然能获得较佳相关峰 值；改进后的辅同步检测算法能正常检测出相关信息并将计算量大幅降低，简化了 实现过程。 关键词：l t e ，主同步信号，辅同步信号，小区搜索，循环前缀 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s 仃a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di n c r e a s i n g c o m p e t i t i o no ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nm a r k e t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns h o w st h e p r o p e r t yo fd i v e r s i t y , m o b i l i t y , b r o a d b a n da n di pt r a n s m i t t e d t or e s p o n s et h ec h a l l e n g e s f r o mw i m a x ，w i f it h o s et r a d i t i o n a lo rr i s i n gw i r e l e s sb r o a d b a i l da c c e s st e c h n o l o g y , a n d t oe n h a n c et h ec o m p e t i t o no f3 gi nt h i sm a r k e t , 3 g p pt e c h n o l o g yg r o u pc a r r i e do u tt h e t e c h n o l o g yr e s e a r c ho fl o n gt e r me v o l u t i o ni no r d e rt oa c h i e v e3 ga n d4 gt e c h n o l o g yt o b 3 gs m o o t ht r a n s i t i o n l t ec e l ls e a r c hi so n eo ft h ek e yp h y s i c a ll a y e rs y n c h r o n o u st e c h n o l o g i e s i t s p u r p o s ei st oa l l o wu s e rt e r m i n a l st og e tt i m es y n c h r o n i z a t i o nf r o ml o c a lc e l l ，a tt h es a m e t i m et oo b t a i nt h ei d e n t i f i c a t i o nn u m b e ro ft h ec c l li no r d e rt or e a db a s i ce e l lb r o a d c a s t m e s s a g e s t h ec e l ls e a r c hc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ：i n i t i a l i z e dc e l ls e a r c ha n d a d j a c e n tc e l ls e a r c h i nt h ec a s eo fu s i n gt h es o m ef r e q u e n c ya m o n ga d j a c e n tc e l l s ，t h e a l g o r i t h m sb e t w e e ni n i t i a l i z e dc e l ls e a r c ha n da d j a c e n tc e l ls e a r c ha r eb a s i c a l l yt h e s a m e i nt h i sp a p e rw em a i n l ys t u d y i n gi n i t i a l i z e dc e l ls e a r c h t h i sp a p e rf i r s t l yo u t l i n e sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc u r r e n ts t a t u so fc e l ls e a r c h a l g o r i t h m ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h el t ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l ，w h i c hd e f i n e dt h es y s t e m r a d i of r a m es t r u c t u r eo fl t ea n dd o w n - l i n kp h y s i c a lc h a n n e l s t h i sp a p e r b r i e f l yr e s e a r c h a n da n a l y s i sp a r to f d ms y n c h r o n o u sa l g o r i t h ma n dt h er e a l i z a t i o no fc e l ls e a r c hi n s e v e r a ls y s t e m si nr e c e n ty e a r sb e f o r ed e s i g np r o p o s a l w i t ha n a l y s i sw ek n o wt h ek e yp r o b l e mo fc e l ls e a r c hi sc o n c e n t r a t e di nt h e d e t e c t i o no fp r i m a r ya n ds e c o n d a r ys y n c h r o n o u ss i g n a l s i nt h i sp a p e r , w ei m p r o v ec e l l s e a r c ha l g o r i t h m a c c o r d i n gt h o s et w os i g n a l s ，a n dg i v e as i m p l i f i e dc e l ls e a r c h s t e p s ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op r o c e s s e s ，t h ed e t e c t i o no fp r i m a r ys y n c h r o n o u ss i g n a la n d t h ed e t e c t i o no fs e c o n d a r ys y n c h r o n o u s t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e dt h e p r o c e s so f g e n e r a t i n gt w os i g n a l s ，a n dt h e na n a l y z e dt h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m a st h e c o m p l e x i t yo ft r a d i t i o n a la l g o r i t h mi st o oh i g h ，a n dt h ea l g o r i t h m sa r em o r es e n s i t i v et o t h ei m p a c to ft h ef r e q u e n c yo f f s e t , as i m p l i f i e d a l g o r i t h mi sg i v e nt or e d u c et h e c o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m s ，w h o s ep e r f o r m a n c ec a nb em a i n t a i n e ds t a b l el e v e l se v e ni n a ne n v i r o n m e n tw i t hl a r g ef r e q u e n c yo f f s e ta n dn o i s e f i n a l l y , t h e c e l ls e a r c hs c h e m e p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r w e r ev e r i f i e d b y s i m u l a t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r ys y n c h r o n o u sd e t e c t i o na l g o r i t h m g i v e nb yt h i sp a p e r , c a ns t i l lg e tab e t t e rc o r r e l a t i o np e a ki na ne n v i r o n m e n to f l o ws n r 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a n dl a r g ef r e q u e n c yo f f s e t ；i m p r o v e ds e c o n d a r ys y n c h r o n o u sd e t e c t i o n a l g o r i t h mc a n c o r r e c t l y d e t e c tt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o na n d s i g n i f i c a n t l y r e d u c e dt h e c o m p u t a t i o n , s i m p l i f i e dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：l t e ，p s s ，s s s ，c e l ls e a r c l l c p i i i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着移动通信技术的快速发展，移动通信市场日益激烈的竞争，促使无线通信 系统呈现出多样化、移动化、宽带化和m 化的势态。为了应对来自w i m a x ，w i f i 这些或传统或新兴的无线宽带接入技术的挑战，增强3 g 在宽带无线接入这个市场 的竞争力，3 g p p 很有先见之名的开展长期演迸( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 技术的 研究，以期实现3 g 技术向b 3 g 和4 g 技术的顺利过渡，事实证明这个发展计划是 很有前景也是很明智的。l t e 技术的预期目标是实现更高的数据传输速率、更短的 传输时延、更低的投资成本，更高的系统容量以及更广更宽的覆盖范围。 l t e 是3 g p p 在2 0 0 8 年发布的t s3 6 3 0 0v 8 5 0 规范中新定义的移动通信标准。 l t e 系统能够提供具有良好网络服务质量，而且高于目前3 g 系统的高数据传输服 务。这就要求l t e 在只有有限频谱资源和存在由多径衰落造成的符号间干扰的环境 中，在f d d 和t d d 两种模式的信道上具有可靠且高速率的通信。由于正交多址接 入技术( o f d m a ) f l 邑够提供高频谱利用率、简单的接收机制、还有在多径环境中的系 统健壮性等优势，而被选用为3 g p pl t e 系统下行空中接口技术。在上行多址方式 采用单载波频分多址( s c f d m a ) 技术。 与此同时l t e 将把本来支持的最大系统带宽5 m h z ，增加到后来的2 0 m h z 。在 带宽上的改变迫使3 g p p 放弃使用了很长时间，而且在技术上已经很成熟的码分多 址技术，因为码分多址技术对于实现5 m h z 以上的大带宽时，技术复杂度太高，耗 费成本过高。在选用新的核心传输技术上并没有过多的争议，最终选用了正交频分 多址技术( o f d m ) 。在无线接入结构上，为了有效的减少用户层面的交互延迟，l t e 去掉了原来系统中的一个重要的部件，无线网络控制器( i 斟c ) 。在系统架构上，l t e 用现在的e n o d e b 取代了原来的n o d e 。相应的l t e 在各方面做出的重大调整使得 现行系统丧失部分后向与3 g 系统的兼容性。换句话说，l t e 系统虽然可以在3 g ， 也就是国际移动通信2 0 0 0 ，现有频谱的基础上部署，但是在网络方面和终端方面都 需要做出大规模设备更换，不可不谓投资巨大【1 1 。 1 2 国内外研究现状 众所周知的3 g 三大标准阵营( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ) 全部积 极投身到l t e 的开发中来。不同于数年前的3 g 热潮，不仅传统的通信设备生产厂 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 商争先推动l t e 技术向前发展，放眼到世界，几乎遍及世界各地的主流运营商和 g s m 协会也都纷纷加入到这个浪潮中来，在这么强大的推动力下，l t e 的技术发展 突飞猛进。在业界热烈且积极的推动下，l t e 已于2 0 0 8 年将标准制定出来，目前已 经开始筹划试点城市，不久l t e 将正式投入使用。图1 1 为l t e 从启动到研究到规 范完成的时间进度表： 原囊嚣铲。警雀翟 实笺器舻完成时闷 7 兜废时阐 图1 1l t e 项目安排进度图 目前l t e 系统应各国通信系统支持协议的现状，定义了针对两种帧结构的工作 模式：l t e f d d 频分双- e ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g ，f d d ) 和l t e - t d d 时分双 工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，t d d ) 两种模式。但是由于各国无线技术存在差异、而且 使用的频段不同，最后涉及到各个厂家的利益等因素，使得l t ef d d 获得了压倒性 的支持率。支持这种模式的公司多了，愿意投入使用的国家多，直接影响到l t e - f d d 模式的标准化与产业发展进程都领先于l t e t d d 。2 0 0 7 年1 1 月，3 g p pr a n l 会 议通过了2 7 家公司联署的l i e t d d 融合帧结构的建议，统一了l t e 的两种帧结构 1 2 】。标准化后的l t e t d d 帧结构实际上是在t d s c d m a 的帧结构上调整而来的， l t e t d d 帧结构的确定，鼓励了更多的厂商尤其是中国的厂商，像大唐和中兴等国 内前沿厂商，参与到其标准化的工作中来。再加上中国的大力支持和推广使得 l t e t d d 技术受到了各界乃至各国的广泛关注。这个里程碑的跨步成功将 t d s c d m a 向l t e 甚至4 g 标准推进。 中国已经为l t e - t d d 划分了1 5 5m h z 的频段如图1 2 所示，这为l t e - t d d 的 应用创造了必要条件。因此，在中国从频段资源方面来讲，l t e t d d 比l t e - f d d 更具有优势。 ( 1 s m0 s m q 0 0 f d df d dt 9 df d d啊d nf d d咖 【斟叼 m ： 1 7 1 01 7 5 51 7 8 51 8 0 5 1 8 5 0 1 8 8 01 9 2 0j 9 8 02 0 1 02 0 2 52 l l o2 1 7 02 3 图1 2 l t e 频段分配图 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 课题的研究意义 作为3 g p pl t e 物理层很关键的一个同步技术一小区搜索是用户终端向基站建 立通信链路的第一步。不管用户终端是在通信的过程中做小区切换，还是在开机以 后首次接入小区，都需要依靠小区搜索这一过程与基站建立起连接。用户终端只有 在注册到合适的小区后，才能够获取该小区及相邻小区更详细的信息，以便发起其 他的物理层过程。一般来说小区搜索，主要是为了让用户终端得到所处小区的定时 边界，与此同时获得本小区的识别号，还有获得本小区的一些基本广播信息【l 】。 l t e 的e u t r a 系统和传统的第三代全球陆地无线接入系统不同，由于对可变 系统带宽支持的需求，在l t e 中简单的信道扫描已经不能再满足要求了，标准中要 求l t e 系统能够支持1 2 5 m h z 、1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、1 0 m h z 和2 0 m h z 的带宽，所以l t e 规定小区搜索的工作频率就集中在系统带宽中心的1 2 5 m h z 频 带内【l j 。小区的基本配置信息，如小区表示信息、基本的天线配置、系统带宽、c p 长度等都在这个频带内传输，所以小区搜索的过程将主要体现在小区信息的检测上。 基于码字序列的小区信息检测是主流技术。 为了获得用户终端和基站的时间同步和帧同步，以及小区的唯一标识码，终端 必须对下行的两个同步信号进行检测，主同步信号和辅同步信号。因此目前大多算 法都集中于研究如何对这两个同步信号进行检测。所以如何能从两个同步信号中正 确解出小区识别码，且在此基础上降低算法复杂度，优化算法以获取更准确的时间 同步和帧同步，降低信道噪声和频率偏移造成的影响等，已经成为了l t e 小区搜索 算法研究的重点之一。 目前也有不少机构和公司致力于小区搜索的研究，提出了形形色色的算法，每 种算法有其各自的优势，相应的也在采用这些优势的同时引入了一些新的问题。因 此，不断完善搜索算法在l t e 系统投入商用前都是很必要的课题。 小区搜索可以细分为：初始化小区搜索和相邻小区搜索。在相邻小区同频的情 况下，小区搜索的方法基本相同。本文主要研究的是初始化小区搜索，以后文章中 提到的小区搜索都是指的这种方式。 本课题的研究意义在于： l 、研究和调整算法结构，以求能在准确检测小区信息和向上同步的基础上，减 少繁杂的步骤，一定程度上提升搜索速度。 2 、研究和改进对p s s 信号的检测方法，以求在进行相关检测时获得更好的相 关峰值，从而提高检测的准确度，有效降低高斯白噪声和频偏对信号源的干扰。 3 、当前对于s s s 信号的检测都是采用与1 6 8 个本地副本相关的方式，这种思 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 路计算量很大，硬件开销也很大。通过研究和改进对s s s 信号的检测方法，以求降 低算法的计算复杂度，减少硬件开销。 1 4 论文的结构 本文主要的研究内容，是针对l t e t d d 系统的一种小区搜索的整体实现方案， 其中包括算法说明和仿真实现。本文中的这种算法亦可以用于l t e f d d 系统，由 于篇幅有限，文中就不对l t e - f d d 模式下的性能做仿真验证，在f d d 模式下的算 法，可以直接参照t d d 方式。 本文共分为五章，其中第一章为绪论，主要介绍了l t e 系统的技术背景，以及 目前国内外在l t e 领域的研究现状和本课题的研究意义。 第二章则主要介绍了l t e 系统f d d 模式和t d d 模式下的物理层标准，并对两 种模式的帧结构进行了对比。由于小区搜索需要通过接收下行信号来实现，故本章 的介绍主要侧重下行链路公共信道的描述。 第三章对相对较近的三种系统，从u m t s 到t d s c d m a 再到l t e 系统中的小 区搜索的实现过程进行了简单介绍，这样有助于对l t e 系统改进后的小区搜索进程 和算法的理解。由于小区搜索主要针对下行链路进行，而l t e 下行链路的空中接口 技术采用的是o f d m ，然后本章又对基于o f d m 的同步算法原理和一些传统的算 法做了简单的介绍和分析。为后面的算法引入做铺垫。 第四章是本文的重点，主要对文中给出的一个比较系统的小区搜索方案进行分 析和验证，该方案依据l t e 的标准规范，主要是针对l t e t d d 模式。这个方案的 内容包含了小区搜索的流程以及各个检测模块的算法选择和改进。其中对s s s 信号 的检测算法做了比较大的调整，获得了更低的计算复杂度。这一章主要分成三个部 分，第一部分描述本文采用的小区搜索流程，第二、三部分是本章的重点，分别介 绍p s s 和s s s 的改进检测算法，并在每一部分的最后对设计的方案进行了仿真验证。 最后第五章是论文的总结与展望，对目前完成的工作进行总结，阐述研究过程 中遇到的困难，并提出目前研究成果的不足以及将来的改进。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 第二章l t e 系统的物理层描述 为了便于分析l t e 系统的小区搜索算法，本章对l t e 系统的f d d 模式和t d d 模式的物理层标准做简要介绍。主要参考3 g p p 关于l t e 系统的物理层技术标准 3 g p p3 6 2 1 l ，以及文献【l 】- 【5 】。由于篇幅有限，本章将只介绍与本论文密切相关的物 理层关键内容。 2 1l t e 系统的无线帧结构 l t e 支持两种不同的无线帧结构即类型l 和类型2 帧结构，两种类型的帧长均 为1 0 r r 塔，前者适用于l t e f d d 模式，后者适用于l t e t d d 模式。 l t e 物理层协议规定，在时域中时间长度的表示以t s 作为基本单位，其中t s 可以表示为t s = 1 1 5 0 0 0 x 2 0 4 8 s 。 2 1 1 帧结构类型1 l t e f d d 采用帧结构类型l ，一个无线帧的长度可表示为 l = 3 0 7 2 0 0 x t s = l o r e s ，每个无线帧被分成1 0 个等长子帧，一个子帧内有两个常规 时隙，每个常规时隙长k = 1 5 3 6 0 x t s = 0 5 m s 。每个无线帧内的时隙按照从0 到 1 9 编号。如图2 1 所示： 图2 1l t e f d d 帧结构 f d d 这种模式下，在1 0 m s 无线帧间隔内，l o 个子帧用于上行传输，1 0 个子帧 用于下行传输并且上下行在频域上是分开传输的【i l o 2 1 2 帧结构类型2 l t e - t d d 采用帧结构类型2 ，这种模式中一个无线帧分成两个半帧，每个半帧 时长均为5 m s 。每个半帧内包含1 个特殊子帧和4 个数据子帧，如图2 2 所示： 5 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 d 刊mo p t i p r r s l ，- ，巧f u p 1 5 图2 2l t e - t d d 帧结构 其中，特殊子帧由下行导频时隙( d w p t s ) 、保护时隙( g p ) 和上行导频时隙 ( u p p t s ) 组成。下行导频时隙可用于小区搜索，上行导频时隙用于上行同步，保护 时隙不传送任何信号，只为上下行之间提供间隔保护以避免上下行之间出现交叉干 扰。每个常规时隙的长度为0 5 m s ，而这三个特殊时隙的总长度为l m s ，且下行导频 时隙和上行导频时隙的长度可配置。下行导频时隙的长度为3 - 1 2 个o f d m 符号， 上行导频时隙的长度为l 2 个o f d m 符号，相对而言上行导频时隙的长度比较固 定，可以避免过多的选择，从而简化了系统的设计。相反保护时隙和下线导频时隙 具有很大的灵活性，这些都是为了使保护时隙的位置和长度可调节，用来支持不同 大小的小区半径，以此来提供和不同上下行比例的时分同步码分多址系统共存的可 行性。一个子帧内包含的o f d m 符号是固定的，以常规c p 为例，一个子帧内有1 4 个o f d m 符号，因此相应的保护时隙长度就为1 - - 1 0 个o f d m 符号。特殊时隙的详 细长度配置见表2 1 ： 表2 1 特殊时隙长度配置表 常规c p扩展c p 配置 d w p t sg p u p p t s d w p t sg p u p p t s 0 6 5 9 2 t s2 1 9 3 6 t s7 6 8 0 t s2 0 4 8 0 t s l 1 9 7 6 0 t s8 7 6 8 t s2 0 4 8 0 t s7 6 8 0 t s 2 5 6 0 t s 22 1 9 5 2 t s6 5 7 6 t s2 1 9 2 t s 2 3 0 4 0 t s5 1 2 0 t s 32 4 1 4 4 t s4 3 8 4 t s 2 5 6 0 0 t s2 5 6 0 t s 42 6 3 3 6 t s2 1 9 2 t s7 6 8 0 t s1 7 9 2 0 t s 56 5 9 2 t s1 9 7 4 4 t s2 0 4 8 0 t s5 1 2 0 t s5 1 2 0 t s 61 9 7 6 0 t s6 5 7 6 t s2 3 0 4 0 t s2 5 6 0 t s 4 3 8 4 t s 7 2 1 9 5 2 t s4 3 8 4 t s 8 2 4 1 4 4 t s2 1 9 2 i s 与帧结构类型1 不同的是类型2 继承了t d s c d m a 系统，沿用了特殊帧。这 也决定了l t e t d d 的一个新的特性，支持5 m s 和1 0 m s 的上下行切换点，简单来说 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 就是根据特殊子帧出现的频率，把帧结构类型2 分成5 m s 周期帧结构和1 0 m s 周期 帧结构。 5 m s 周期的帧结构把一个无线帧分成两个半帧，每个半帧均为5 m s ，就是我们 前面说的这个t d d 帧结构，这也是我们常用的结构，后面的章节中若没有特别标 注，提到的t d d 模式帧结构指的就是这种。这种周期的前后半帧具有相同的上下 行子帧比例和完全相同的结构，并且两个半帧都有特殊时隙。1 0 m s 周期的帧结构， 在一个1 0 m s 无线帧内就只有一个特殊子帧，且位于前半帧，其他的都是常规子帧。 对于以5 m s 为上下行切换周期时，2 号子帧和7 号子帧总是用于上行。对于以 1 0 m s 为上下行切换周期时，在第1 个半帧内三种特殊时隙都有，在第2 个半帧内只 有下行导频时隙，且长度为l m s 。在这种模式下前半帧的上行导频时隙和2 号子帧 用作上行，7 号和9 号子帧用作下行。而对于0 号子帧和5 号子帧来说，不管在那 种周期模式下都用作下行子帧。详细情况见下表2 2 ： 表2 2t d d 上下行子帧切换点配置表 上下行切换周子帧号 配置 期0123456789 05i n sdsuu udsu uu l5m sdsuud dsuud 25i n sdsud ddsud d 31 0m sdsuu u ddddd 41 0m sdsu ud d d d dd 51 0n 塔dsudddd ddd 65m sdsuuudsu ud l t e 支持的最大带宽为2 0 m h z ，系统可配置的带宽有2 0 m ，1 5 m ，1 0 m ，5 m ， 3 m ，1 4 m 。系统是通过分配资源块( r e s o u r c eb l o c k , r b ) 来进行资源分配，不同的带 宽分配的资源块数量也就不相同。资源块的数量等于带宽除以1 2 乘以子载波间隔 ( 以鲈- - - 1 5 k h z 为例) 。每一个资源块在时间上，包括个时隙占用的时域资源，在频 域上包括1 2 个子载波占用的资源。资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) 是一个o f d m 符 号上的一个子载波所占用的资源，如图2 3 所示，那么在常规c p 模式下，一个资源 块就包含1 2 7 个资源粒子。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统的物理层描述 i 一个时骧+、 、 # o# 1 k = n r b 仉n s c i 扎1 l 资源恤 童暑 7 3 、 f 多夕 2 - r 口 譬 ； k = o 1 = 0 i = n s 蛐一l r 图2 3l t e - t d d 结构资源分配图 在下行子帧中，一个时隙的o f d m 符号个数由循环前缀的长度和子载波间隔决定。 如表2 3 所示： 表2 3 下行物理资源块配置表 配置 髓 悬b 一 常规c pa f = 1 5 k h z7 1 2 v = 1 5 k h z 6 扩展c p a f = 7 5 k h z 2 43 2 2 下行物理行道和信号 物理信道分为下行和上行，由于小区搜索的过程只涉及到部分下行物理信道， 这一节只介绍下行物理信道和物理信号。下行物理信道主要包括： ( 1 ) 物理广播信道( p b c h ，p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l ) ( 2 ) 物理下行共享信道( p d s c h ，p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) ( 3 ) 物理多播信道( p m c h ，p h y s i c a lm u l t y c a s tc h a n n e l ) ( 4 ) 物理控制格式指示信道( p c f i c h ，p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l ) ( 5 ) 物理下行控制信道( p d c c h ，p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l ) ( 6 ) 物理h a r q 指示信道( p h i c h ，p h y s i c a lr t a r qi n d i c a t o rc h a n n e l ) 下面详细介绍几个主要的下行物理信道的作用。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 2 2 1 物理广播信道p b c h 物理广播信道主要用来广播系统带宽信息和物理h a r q 指示信道信息。其上传 输的广播信息分为块： 系统信息块( s y s t e mi n f o r m a t i o nb l o c k ) 这些信息全部复用到一块，在物理 层使用下行共享信道发送； 主信息块( m a s t e ri n f o r m a t i o nb l o c k , m i b ) 里面包含了非常少的系统参数， 但是发送频率非常频繁，承载在p b c h 上。 其中主信息块的信息比特总共有2 4 位，分别为： 3 位d l b a n d w i d t h ，能够表示6 ，1 5 ，2 5 ，5 0 ，7 5 ，1 0 0 六种带宽形式。 l 位p h i c h d u r a t i o n ，表示循环前缀的常规模式( n o r m a l ) 或者扩展模式 ( e x t e n d ) 。 2 位p h i c h r e s o u r c e ，对应于p h i c h 的参数n g = i 6 ，i 2 ，l ，2 ) 。 8 为系统帧数( s y s t e m f r a m e n u m b e r ，s f n ) 1 0 位预留比特s p a c e 。 b c h 在传输层的信号处理过程如图2 4 所示： 图2 4b c h 传输层信号处理过程 在时域中，物理广播信道占用4 个无线帧中0 号子帧中的1 号时隙的4 个符号， 每个符号上7 2 个子载波，并且按照电1 ) ，”1 ，1 ) ，( n + 7 1 ，1 ) ；仳l + 1 ) ， ( n + 7 1 ，1 + 1 ) ；仳l + 3 ) ( n + 7 1 ，l + 3 ) 的顺序将数据一一映射进去，其中i = 0 ，l ，2 ， 3 ，分别代表4 个连续无线帧，n 为整数个下行予帧所占用的最中间的7 2 个子载波。 b c h 映射到p b c h 上，而p b c h 在4 0 m s 里面发送4 次。经过信道编码后的 p b c h 传输块一共1 9 2 0 b i t ，分为4 组，每组4 8 0 b i t 并且每组是自解码的，即这四组 传输块中任意一组，都可以解调出p b c h 携带的m m 信息。因此在信道质量比较 好的情况下，用户终端只需要解一个无线帧上的p b c h ，就可以得到4 0 m s 内欲传 输的全部信息。 速率匹配时产生了4 个用于无线帧的p b c h 编码块，然后统一进行加扰调制。 但是这4 段编码块采用不同的扰码，以实现干扰随机化。对于基站端来说，传输时 间间隔( 兀i ) 为4 0 m s ，即每隔4 0 m s 将广播一次b c h 上应该发送的主信息块上的 数据。详细见图2 5 ： 9 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 一v 1 目”ji y yr t 口 一 1 f 、一一工坚d 古 一l 一 1 一：e 厶垒鲁 一l 一 1 一一工厶垒 毒 一 1 0 璐无线帧 - 一v o 儿：；凡1 ， r一 哪u ；气例一一v m o o ：诚1 巩 r 口口_ ，一7f 。 j 、 ，l| ，j 一个子帧 lfi 臣，习pal 7 习! ：| 4 个子帧内的p 唧编码子块 、 二二j 二脚咖传输块 图2 5p b c h 编码传输示意图 在接收物理广播信道时主要需要解决两个问题：一是，天线配置未知。由于配 置不同的发送天线要求接收端m i m o 检测的操作也不相同，并且循环冗余校验码 ( c r c ) 的掩码也不相同。这时可以轮流尝试发送天线分别为1 ，2 ，4 的情况；也 可以根据小区专用参考信号进行发送天线估计，通过估计后再进行m n o 检测。二 是，不确定接收到的10 i l ：l s 无线广播信号是4 0 m s 中的哪一段，因此使用那一段扰码 解扰也不可知，可以采用的方法是轮流使用4 段中的一段进行检测，直到循环冗余 校验码正确为止【2 】。 2 2 2 物理控制格式指示信道p o f i c h 物理控制格式指示信道主要作用是指示物理下行控制信道p d c c h 所占的符号 个数，用一个3 2 比特的数来表示，取值范围在1 到4 之间。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 表2 4p d c c h 使用的o f d m 符号 当 r 盛 1 0当 r 器s 1 0 子帧 p d c c h 的o f d m 符号数 p d c c h 的o f d m 符号数 帧结构类型2 的l 号子帧和6 号子帧 1 ，2 2 在同时支持p m c h 和p d s c h 的载波上的 m b s f n 子帧数1 ，2 2 ( 1 或者2 个小区专用天线) 同时支持p m c h 和p d s c h 的 载波上的m b s f n 子帧数 22 ( 4 个小区专用天线) 不支持p d s c h 的载波上的 o0 m b s f n 子帧数 其他情况1 ，2 ，32 ，3 ，4 表2 4 就显示了p d c c h 在各种不同的状况下，占用的符号个数。p c f i c h 使用 下行子帧的第一个符号，其具体位置由n i l d 决定。占用1 6 个资源粒子，且每个子 帧传输一次。 2 2 3 物理下行控制信道p d c c h p d c c h 在每个下行子帧中传送，用来描述当前下行子帧的资源分配情况，也 用于描述若干子帧之后的上行子帧的资源授权情况。如表2 5 所示： 表2 5 p d c c h 格式 p d c c h 格式 控制信道粒子资源粒子组p d c c h 比特 o l97 2 l21 81 4 4 243 62 8 8 387 25 7 6 上表给出了p d c c h 的格式，每个控制信道粒子( c c e c o n t r o lc h a n n e le l e m e n t ) 中有9 个资源粒子组( r e s o u r c ee l e m e n tg r o u p ) 。一个p d c c h 可能包含1 个，2 个， 4 个或者8 个控制信道粒子，而同一个下行子帧中可以包含多个p d c c h 。 依照p c f i c h 的指示，用户终端可以获知p d c c h 所占用的符号数，但并不知 道p d c c h 所占用的具体资源块的大小，只是明确了p d c c h 所在的时域宽度。 用户终端需要通过监视下行子帧，来确定分配给本终端的调度信息。在与基站 建立通信的过程中，用户终端需要连续监视多个p d c c h ，而其中每个p d c c h 都包 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统的物理层描述 含多个控制信道粒子，详见下表2 6 ： 表2 6 用户终端监测的p d c c h 搜索空间掣 大小( 控制信息粒 p d c c hm e l )下行控制信息格式 类型 a g g r e g a t i o nl e v e ll 子内) l 6 6 用户终端 21 26 0 ，l ，1 a ，1 b ，2 专用 482 81 62 41 64 公共0 ，1 a ，i c ，3 3 a 81 62 2 2 4 物理h a r q 指示信道p hlc h p h i c h 信道用于基站发送反馈给用户终端的肯定确认( a c k ) 和否定确认 ( n a c k ) ，使用3 个比特来表示h i = i 或者h i = 0 。通常将多个p h i c h 经过正交序列 组成一个p h i c h 组，使之可以在同一组资源粒子中发送。 规范中定义一个p m c h 您、胆 、r ，g r 。u 。p h ，一篇c h ) 来索引【1 1 。其中第一个参数是p m c h 的组号，而第二个参数是一个组内的正交序列索引值。在l t e t d d 模式下，第一 个参数的取值范围为n g 删r o u p 【o ， 惴 确由表2 7 确定。 子帧号 上行下行配置 ol23456789 02121 l0ll 0 l1 2o o1oo0 l0 3 looo01l 4ooo 0ooll 500o 0 o oolo 6l1111 式( 2 1 ) 在时域上，p h i c h 与p u s c h 相关连，其资源与p u s c h 的授权有关。假设p u s c h 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的物理层描述 在第n 个子帧授权给某个用户终端，那么对应的p h i c h 就位于第n + k p h i c h 个子帧， 如表2 8 所示。通过索引这两项如式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，可以得到确定的p h i c h 。 n 瓣h 文i 篱萨+ n 嬲、) m o a n 觳h + i p 嗽h n 溉 = ( 险萨懈】+ ) m o d 2 俨 表2 8l t e t d d 模式下k p c h 配置 t d d 模式上上行子帧序号n 下行配置ol 23 456789 o 4 76 4 76 l 4646 2 6 6