第五次课：多址接入与物理层信道设计

1、第五次课：多址接入与物理层信道设计TDD物理层信道设计物理层信道设计目录目录多址传输技术多址传输技术蜂窝移动通信双工方式蜂窝移动通信双工方式 TDD双工传输方式 定义：采用非成对频谱（Unpaired Spectrum）资源配置，上下行传输信号在同一频带内，将信号调度到不同时间段，并采用非连续方式发送，通过设置一定的时间间隔方式以避免上下行信号间干扰。 FDD双工传输方式 全双工FDD（Full-Duplex FDD） 半双工FDD（HD-FDD，Half-Duplex FDD） 定义：采用成对频谱（Paired Spectrum）资源配置，上下行传输信号在不同的频带内，采用连续发射方式发送信

2、号，并在上下行信号间设置一定频带间隔方式以避免相互间干扰。TDD双工方式双工方式蜂窝移动通信发展简史 第一代蜂窝移动通信-模拟调制移动通信 1978年贝尔实验室开发了先进移动 业务（AMPS）是第一种具有现代意义的蜂窝移动通信系统； 美国、西德、日本、英国、意大利、欧洲开发了10多种的蜂窝移动通信方式； 典型的蜂窝系统采用模拟调制方式传输； 第二代蜂窝移动通信-数字调制移动通信 1992年，欧洲开始应用全球第一个数字调制移动通信系统GSM（Global System Mobile）； 1993年，美国高通和AT&T联合推出基于CDMA的第二代数字调制蜂窝系统IS-95； 传送语音和低速

3、数据业务为主；TDD双工方式双工方式 第三代蜂窝移动通信第三代蜂窝移动通信-IMT-2000系统系统 1985年ITU提出未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）概念，并于1995年更名为IMT-2000系统； 三大国际主流标准于1998年确定：WCDMA(FDD双工方式，欧洲主导)、CDMA2000(FDD双工方式，美国主导)、TD-SCDMA(TDD双工方式，中国主导)； 采用CDMA的多址方式； 第四代蜂窝移动通信-IMT-Advanced系统 2003年在ITU提出概念，宽带无线移动通信系统，低速移动峰值速率大于1Gbps，高速峰值速率大于100Mbps； 2010年10月，ITU-R

4、 WP#5D通过了LTE-Advanced和作为IMT-Advanced作为IMT-Advanced(4G)标准，其中LTE-Advanced 包含FDD LTE-Advanced(FDD双工方式)和TD-LTE-Advanced(TDD双工方式，中国主导)两个标准； 采用OFDM多址方式。TDD双工方式双工方式TDD双工方式的优点：双工方式的优点： 频谱配置灵活，利用率高； 灵活地上下行资源比例配置，更有效地支持非对称的IP分组业务； 利用信道对称性特点，提升系统性能； TDD双工方式在一些先进技术的应用方面也有着天然的优势。TDD双工方式双工方式TDD双工方式的缺点：双工方式的缺点： 系统

5、内干扰更为复杂； TDD双工系统对系统同步要求更为严格； 由于上下行信号发送通过时分方式进行区分，在信号传输过程中，相对于FDD系统，存在着一定的传输时延；TDD双工方式双工方式FDD系统干扰情况TDD系统干扰情况TDD双工方式双工方式物理层信道设计物理层信道设计目录目录多址传输技术多址传输技术多址传输方式概述： 多个子载波并行传输数据； 在载波间采用正交方式，提高频谱利用率； 采用DFT进行OFDM信号的调制和解调，降低实现复杂度； 通过在信号前端插入循环前缀方式，确保子载波间正交性，减少子载波间干扰，简化接收端的复杂度。OFDMA多址传输方式多址传输方式OFDMA的信号传输特点：的信号传输

6、特点： 多个子载波并行传输数据； 在载波间采用正交方式，提高频谱利用率； 采用DFT进行OFDM信号的调制和解调，降低实现复杂度； 通过在信号前端插入循环前缀方式，确保子载波间正交性，减少子载波间干扰，简化接收端的复杂度。OFDMA多址传输方式多址传输方式OFDM符号的循环前缀（CP）生成示意图OFDMA多址传输方式多址传输方式OFDMA中子载波间保持正交性OFDMA的信号收发信号流程图的信号收发信号流程图OFDMA多址传输方式多址传输方式OFDM发射机结构图OFDM接受机结构图OFDMA的技术优势：的技术优势： 频谱效率更高； 接收信号处理更为简单，降低了接收机的实现复杂度； 支持灵活的带宽

7、扩展性； 易于与多天线技术结合，提升系统性能； 易于与链路自适应技术结合； 易于MBMS业务的传输。OFDMA多址传输方式多址传输方式TD-LTE下行多址方式：下行多址方式：（1）多址复用实现方式：TD-LTE下行多址方式下行多址方式 下行OFDM资源块示意图TD-LTE下行多址方式：下行多址方式：（2）下行OFDM参数： OFDM参数选择应该满足如下3个准则 准则1：Tcp Td ，其中TCP为CP长度，Td为时延扩展； 准则2： ，其中fdmax为最大多普勒频移，f为子载波间隔； 准则3： 。TD-LTE下行多址方式下行多址方式1maxffdCP1Tf p 基本参数基本参数 n 系统带宽系

8、统带宽n ，3MHz，5. MHz，10MHz，15MHz以及以及20MHzn子载波间隔子载波间隔n 15kHz，用于单播（，用于单播（unicast）和多播（）和多播（MBSFN）传输）传输n ，仅仅可以应用于独立载波的，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输传输n 子载波数目子载波数目n CP长度长度n一个时隙中不同OFDM符号的循环前缀长度不同信道带宽（信道带宽（MHz）1.435101520子载波数目子载波数目721803006009001200TD-LTE下行多址方式下行多址方式TD-LTE上行多址方式：上行多址方式： 采用具有单载波峰均比特性的DFT-s-OFDMA多址方式。TD-

9、LTE上行上行多址方式多址方式时域SC-FDMA方案频域SC-FDMA方案DFT-s-OFDMA 子载波映射方式：TD-LTE上行上行多址方式多址方式DFT-s-OFDM的优势： 具有较低的峰均比，可以有效地发挥功率放大器的效率，增大小区覆盖范围。DFT-s-OFDM的劣势： 子载波的连续映射，增加设计和接收信号的复杂度； 无法最有效地利用频率调度增益，频谱效率相对于OFDM有差距； 抗深衰落性能不好，降低性能； 在与多天线MIMO等结合，接收算法复杂度高。TD-LTE上行上行多址方式多址方式TDD双工方式双工方式物理层信道设计物理层信道设计目录目录多址传输技术多址传输技术TD-LTE帧结构帧

10、结构TDD帧结构原理图（下行传输+上行传输+保护间隔）p TDD保护间隔保护间隔n TDU传输时延与终端接收/发送转换：TDU RTT + TUE,Rx-Tx 避免基站间的干扰：TDU RTTa/2 +RTTb/2 TD-LTE帧结构帧结构p TDD保护间隔保护间隔n TUD一般情况下，帧结构中需要保留上行与下行之间的保护间隔，用于基站的接收与发送转换TD-LTE帧结构帧结构p TDD保护间隔保护间隔n TUDLTE TDD系统中的TUD，通过定时提前来创造 TD-LTE帧结构帧结构p 帧结构帧结构n TDD帧结构 - 帧结构类型2，适用于TDDn 一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms

11、的半帧构成n 每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成n 常规子帧：由两个长度为的时隙构成n 特殊子帧：由DwPTS、GP以及UpPTS构成n 支持5ms和10ms DLUL切换点周期n 5ms DLUL切换周期：特殊子帧在两个半帧中都存在n 10ms DLUL切换周期：特殊子帧只在第一个半帧中存在n 子帧0，子帧5以及DwPTS永远是下行n UpPTS以及UpPTS之后的第一个子帧永远为上行TD-LTE帧结构帧结构p 帧结构帧结构n TDD帧结构n 上下行配置TD-LTE帧结构帧结构对于5ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例一致，包括以下4种配置 配置0：1DL+DwPTS +3UL； 配置1：

12、2DL+DwPTS+ 2UL； 配置2：3DL+DwPTS+ 1UL； 配置6：3DL+2DwPTS+5UL。对于10ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例不一致，包括以下3种配置 配置3：6DL+DwPTS+ 3UL； 配置4：7DL+DwPTS +2UL； 配置5：8DL+DwPTS +1UL。TD-LTE上行上行多址方式多址方式p 帧结构帧结构n TDD帧结构n 特殊子帧配置特殊子帧配置特殊子帧配置常规常规CP扩展扩展CPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS031013811948321039231121014121372539282693917102-8111-TD-LTE帧

13、结构帧结构p 物理资源概念物理资源概念n 基本时间单位基本时间单位n 天线端口天线端口n LTE使用天线端口来区分空间上的资源。天线端口的定义是从接收机的角度来定义的，即如果接收机需要区分资源在空间上的差别，就需要定义多个天线端口。天线端口与实际的物理天线端口没有一一对应的关系。n 目前LTE下行定义了三类天线端口，分别对应于天线端口序号05。秒2048150001sT小区专用参考信号传输天线端口：天线端口03MBSFN参考信号传输天线端口：天线端口4终端专用参考信号传输天线端口：天线端口5物理层资源概念物理层资源概念p 物理资源概念物理资源概念n 资源单元资源单元 (RE)n 对于每一个天线

14、端口，一个OFDM或者SC-FDMA符号上的一个子载波对应的一个单元叫做资源单元n 资源块资源块 (RB)n 一个时隙中，频域上连续的宽度为180kHz的物理资源称为一个资源块物理层资源概念物理层资源概念p 物理资源概念物理资源概念n 资源单元组资源单元组 (REG)n 控制区域中控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道集合，用于映射下行控制信道 n 每个每个REG中包含中包含4个数据个数据REn控制信道单元（控制信道单元（CCE）n36RE，9REG组成组成物理层资源概念物理层资源概念p 下行物理信道下行物理信道 PBCH（物理广播信道）：（物理广播信道）：用于承载重要的系统信息，例如系统下

15、行带宽、系统帧号等。 PDSCH（物理下行共享信道）：（物理下行共享信道）：可以简单理解为用于承载数据的信道，此数据包括业务数据，也包括高层信令等信息。 PMCH（物理多播信道）：（物理多播信道）：用于承载多播业务信息。 PDCCH（物理下行控制信道）：（物理下行控制信道）：用于承载下行控制信息，例如调度信令。 PCFICH（物理控制格式指示信道）：（物理控制格式指示信道）：用于指示每个子帧控制区域占用的符号数。 PHICH（物理（物理HARQ指示信道）：指示信道）：用于承载针对上行业务是否正确接收的ACK/NACK反馈信息。 R-PDCCH（中继下行控制信道）：（中继下行控制信道）：用于承载

16、发送给中继的控制信息。下行物理信道一般处理流程 物理层资源概念物理层资源概念p 下行物理信道调制方式下行物理信道调制方式物理信道物理信道调制方式调制方式PDSCHQPSK, 16QAM, 64QAMPMCHQPSK, 16QAM, 64QAMPDCCHQPSKPBCHQPSKPCFICHQPSKPHICHBPSK物理层资源概念物理层资源概念p 下行物理信道码字数目、层数目以及预编码操作下行物理信道码字数目、层数目以及预编码操作物理信道物理信道可支持的预编码操作可支持的预编码操作可支持的码字数目可支持的码字数目可支持的层数目可支持的层数目PDSCH单天线端口传输11空间复用1，21，2，3，4传

17、输分集12，4PDCCHPBCHPCFICHPHICH单天线端口传输11传输分集12，4物理层资源概念物理层资源概念p 下行物理信道的下行物理信道的RE映射映射n 控制区域与数据区域控制区域与数据区域TDM；nPCFICH、PDCCH、PHICH映射在控制区域；映射在控制区域；n PDSCH、PMCH、PBCH映射到数据区域；映射到数据区域；常规CP扩展CPp 上行物理信道上行物理信道n PRACH（物理随机接入信道）：（物理随机接入信道）：用于UE上行接入同步或上行数据到达时的资源请求。n PUSCH（物理上行共享信道）：（物理上行共享信道）：用于承载上行数据，包括业务数据和高层信令等。n

18、PUCCH（物理上行控制信道）：（物理上行控制信道）：用于承载上行控制信息，主要包括CQI和ACK等。物理层资源概念物理层资源概念p PUSCH 调制方式包括QPSK、16QAM以及64QAM传输预编码即DFT操作，为了简化DFT实现，要求DFT操作的点数必须为2、3、5的倍数。在RE映射时，PUSCH映射到子帧中的数据区域上。 PUSCH处理流程物理层资源概念物理层资源概念p PUCCH 格式格式 PUCCH格式格式用途用途调制方式调制方式比特数比特数1SRN/AN/A1aACK/NACKBPSK11bACK/NACKQPSK22CQIQPSK202aCQI+ACK/NACKQPSK+BPS

19、K212bCQI+ACK/NACKQPSK+BPSK22物理层资源概念物理层资源概念p PUCCH format 1/1a/1b结构结构 常规CP扩展CP物理层资源概念物理层资源概念p PUCCH format 1/1a/1b RE映射映射n 1比特SR信息经过序列扩展和正交复用，形成96个比特，映射到PUCCH format 1中的数据部分n 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCCH format 1a中的数据部分n 2比特ACK/NACK信息，经过 QPSK调制，序列扩展和正交复用，形成96个符号，映射到PUCCH format 1

20、b中的数据部分n 参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCH format 1/1a/1b中的参考信号部分 PUCCH format 1/1a/1b的具体映射RB位置与其序号， PUCCH带宽以及时隙位置有关物理层资源概念物理层资源概念p PUCCH format 2/2a/2b 结构结构常规CP扩展CP物理层资源概念物理层资源概念p PUCCH format 2/2a/2b RE映射映射n 20比特CQI信息经过QPSK调制，形成10个符号，经过序列扩展之后形成120个符号，映射到PUCCH format 2/2a/2b中的数据部分n 1比特ACK/NACK信息，经过BPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘之后形成为12个符号，映射到PUCCH format 2a中每个时隙中的第二个RS上n 2比特ACK/NACK信息，经过QPSK调制，形成1个符号，经过与参考信号相乘之后形成为12个符号，映射到PU