第五次课：多址接入与物理层信道设计

第五次课：多址接入与物理层信道设计第一页，共47页。TDD双工方式物理层信道设计目录多址传输技术第二页，共47页。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（UnpairedSpectrum）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-DuplexFDD）半双工FDD（HD-FDD，Half-DuplexFDD）定义：采用成对频谱（PairedSpectrum）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双工方式第三页，共47页。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电话业务（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（GlobalSystemMobile）；

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；

传送语音和低速数据业务为主；TDD双工方式第四页，共47页。

第三代蜂窝移动通信-IMT-2000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-RWP#5D通过了LTE-Advanced和IEEE802.16m作为IMT-Advanced作为IMT-Advanced(4G)标准，其中LTE-Advanced包含FDDLTE-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双工方式第五页，共47页。TDD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双工方式第六页，共47页。TDD双工方式的缺点：系统内干扰更为复杂；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FDD系统干扰情况TDD系统干扰情况第七页，共47页。TDD双工方式物理层信道设计目录多址传输技术第八页，共47页。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多址传输方式第九页，共47页。OFDMA的信号传输特点：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OFDM符号的循环前缀（CP）生成示意图第十页，共47页。OFDMA多址传输方式OFDMA中子载波间保持正交性第十一页，共47页。OFDMA的信号收发信号流程图OFDMA多址传输方式OFDM发射机结构图OFDM接受机结构图第十二页，共47页。OFDMA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多址传输方式第十三页，共47页。TD-LTE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OFDM资源块示意图第十四页，共47页。TD-LTE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下行多址方式第十五页，共47页。

基本参数

系统带宽

1.4MHz，3MHz，5.MHz，10MHz，15MHz以及20MHz子载波间隔15kHz，用于单播（unicast）和多播（MBSFN）传输

7.5kHz，仅仅可以应用于独立载波的MBSFN传输

子载波数目

CP长度一个时隙中不同OFDM

符号的循环前缀长度不同信道带宽（MHz）1.435101520子载波数目721803006009001200TD-LTE下行多址方式第十六页，共47页。TD-LTE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-LTE上行多址方式时域SC-FDMA方案频域SC-FDMA方案第十七页，共47页。DFT-s-OFDMA子载波映射方式：TD-LTE上行多址方式第十八页，共47页。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上行多址方式第十九页，共47页。TDD双工方式物理层信道设计目录多址传输技术第二十页，共47页。TD-LTE帧结构TDD帧结构原理图（下行传输+上行传输+保护间隔）第二十一页，共47页。TDD保护间隔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/2TD-LTE帧结构第二十二页，共47页。TDD保护间隔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帧结构第二十三页，共47页。TDD保护间隔TUDLTETDD系统中的TUD，通过定时提前来创造

TD-LTE帧结构第二十四页，共47页。帧结构

TDD帧结构---帧结构类型2，适用于TDD

一个长度为10ms的无线帧由2个长度为5ms的半帧构成

每个半帧由5个长度为1ms的子帧构成常规子帧：由两个长度为0.5ms的时隙构成特殊子帧：由DwPTS、GP以及UpPTS构成支持5ms和10msDLUL切换点周期

5msDLUL切换周期：特殊子帧在两个半帧中都存在

10msDLUL切换周期：特殊子帧只在第一个半帧中存在

子帧0，子帧5以及DwPTS永远是下行UpPTS以及UpPTS之后的第一个子帧永远为上行TD-LTE帧结构第二十五页，共47页。帧结构

TDD帧结构

上下行配置TD-LTE帧结构第二十六页，共47页。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1：2DL+DwPTS+2UL；配置2：3DL+DwPTS+1UL；配置6：3DL+2×DwPTS+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上行多址方式第二十七页，共47页。帧结构

TDD帧结构

特殊子帧配置特殊子帧配置常规CP扩展CPDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS031013811948321039231121014121372539282693917102---8111---TD-LTE帧结构第二十八页，共47页。

物理资源概念

基本时间单位

天线端口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。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0~5。小区专用参考信号传输天线端口：天线端口0~3MBSFN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物理层资源概念第二十九页，共47页。

物理资源概念资源单元(RE)

对于每一个天线端口，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资源块(RB)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第三十页，共47页。

物理资源概念资源单元组(REG)控制区域中RE集合，用于映射下行控制信道每个REG中包含4个数据RE控制信道单元（CCE）36RE，9REG组成物理层资源概念第三十一页，共47页。

下行物理信道

PBCH（物理广播信道）：用于承载重要的系统信息，例如系统下行带宽、系统帧号等。PDSCH（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）：用于承载多播业务信息。PDCCH（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）：用于指示每个子帧控制区域占用的符号数。PHICH（物理HARQ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）：用于承载发送给中继的控制信息。下行物理信道一般处理流程

物理层资源概念第三十二页，共47页。

下行物理信道调制方式物理信道调制方式PDSCHQPSK,16QAM,64QAMPMCHQPSK,16QAM,64QAMPDCCHQPSKPBCHQPSKPCFICHQPSKPHICHBPSK物理层资源概念第三十三页，共47页。

下行物理信道码字数目、层数目以及预编码操作物理信道可支持的预编码操作可支持的码字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物理层资源概念第三十四页，共47页。

下行物理信道的RE映射

控制区域与数据区域TDM；PCFICH、PDCCH、PHICH映射在控制区域；PDSCH、PMCH、PBCH映射到数据区域；常规CP扩展CP第三十五页，共47页。上行物理信道

PRACH（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。

PUSCH（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。

PUCCH（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。物理层资源概念第三十六页，共47页。

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第三十七页，共47页。

PUCCH格式

PUCCH格式用途调制方式比特数1SRN/AN/A1aACK/NACKBPSK11bACK/NACKQPSK22CQIQPSK202aCQI+ACK/NACKQPSK+BPSK212bCQI+ACK/NACKQPSK+BPSK22物理层资源概念第三十八页，共47页。

PUCCHformat1/1a/1b结构

常规CP扩展CP物理层资源概念第三十九页，共47页。

PUCCHformat1/1a/1bRE映射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PUCCHformat1中的数据部分

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PUCCHformat1a中的数据部分

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PUCCHformat1b中的数据部分参考信号序列经过正交复用后，映射到PUCCHformat1/1a/1b中的参考信号部分PUCCHformat1/1a/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第四十页，共47页。

PUCCHformat2/2a/2b结构常规CP扩展CP物理层资源概念第四十一页，共47页。

PUCCHformat2/2a/2bRE映射

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PUCCHformat2/2a/2b中的数据部分

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PUCCHformat2a中每个时隙中的第二个RS上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