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LTE物理层(LV新包来了，又是一波“理财产品”！)

小芩 13 2024-12-19 13:50:44

目录
Overview of the LTE Physical Layer
一、前言
二、相关知识
Overview of the LTE Physical Layer
一、前言
本文介绍 Long Term Evolution (LTE) 的无线接入技术以及 Physical Layer (PHY)，这里主要讲解一下关于LTE的物理层OFDM相关知识点，了解其底层设计的基本结构，在现在以及很长一段时间内，我想其结构不会有很大的改变。

二、相关知识
空中接口 (Air Interface)： LTE采用的是基于 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) 技术的无线多址接入。其下行采用OFDM，上行采用与之相类似的 Single-Carrier Frequency Division Multiplexing (SC-FDM)。相比之前的多址接入技术，OFDMA具有抗多径衰落、支持MIMO、频率选择等诸多优势。
频谱带宽 (Frequency Bands)： LTE频谱带宽被3GPP所规定，Frequency-division Duplex (FDD) 与 Time-division Duplex (TDD)，频分双工与时分双工的频带资源如下 (1-43)：
FDD:
FDD
TDD:
TDD
可以看出FDD上下行是配对的频谱，TDD是没有配对的，这也是两种不同双工的区别。其中Reserved是预留给ITU的。
单播与多播 (Unicast and Multicast Services)：在LTE中单播是指数据只传输给一个用户，与之相对应的多播 Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS) 一般是指电视、广播以及视频流等数据的传输，其传播都有自己专用的信道与系统。
带宽分配 (Allocation of Bandwidth) ：大家看到上图中的频谱分配后，不由会想每一段的频谱带宽是如何决定与分配的，比如1号FDD的分配，其分配带宽为60MHz，在这60MHz里面又是如何分配的。这里不得不提及一下几点常识，在LTE物理层中，一个资源块 Physical Resource Block (PRB) 带宽为180KHz，其中包含了12个宽带为15KHz的子载波。由IMT-advanced规定了比较灵活的带宽分配，范围为1.4MHz-20MHz，其包含的资源块如下：
资源分配
除了1.4MHz的占用率为77%外，其它频谱占用率达到了90%，之所以不占满是因为有保护频段，防止频谱泄漏。
时域分帧 (Time Framing)：在LTE中时间轴上被进行分帧处理，这样有利于信道的估计以应对时变的信道。一帧 (frame) 时长为10ms被分成了10个1ms的子帧 (subframe)，每一个子帧又被分为0.5ms的两个时隙 (time slots)，每一个时隙包含了6或者7个OFDM符号，这里需要强调，对后面理解什么叫OFDM符号有帮助。至于为什么这么分，都是协议的规定，如果以后的发展需要更新，那么将随之变化。具体如下图所示：
Time Framing
时频域的映射 (Time–Frequency Representation) ：理解OFDM符号是如何被传输的，其理解该符号是如何被映射到时频域资源的，这一点是非常重要的。信号在经过编码，星座图映射以后变成一个复值信号，此时将会映射到所谓的时频坐标系，该坐标系横坐标是时间，纵坐标是频率。这一步映射相当于是分配好每个信号的资源。
资源分配
上图很好地说明了信号是如何被映射到时频域的。这里一个PRB是指在一个时隙内的180KHz频谱资源，也就是12个子载波持续0.5ms。这里的 Resource Element 指的是复值的调制信号。上图每个时隙包含了7个OFDM符号，因此一个资源块将有12*7，84个 Resource Element，资源块是LTE中传输的最小单位。值得说明的是为什么选择15KHz为子载波的间隙 (Subcarrier Spacing)，这是因为15KHz很好的符合了OFDM的指令，将衰落信道转化为一系列可分辨的平坦信道，大大提高了系统的抗衰落能力。此外，在上行链路中，子载波在载波中心频率两边，相反在下行中与载波中心频率一致的子载波不会被使用 (涉及到过高的干扰问题)，具体如下图：
In the uplink:
uplink
In the downlink:
downlink
OFDM的多子载波传输 (OFDM Multicarrier Transmission)：我们知道LTE的上下行是基于OFDM多址技术的，这是一种多子载波传输的方法，这里理解它是如何传输的，有助于我们理解一个OFDM符号到底是什么。我将介绍一个OFDM符号 (symbol) 是如何产生的：
step 1. 首先将星座图映射后 (比如QAM) 的复值信号，也就是上述提到的 Resource Element 映射到我们的时频资源栅格上，将这些符号分配好时频资源。大家可能想问那么每个子载波的频率是多少呢？毕竟我只知道每个子载波的间隔是15KHz。如果有 N NN 个间隔为 Δ f Delta fΔf 的子载波，则有：
B W = N Δ f B W=NDelta f
BW=NΔf

k=1
∑
N

a
k

e
j2πkΔft

实际操作是离散的OFDM表示，这里需要假设信道的采样率为 F FF，则采时间为 T = 1 / F T=1/FT=1/F，采样点数为 N NN ，假设符号周期为 T s = N T T_s=NTT
s

=NT 则有：
x ( n ) = ∑ k = 1 N a k e j 2 π k Δ f n / N x(n)=sum_{k=1}^{N} a_{k} e^{j 2 pi kDelta f n/N}
x(n)=
k=1
∑
N

a
k

e
j2πkΔfn/N

可以看到上述表示可以很自然使用IFFT变换实现，这也是使用OFDM如此广泛的原因。我们也可以从表示看出一个OFDM符号是包含目前所有已经映射好的符号 a k a_ka
k

的调制求和。
step 3. 在经过OFDM调制后，一个OFDM符号就已经生成了，最后还需要给每一个符号加上一个循环前缀，其实就是将该符号的后面一部分复制到前面以消除符号间干扰 (ISI)和子载波间干扰 (ICI)。当然在进行完上述过程后，我们最后还需要将信号搬移到高频再发射出去。这里我想说一下每一个OFDM符号的时域持续时间，它是由两部分构成的循环前缀加上信号周期，信号周期 1 / 15000 s 1/15000s1/15000s，即是，大约66.7μ s mu sμs。完整过程可以由下图表示：
OFDM过程
这里想多说明的一点是OFDM是如何区分不同的用户的，其实它正交的子载波就已经说明了这个问题。举个例子，我们以下行为例，基站根据用户上报的不同信道信息，给每个用户分配不同的时频元素 (前面已经说过，按照资源块为单位划分，减少信令的开支)，当每个用户获取划分的方式之后，收到基站发送的信息只需要解调属于自己的那一块信息。
循环前缀 (Cyclic Prefix)：大家可以看到循环前缀有不同的大小，由于存在多径效应而导致的符号间干扰，同时为保证子载波之间的正交性，前缀是符号尾部的一段复制。LTE协议中按照下图规定了循环前缀的长度：
在这里插入图片描述
频域调度 (Frequency-Domain Scheduling)：频域的调度是LTE中很重要的一点，由于LTE本身支持不同的频率带宽，OFDM可以根据IFFT和FFT选择不同的符号长度，变化的点数。尽管LTE并没有规定带宽与FFT长度之间的关系，但一般2048与20MHz相关联，其他分配如下图：
在这里插入图片描述这里关于采样频率具体是如何得出的需要多说一点，我们以20MHz带宽为例子。首先 20 / 0.015 = 1333 20/0.015=133320/0.015=1333，FFT点数以2的次幂为单位，因此我们取2048个点，采样率 2048 ∗ 0.015 = 30.72 2048*0.015=30.722048∗0.015=30.72 MHz。其次，奈奎斯特采样率针对的是实信号，在变换后有正负两个频段的，因此我常说采样率要高于信号带宽的2倍，但实际上我们这里本身就是对复数信号的采样，20MHz带宽就是实实在在的20MHz带宽，不存在还有负的部分，因此30.72MHz绰绰有余，并且由于保护原因，20MHz带宽本身就没有用完，那就更加可以了。
LTE物理层内容及其丰富，还有许多信令，信道，编码等不计其数，本文仅仅是给出一部分关于OFDM的相关知识点，也是因为本人之前困惑于OFDM符号，所以才接触了一下LTE物理层将相关学习分享一下。