LTE学习笔记:物理层过程 一

2024-05-08 15:32

本文主要是介绍LTE学习笔记:物理层过程 一,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

终端和网络需要建立密切的信息交互,手机和网络都要进行哪些物理层的交互呢?

终端需要搜索到服务自己的网络,然后接入网络,这就涉及小区搜索过程和随机接入过程;在交互过程中,终端和网络都需将功率调节到合适的大小,以增强覆盖或抑制干扰,这就是功率控制过程;网络想找到某一个终端,以期与其建立业务连接,这就是寻呼过程;网络的自适应能力依赖于对无线环境的精确感知,测量过程为网络的自适应提供依据;终端和网络的有用信息交互,依赖于共享信道的物理层过程。


1.物理层过程

LTE中,下行物理层过程有:小区搜索过程、下行功率控制、寻呼过程、手机下行测量过程、下行共享信道物理过程。

上行物理层过程有:随机接入过程、上行功率控制、基站上行测量过程、上行共享信道物理过程。


2.小区搜索过程

无线通信制式中,终端和基站建立无线通信链路的前提是必须先进行小区搜索。

在以下两种情况中必须进行小区搜索:一是用户开机,二是小区切换。

在LTE中,用户终端开机或小区切换时,需要和小区取得新的联系,和小区的时频保持同步,获取小区的必要信息。

小区搜索过程中,用户UE要达到以下三个目的:

(1)下行同步:符号定时、帧定时、频率同步。

(2)小区的标识号(ID)获取。

(3)广播信道(BCH)的解调信息获取。

BCH信道广播的信息有:小区的传输带宽(LTE中各小区传输带宽不固定)、发射天线的配置信息(每个基站天线数目可能不一致)、循环前缀(CP)的长度(单播、多播业务CP长度不同)等。


2.1 三个信道、四个步骤

助力UE完成小区搜索过程的功臣是三个信道:

同步信道(SS、SCH)包括:主同步信道(PSS、P-SCH)和从同步信道(SSS、S-SCH);

参考信道(RS);

广播信道(BCH)。

小区的搜索过程分为以下四个步骤:


第一步:从PSS信道上获取小区的组内ID;

第二步:从SSS信道上获取小区组号,范围是0~167;协议规定了3个PSS信号,使用长度为62的频域Zadoff-Chu(ZC序列,较好的自相关特性和较低峰均比),分别对应小区组内ID;SSS信号则使用二进制M序列,有168种组合,与168个物理层小区标识组对应。所以UE把PSS和SSS接收下来后就可以确定小区标识。先获取组内顺序号,再获取小区组的顺序号。

第三步:UE接收下行参考信号(DL-RS),用来进行精确的时频同步。DL-RS是UE获取信道估计信息的指示灯。对于频率偏差、时间提前量、链路衰落情况,UE从这里了解清楚,然后在时间和频率上紧跟基站的步伐。

第四步:UE接收小区广播信息。完成前三步后UE就完成了和基站的时频同步,可以接受基站的面向小区内所有UE的广播信号。有需要就听一下,从广播信号上可以获得下行系统带宽值,天线配置,本小区的系统帧号等。

以往无线制式下行系统带宽和天线配置是定死的。在LTE中得益于OFDM、MIMO,配置是灵活的,但增加了这部分信令开销。


2.2 在合适的位置寻找合适的信息

SS信号和BCH信道是小区搜索时UE最先捕获的物理信道。因此必须保证用户在没有任何先验信息情况下能够得到这些信息。

办法就是:在时域和频域上安排固定位置。

回复上一笔记,同步信号每个帧发送两次,PSS和SSS在时域上的位置TDD和FDD不一样。FDD中,PSS、SSS分别在第0个和第5个子帧的第一个时隙的最后两个符号位置上。TDD中,PSS在DwPTS上,SSS在第0个子帧的第1#时隙的最后一个符号上。

BCH在SS之后被用户接受,因此二者须有一个固定的时间间隔τ,如图所示


每个下行帧,SS和BCH可以发送多次,SS和BCH数目也可不同,对于BCH出现的时间位置,终端需要知道,否则无法找到它。

不管小区总传输带宽多大,SCH信道和BCH信道只在小区传输带宽的中心位置传输,而且SCH、BCH总是占用相同的带宽(1.25MHz).其中有用子载波数目是64个,中间有一个直流子载波(DC)。

在小区搜索的开始,监测系统的中心带宽为1.25MHz。利用同步信道进行下行同步,获取小区标识;然后还是在这1.25Mhz中心带宽上,接收BCH相关的解调信息。UE从BCH的解调信息中获取了分配的系统带宽,然后将工作带宽偏移到指定的频带位置上,至此才可以进行数据传输,整个过程如图所示。

 

3.随机接入过程

随机接入过程主要完成用户信息在网络侧的初始注册。

通过小区搜索,用户知道了网络侧的信息;而通过随机接入,网络侧又知道了用户的必要信息。

和UMTS随机接入过程不同,LTE的随机接入过程不仅完成用户信息的初始注册,还需要完成上行时频同步(Time Advance,时间提前量,TA)与用户上行带宽资源的申请。

在LTE中,上行时频同步和重新申请上行带宽资源,都需要启动随机接入过程来完成。

大致来说启动随机接入过程的场景有以下三种:开机、UE从空闲状态到连续状态、发生切换。

根据接入时终端的同步状态不同,随机接入过程可分为同步的随机接入和非同步的随机接入。

同步的随机接入过程已经处于同步状态,没有上行同步的目的,主要的目的只是上行带宽资源的申请,而同步的随机接入过程较少使用。

主要介绍非同步的接入过程,非同步随机接入是在用户UE没有上行同步、或者失去上行同步时,需要和网络侧请求资源分配时所使用的接入过程。


3.1 Preamble结构

上行失步情况下,终端和网络侧都不知道彼此间的距离,容易导致基站的上行接收窗错位。这就要求时域采用特殊的Preamble结构(加CP)来克服可能的时间窗错位。


随机接入在接入用户数目较多时基于竞争会发生严重的冲突碰撞,降低系统容量。

一般采用基于资源预留的接入机制。在随机接入过程中一定要选用冲突概率小、相关性较低的同步序列,做上行同步。Zadoff-Chu满足这个要求。

随机接入前导消息Preamble的位置,在时域上是可配置的,在频域上一般位于PUCCH信道的内侧,如图所示。


3.2 LTE与UMTS随机接入过程对比

对于物理层来讲,物理层的随机接入过程包含两个步骤:

发送:UE发送随机接入Preamble;

应答:eUTRAN对随机接入的响应。


UE物理层首先要从高层(传输层的RACH信道)获取随机接入的PRACH信道参数,包括:

(1)PRACH信道配置信息(时域、频域上的信道结构信息);

(2)前导Preamble格式(前导用于上行时钟对齐和UE识别符,系统规定其由Zadoff-Chu序列产生);

(3)前导发射功率;

(4)Preamble根序列及其循环位移参数(小区用来解调前导消息)。

UMTS随机接入信道(PRACH)(上行)包括前导消息(Preamble)、正交消息部分(Message),如图所示

在LTE中,随机接入信道(PRACH)只包括前导消息(Preamble),但较UMTS的前导消息内涵更加丰富一些。正文消息部分是在共享信道PUSCH上进行传输,不属于PRACH的一部分。物理层随机接入过程不包括正文消息的发送过程。

LTE基站给终端随机接入的应答,也不像UMTS中简单地回应一个AI,而是有丰富内涵的一个回应,由PDCCH(指示是否有回应)和PDSCH(指示回应的具体内容),如图所示。


基站通过PDSCH信道告知UE随机接入允许的内容(UL-SCH grant),这个内容需要传给UE的传输层在共享SCH信道上才能解析。随机接入响应准许(UL-SCH grant)包括:无限资源RB指派情况、调制编码信息、功率控制命令、是否请求CQI等信息。UE根据随机接入响应准许的要求,在上行PUSCH信道上发送随机接入的消息部分。

随机接入的具体过程如下:

(1)UE高层请求触发物理层随机接入过程。

高层在请求中指示Preamble index、Preamble 目标接收功率、相关的RA-RNTI(Random Access Radio Network  Temporary Indentifier,随机接入无线网络临时标识),以及随机接入信道的资源情况等信息。

(2)UE决定随机接入信道的发射功率。

由于随机接入在与网络侧建立联系之前发生,因此采用开环功率控制。终端在PARCH信道发射随机接入前导消息(Preamble)时,自己根据高层指示计算一个发射功率,如下式:

发射功率=preamble的目标接收功率+路径损耗

这个发射功率小于终端最大发射功率,路径损耗为UE通过下行链路估计的值。若网络侧无反应,则UE会一直增加发射功率。

(3)UE以计算出的发射功率,选择Preamble随机序列,在指定的随机接入信道资源中发射单个Preamble。

(4)在传输层设置的时间窗内,UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到,把相应的下行信道PDSCH送往传输层。传输从共享信道中解析出接入允许的响应信息。之后开始在PUSCH信道上给基站传送正文消息。

(5)在规定时间内,如果没有收到响应,那么物理层反馈“NACK”给传输层,并退出随机接入过程。

 

4.功率控制过程


4.1 LTE与CDMA功率控制对比

CDMA是自干扰系统,有较明显的远近效应,依赖功率控制来克服远近效应。LTE使用OFDMA,不属于自干扰系统。

CDMA采用快速功率控制,LTE采用慢速功率控制。

CDMA系统中,每个用户的信号都会占用整个带宽,对小区内、外造成的干扰为宽带干扰。功率控制主要是小区内干扰控制。

LTE系统中,每个用户只会占用一部分系统带宽(多个子载波),而且每个用户占用的子载波数量和位置不一样。因此对小区内和小区间的干扰时是窄带干扰,频率选择性干扰。


4.2 LTE功率控制

根据功率控制执行方是否需要对方反馈控制信息,分为开环功控(无需反馈)和闭环功控(需反馈)。

 


5. 寻呼过程

寻呼,就是网络寻找某个特定UE的过程。用户被呼叫时,网络侧发起的呼叫建立过程一定包括寻呼过程。这也是UE主叫和被叫流程不一样的地方。

寻呼流程并不是一个纯粹物理层过程,也需要高层的配置和指示。


5.1 不连续接收

如果一个UE在始终不停地查看是否有自己的寻呼信息,会导致手机耗电增加。在一个寻呼过程中,多数时间UE处于睡眠状态,只在预定时间醒来监听一下是否有属于来自网络的寻呼信息。多数时间休息,少数时间监听,是一种不连续接收(DRX)技术。


5.2 LTE和WCDMA寻呼过程对比

两者寻呼过程大致相同,但实现该过程所使用的信道略有不同。

WCDMA中,UE大多数时间休息,只在预定时刻监听物理层寻呼指示信道(PICH),如图所示,这个信道类似村委会通知谁家有包裹寄到的公告栏。


UE在PICH这个公告栏上看是否有自己的包裹(是否有这个UE的寻呼信息)。一旦发现有属于自己的寻呼信息,它立刻到指定位置(S-CCPCH信道上)去寻找自己的包裹(寻呼指示信息)。

先发送一个寻呼指示,再发送一个UE的寻呼消息,可以使UE休息更长时间。因为寻呼指示的时长比寻呼信息时长小很多,且并不是每次寻呼指示里都有某一UE的通知。


LTE中,如图所示,寻呼信息指示信道是PDCCH,寻呼消息发送的得信道是PDSCH。同样地,LTE也是采用DRX技术。


UE在属于自己的特定时刻去监听PDCCH信道,如果在PDCCH信道上检测到自己的寻呼组的标识该UE则需去解读PDSCH,并将解码后的数据通过寻呼传输信道(PCH)传到MAC层。

在PCH传输块中,包含被寻呼的UE的标识。如果该UE没有在PCH上找到自己的标识,则丢弃这个信息,重新进入休眠,等待属于自己的下一个监听时刻的到来。

LTE中没有专门的PICH寻呼消息指示信道,而是和其他指示消息一样,借用PDCCH信道来传送这些指示消息。这是因为PDCCH本身传输时间很短,引入专门的PICH节省的能量有限,但却增加了复杂度。


原文:https://blog.csdn.net/jyqxerxes/article/details/79056750

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http://www.chinasem.cn/article/970712

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