2.2　物理层

下面介绍物理层的帧结构、物理层资源单位、信道与映射和物理信号。

2.2.1　LTE帧结构

LTE支持两种类型的无线帧结构：

（1）类型1，适用于FDD模式。

（2）类型2，适用于TDD模式。

帧结构类型1如图2-11所示。每一个无线帧长度为10ms，分为10个等长度的子帧，每个子帧又由2个时隙构成，每个时隙长度均为0.5ms。

帧结构类型2如图2-12所示，帧长10ms，分为两个长为5ms的半帧，每个半帧包含8个长为0.5ms的时隙和3个特殊时隙：下行链路导频时隙（Downlink Pilot Time Slot，DwPTS）、保护间隔（Guard Period，GP）和上行链路导频时隙（Uplink Pilot Time Slot，UpPTS）。DwPTS和UpPTS的长度是可配置的，DwPTS、UpPTS和GP这3个特殊时隙的总长度为1ms。在类型2的帧结构中，子帧1和子帧6包含DwPTS、GP和UpPTS，子帧0和子帧5只能用于下行传输。TDD无线帧支持灵活的上下行配置，并支持5ms和10ms的切换点周期。

GP为保护时隙，不传输任何数据，防止上下行交叉干扰。TDD较之FDD的一个明显优势就是可以灵活地分配上下行资源（信道），因此在帧结构中有下行时隙转换点DwPTS和上行时隙转换点UpPTS存在。TDD帧的上下行配置如表2-1所示。

从表2-1可以看出，当一个TDD 10ms无线帧中含有2个S子帧（含特殊时隙）时，其切换时间间隔为5ms，一个无线帧中共有8个子帧（时隙）可以用来作为上行或下行信道。当一个无线帧中只存在1个S子帧（含特殊时隙）时，切换时间间隔就是10ms，可作为上下行的信道子帧配置的子帧就有9个。

2.2.2　LTE的物理层资源单位

LTE上下行传输使用的最小资源单位叫作资源单元（Resource Element，RE）。LTE在进行数据传输时，将上下行时频域的物理资源组成资源块（Resource Block，RB），作为物理资源单位进行调度与分配。资源块用于物理信道向资源单元（RE）的映射。频域上一个子载波和时域上一个符号（symbol），称为一个RE。

物理资源块在时间域上用（下行链路中包含的符号数）个连续的OFDM符号和频域上（一个资源块中包含的子载波数）个连续的子载波来表示。一个物理资源块就是，通常对应一个时隙（0.5ms）和180kHz（12个带宽为15kHz的子载波）频宽。

下行和上行时隙的物理资源结构分别如图2-13和图2-14所示。可以看出，1个RE即1个子载波×1个符号。而资源单元组（Resource Element Group，REG）是控制区域中RE的集合，主要用来映射下行控制信道，它是指一个资源块中，在时域上相同（同一个symbol中）的4个RE组成的组。信道控制单元（Channel Control Element，CCE）是PDCCH分配的资源单位，每个CCE包含9个REG。

2.2.3　TD-LTE系统的信道与映射

在TD-LTE系统中，一共定义了三种类型的信道，分别是物理信道、传输信道和逻辑信道：

（1）逻辑信道定义传送信息的类型，这些数据流包括所有用户的数据。

（2）传输信道传对应的是空中接口不同信号的基带处理方式，根据不同信号的信道编码、交织方式（交织周期、块内块间交织方式等）、CRC冗余校验的选择、块的分段等过程的不同，而定义了不同类别的传输信道。传输信道对逻辑信道信息进行特定处理后，在逻辑数据流加上传输格式等指示信息。

（3）物理信道是将属于不同用户、不同功能的传输信道数据流分别按照相应的规则，确定其载频、扰码、扩频码、开始结束时间等进行相关的操作，并最终调制为模拟射频信号发射出去。LTE的物理信道对应于一组RE，这些RE承载来自上层的信息。

下面详细介绍。

1. 物理信道简介

LTE定义的物理信道如表2-2所示。

物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）承载用于初始接入的系统信息，包括下行系统带宽、系统帧号（System Frame Number，SFN）、PHICH持续时间以及资源大小指示信息，采用QPSK调制方式。PBCH承载信息量只有24比特，在映射资源块时，其时域位置是每个无线帧的子帧0的第2个时隙前的4个OFDM符号，频域占用系统6个资源块的1.08MHz带宽。

物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator Channel，PCFICH）包含了用于承载PDCCH信道的OFDM符号数量和位置信息。PCFICH在每个子帧中都发射，采用QPSK调制方式。eNodeB通过PCFICH将（Control Format Indicator，CFI）通知给UE，CFI用来指示OFDM符号数量，CFI可以取值为1、2、3或4。PCFICH在资源块映射中，时域占用4个资源单元组（REG）的4个OFDM符号，频域占用每个子载波的第1个OFDM符号。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）承载调度以及其他控制信息，具体包含传输格式、资源分配、上行调度许可、下行数据传输指示、功率控制以及上行重传信息等，指出寻呼消息在资源块中的位置。在一个子帧中，可以同时传输多个PDCCH，一个UE可以监听一组PDCCH。与其他控制信道的资源映射基本单位不同，PDCCH资源映射的基本单位是信道控制单元（CCE），通过集成不同数目的CCE可以实现不同的PDCCH编码码率。PDCCH的时域位置在普通子帧的1~3个OFDM符号、特殊子帧的1个或2个OFDM符号处，频域上至少占用1个CCE中的432个子载波。PDCCH一共有四种格式，均采用QPSK调制。

物理HARQ指示信道（Physical HARQ Indicator Channel，PHICH）承载eNodeB对上行发射信号发出的NAK/ACK响应信息，用于指示来自终端的上行数据被eNodeB接收的情况。PHICH采用BPSK的调制方式，在资源块映射中，时域占用每个子帧的第1个或第3个OFDM符号，且由系统参数配置，频域占用3个资源组的12个连续子载波。

物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）承载下行用户数据、用户信令、寻呼消息和系统信息等，包括没有在PBCH上传输的系统广播信息及寻呼信息等，可应用于特殊时隙DwPTS上。PDSCH支持QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式，通过速率控制来保证QoS。在资源块映射时，由系统动态分配，映射位置可以位于下行信道除了控制区域及参考信号（Reference Signal，RS）外的全部资源单元组（REG）。

物理多播信道（Physical Multicast Channel，PMCH）在支持多媒体广播多播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）时，用于承载多小区的广播信息（将同一业务源发出的数据同时发给多个接收MBMS的多播多媒体）。MBMS既可以扩展移动通信网络中的业务种类，还能通过承载和资源共享降低网络运营成本。TD-LTE采用的基于单频网MBMS（MBMS over Single Frequency Network，MBSFN）技术，可以在相同时间和频率资源上实现MBMS。PMCH可采用QPSK、16QAM和64QAM等调制方式，在资源块映射时，时域只在MBSFN子帧上的MBSFN区域传送，频域则占用系统带宽。

各下行物理信道在帧和子帧上的位置分布如图2-15所示。其中，P-SCH和S-SCH分别为主同步信道和辅同步信道，其主要作用是使UE与eNodeB获取帧同步，通过小区搜索在完成同步的同时，确定小区的物理层小区ID。

LTE定义的上行物理信道包括：

（1）物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH），承载上行控制信息、授权资源调度请求、来自用户的无线测量报告和无线传输中的ACK/NAK信令等。TD-LTE系统中设计了多种PUCCH格式，以用于传输不同类型的控制信令。在资源块映射中，PUCCH的时域占用一个OFDM符号，频域占用整个系统带宽。

（2）物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH），是上行数据的主要承载信道，主要用于上行数据的调度，也可以传输一些系统控制信息，包括下行链路信道质量信息（CQI/PMI）和下行业务信道的ACK/NACK信息等。PUSCH在资源块映射中为动态分配，但不与PUCCH同时传输。

（3）物理随机接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH），承载初始接入请求、空闲状态转换到连接状态的信令，是为了终端随机接入网络而定义的信道。资源块映射时，PRACH的时域位置在每个无线帧的子帧1或3，频域位置占用6个资源块共1.08MHz带宽。

2. 物理信道处理过程

下行物理信道处理的流程适用于多种物理信道，主要包括信道编码、加扰、调制、层映射、预编码、RE映射、OFDM信号生成等步骤，如图2-16所示。

（1）信道编码：信道编码本质是增加通信的可靠性。通过对码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。

（2）加扰：物理层传输的码字都需要经过加扰；加扰的目的在于将干扰信号随机化，在发送端用小区专用扰码序列进行加扰，接收端再进行解扰，只有本小区内的UE才能根据本小区的ID形成的小区专用扰码序列对接收到的本小区内的信息进行解扰，这样可以在一定程度上减小相邻小区间的干扰。

（3）调制：对加扰后的码字进行调制，生成调制符号。

（4）层映射：将调制符号映射到一个或多个发射层中，层映射与预编码实际上是“映射码字到发送天线”过程的两个子过程。

（5）预编码：将层映射之后的数据映射到不同的天线端口上。

（6）RE映射：将每个天线端口的调制符号映射到相应的RE上。

（7）OFDM信号生成：在每个天线端口生成OFDM信号。

上行物理信道的处理过程主要包括加扰、调制、预编码、RE映射和SC-FDMA信号生成等步骤，具体如图2-17所示。

3. 逻辑信道和传输信道

MAC层涉及的信道结构有三方面的内容：逻辑信道、传输信道和逻辑信道与传输信道之间的映射。传输信道是MAC层和物理层的业务接入点，逻辑信道是MAC层和RLC层的业务接入点。

LTE系统中根据传输数据的种类定义了各种逻辑信道，总体上分为控制信道和业务信道两大类。控制信道主要用于控制面信息传输，而业务信道主要用于用户面信息传输。

控制信道包括：

（1）广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH），属下行信道，承载广播系统控制信息。

（2）寻呼控制信道（Paging Control Channel，PCCH），属于下行信道，传输寻呼信息和系统信息改变通知。当网络不知道UE的小区位置时用此信道进行寻呼。

（3）公共控制信道（Common Control Channel，CCCH），用于UE和网络之间传输控制信息。该信道用于UE与网络没有RRC连接的情况。

（4）多播控制信道（Multicast Control Channel，MCCH），是点到多点的下行信道，为一条或多条MTCH信道传输网络到UE的MBMS控制信息。该信道只对能够接收MBMS信息的UE有效。

（5）专用控制信道（Dedicated Control Channel，DCCH），是点对点的双向信道，在UE和网络之间传输专用控制信息，用于UE存在RRC连接的情况。

业务信道包括：

（1）专用业务信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH），是点对点的双向信道，专用于一个UE，该信道用于传输用户信息。

（2）多播业务信道（Multicast Traffic Channel，MTCH），是点对多点的下行信道，用于网络向UE发送业务数据。该信道只对能够接收MBMS信息的UE有效。

LTE系统中定义的下行传输信道包括广播信道（BCH）、下行共享信道（DL-SCH）、寻呼信道（PCH）、多播信道（MCH），上行传输信道包括上行共享信道（UL-SCH）、随机接入信道（RACH）。

4. 不同类型信道的映射

下行和上行的逻辑信道、传输信道与物理信道之间的映射关系分别如图2-18和图2-19所示。

2.2.4　TD-LTE的物理信号

LTE系统中的语音、数据以及与这些信息相关的用户信令、系统控制信息等都承载在物理信道上。为了保障LTE通信的正常进行，系统定义了一系列辅助性的物理信号。虽然这些辅助信号也占用系统的资源，但它们是系统运行不可或缺的。物理信号对应一组资源单元（RE），它不同于物理信道，并不承载来自上层的信息。物理信号一般分两类：参考信号（RS）和同步信号（Synchronization Signal，SS），参考信号也称为导频信号。LTE中涉及的物理信号如表2-3所示。

1. 参考信号

在TD-LTE系统中，为了有效地检测无线信道传输的信号并进行解调，需要用相关检测算法获取信道信息。系统在eNodeB端发送预先约定的已知序列，UE接收端通过对已知序列进行测量来获取信道信息，这些已知序列被定义为导频信号或参考信号。导频信号以资源单元（RE）为单位，导频插入的方式有梳状、块状和星状三种。在上行链路多用梳状或块状导频序列，在下行链路多用星状导频序列。LTE系统常用的导频信号包括：

（1）解调导频信号（Demodulation Reference Signal，DMRS），包括上行共享信道PUSCH和上行控制信道PUCCH解调导频两种，分别用于PUSCH和PUCCH的数据解调。该导频信号结构主要采用的是Zadoff-Chu（ZC）序列，因用途不同，序列设计和资源映射存在差异。常规循环前缀（Cyclic Prefix，CP）中的PUSCH解调导频信号映射在每个时隙的第4个符号上。扩展CP中的PUSCH解调导频信号映射在每个时隙的第3个符号上。PUCCH解调导频的映射与PUCCH的格式有关。

（2）探测导频信号（Sounding Reference Signal，SRS），用于上行信道质量测量，以支持频率选择性调度、功率控制和定时提前等功能，确保每个用户的信道状态良好。在TD-LTE系统中，可以同时得到下行信道质量。若上行特殊时隙UpPTS中有两个OFDM符号，则系统可以在这两个OFDM符号上配置导频，也可以在某个上行子帧的最后一个OFDM符号上配置导频。

（3）小区专用导频信号（Cell-specific Reference Signal，CRS），也叫下行公共导频信号，用于广播信道、下行控制信道和下行共享信道的数据解调与传输、下行共享信道的信道质量测量等。CRS是由一个长度为31的Gold序列组成的随机序列，它在资源块中的映射呈星形分布。

（4）终端专用导频信号（UE-specific Reference Signal，URS），用于下行共享信道的数据解调。URS只在发送业务数据的资源块中发送，以减少相邻小区间干扰，节约能量。导频端口数与MIMO传输并行数据流的数据相同，避免了公共导频开销过大。

（5）MBSFN导频信号，用于多播信道的数据解调。仅在多播信道天线端口4上发送。在TD-LTE系统中，根据子帧发送业务的不同，分为常规子帧和MBSFN子帧。常规子帧用于单播业务的数据传输，MBSFN子帧用于多个小区的广播和多播业务传输。MBSFN子帧包括子载波间隔为15kHz和7.5kHz两种配置，因此MBSFN导频也包括两种形式，其中15kHz的配置支持扩展CP。

2. 同步信号

TD-LTE采用的是TDD时分双工系统，因此必须保证基站与终端在通信过程中的严格同步。TD-LTE系统的小区同步是通过下行信道中的同步信号实现的，有主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）两种。PSS用于小区组内侦测、符号对准和频率同步，SSS用于小区组侦测、帧时序对准和CP长度侦测。PSS在子帧1和子帧6（即DwPTS）的第3个符号（symbol）中发送，而SSS在子帧0和5的最后一个符号中发送，比PSS提前3个符号。

主同步信号PSS采用了长度为63的频域ZC（Zadoff-Chu）序列，为了标识小区ID，系统中包含了3个PSS序列，分别对应不同小区组内的小区ID，一般情况下这正好对应于每个基站下的3个小区。由于ZC序列具有良好的周期自相关性和互相关性，因此大大降低了系统复杂度。辅同步信号（SSS）采用168个M序列，对应168个基站。SSS信号由两个长度为31的M序列交叉级联得到长度为62的序列组成。为了提高不同小区间同步信号的辨识度，辅同步信号（SSS）使用两组扰码进行加扰。

LTE系统在物理层通过物理小区标识（Physical Cell Identities，PCI）来区分不同的小区。物理小区标识共有504个，它们被分成168（默认每个基站含3个小区）个不同的组（记为，范围是0~167），每个组又包括3个不同的组内标识（记为，范围是0~2）。因此，物理小区标识（记为）可以通过下面的公式计算得到：

因此，通过PSS和SSS两种同步信号，UE能够快速获取基站下行同步并计算得到物理小区标识。