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在博文《LTE物理传输资源(1)-帧结构和OFDM符号》里提到了LTE的帧结构和时域上的OFDM符号,本文继续这个话题,继续描述子帧和时隙结构里的其他内容。
1.资源粒度
为提高终端的功率效率,延长电池的续航时间,以及设备成本上的考虑,LTE上行链路采用SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access,单载波频分多址)技术。在时域上,最小的资源粒度是一个OFDM符号(上行是SC-FDMA符号。下文统一称为OFDM符号)。在频域上,最小的粒度是一个子载波。一个OFDM符号与一个子载波组成的一个时频资源单元,叫做RE(Resouce Element)。物理层在进行资源映射的时候,是以RE为基本单位的。一个时隙内所有的OFDM符号与频域上12个子载波组成的一个资源块,叫做RB(Resource Block),LTE资源调度就是以RB为基本单位的。
循环前缀(CP,Cyclic Prefix)的长度影响着一个时隙(Slot)内OFDM符号的个数。一个时隙内包括的OFDM符号总个数是N_symb个:CP类型为Normal时,N_symb=7;CP类型是Extended类型,N_symb=6。因此,如果是Normal CP类型,那么1个RB由12*7=84个RE组成;如果是Extended CP,那么1个RB由12*6=72个RE组成。
系统可以使用的子载波个数与信道带宽有关:带宽越大,包括的子载波个数就越多。带宽内包括的子载波总个数是(N_RB*N_RB_sc=12*N_RB)个,其中,N_RB_sc值固定等于12(见上面的表格),N_RB与带宽相关,取值如下:
对于整个带宽来说,如果当前带宽占用N_RB个RB块(RB从0开始标识,标识的范围是:0,1,2,…,N_RB-1),那么占用的子载波个数就是N_RB*N_RB_sc=12*N_RB个。比如20MHz带宽,能够传输数据的子载波个数=12*100=1200个。
下图是一个CP类型为Normal的上行时隙Tslot在整个带宽内的展开图(下行时隙的结构与上行相同)。
上图中的横坐标是时域,以SC-FDMA符号个数L为基本单位,每个时隙包括7个SC-FDMA符号。纵坐标是频域,以子载波个数K为基本单位。对于一个坐标为(k,l)的RE来说,它所属的RB号n_pRB等于(k/12)向下取整的值,比如k=13,那么该RE所属的RB号是(13/12)=1。
2.频域结构
还记得博文《LTE物理传输资源(2)-频带、信道带宽和频点号EARFCN》中载波中心频点Fc的概念吗?在那篇文章里并没有提及上行和下行载波中心频点的不同,这里尝试做下说明。
在LTE下行链路中,存在着一个不用的直流子载波,位于载波中心频率,所以下行载波个数实际上是(12*N_RB+1)个。之所以不用这个直流子载波承载用户数据,是因为无论收发哪一方,它的上变频器件都存在着固有的本振泄漏,但终端一般采用的是零中频接收方案(结构简单成本低),因此无论基站侧的射频怎么发送,终端接收的时候都会在直流子载波处产生一个较强的噪声,因此该处不适合传输用户数据,故空出一个子载波。
在LTE上行链路中,因为上行采用的是SC-FDMA,需要使用连续的子载波承载用户数据,不能像下行链路那样跳过一个DC子载波,这就需要基站侧接收的时候不能采用零中频方案,而要采用非零中频方案。因此,上行链路不能也不会增加一个不用的直流子载波,故载波中心频率位于两个上行子载波之间,上行载波总个数是(12*N_RB)个。如下图所示。
既然子载波个数这么多,这里就有个代码实现的问题:UE在初始接入的时候,怎么来获取当前载波的中心频率?当然一个可能的方法是,让UE盲检测当前支持频段下的所有子载波,然后依次检测PSS和SSS,如果能找到PSS和SSS,则就找到了中心频点,但这样的缺点是扫频时间较长。还记得博文《LTE物理传输资源(2)-频带、信道带宽和频点号EARFCN》中提到的中心载波频率Fc与载波频点号EARFCN之间的固定关系吗?即:
这个公式隐式传达了一个信息:每个载波频率之间的间隔是0.1MHz即100KHz。也就是说,不是所有的子载波都可以用来做载波的。UE只需要对可能存在中心频点的子载波进行盲检测查找PSS和SSS就可以了。比如,初始接入时一个可能的方法是终端依次将EARFCN=0,1,2,…代入公式,得到若干个间隔为100KHz、可能是中心载波频率的备选集合,然后依次对这些备选频率进行检测,最后根据终端厂家自己的算法,获取真实的那个中心载波位置。对于曾经找到过中心频点EARFCN的终端,则可以保留历史中心载波频点信息,后续优先对这些载波频点进行检测,这样就可以提高扫频速度。
3.下行子帧结构
下行的每个子帧分为控制区域和数据区域。控制区域位于每个下行子帧第一个时隙的前1~4个OFDM符号(注:一般是1-3个符号,只有在1.4MHz带宽的时候才可能出现4个OFDM符号),用于传输下行L1/L2控制信令。这些承载在控制区域的L1/L2控制信令,对应3种不同的物理信道类型:
(1)物理控制格式指示信道(PCFICH,Physical control format indicator channel),指示终端当前子帧的控制区域占据了几个OFDM符号,范围是1~4,不同的子帧该值可能不同。在相同的子帧时刻,小区内所有终端获取的该值是相同的。
(2)物理下行控制信道(PDCCH,Physical downlink control channel),用于传输上下行资源调度分配的信令。PDCCH信道既可以给1个终端,也可以给多个终端发送相关信令。比如,某个子帧时刻,eNB只给一个UE分配了资源,而下个子帧时刻给2个UE分配了资源。不同终端从PDCCH信道中获取的信息可能不同,也可能相同。比如,CRNTI加扰的信息,不同终端解码获取的信息不同,而用TPC-RNTI加扰或者RA-RNTI加扰的信息,不同终端获取的内容就可以是相同的。
(3)物理混合ARQ指示信道(PHICH,Physical hybrid-ARQ indicator channel),用于传输上行数据的HARQ确认信息。每个终端对应不同的PHICH位置,因此获取到的ACK应答内容也不同。
之所以将控制区域放在子帧的开始部分,一方面是终端可以尽快的解码出相关调度信息,从而可以在当前子帧还没有结束的时候就开始下行数据的解码工作,减少了下行数据传输的时延。另一方面,终端在子帧开始的几个符号就检测出调度信息,就可以知道本终端有没有在该子帧被eNB调度,如果没有被调度,或者说没有属于本终端的信息,就可以不需要在当前子帧接下来的时间内接收下行数据,或者直接关闭接收电路,以减少终端功率的消耗。
PCFICH、PDCCH、PHICH信道的位置如下示意图所示。接下来的几篇文章,将继续写这几个信道的相关内容。
FDD制式,1.4MHz带宽:
TDD制式,1.4MHz带宽:
参考文献:
(1)3GPP TS 36.101 V10.21.0 (2016-1) User Equipment (UE) radio transmission and reception
(2)《4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》
(3)http://dhagle.in/LTE
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