淺談TD-LTE物理層過程

魏超

摘要：物理層是LTE 協(xié)議結(jié)構(gòu)中的最底層，主要負(fù)責(zé)向上層提供底層的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該文通過對(duì)物理層相關(guān)技術(shù)的介紹，使讀者對(duì)物理層過程有整體性的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：LTE 同步過程;功率控制;物理層過程

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0060-02

LTE架構(gòu)可總結(jié)為三層兩面，物理層（PHY）為第一層，媒體接入控制子層（MAC）、無(wú)線鏈路控制子層（RLC）、分組數(shù)據(jù)匯聚子層（PDCP）為第二層，無(wú)線資源控制子層（RRC）為第三層，兩面包括用戶面和控制面。PHY層位于協(xié)議結(jié)構(gòu)的最底層，通過物理信道提供物理介質(zhì)中比特流傳輸所需要的所有功能。其中物理層過程包括：同步過程、隨機(jī)接入、功率控制、尋呼過程、測(cè)量過程、共享信道物理過程等。本文主要針對(duì)幾個(gè)重要過程進(jìn)行闡述。

1 隨機(jī)接入與同步過程

在LTE中，小區(qū)同步屬于下行物理過程，隨機(jī)接入上行物理過程。

1.1 ?隨機(jī)接入過程

隨機(jī)接入是終端（UE）與網(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線連接的必要過程，通過隨機(jī)接入，終端可以與基站達(dá)到上行同步，從而實(shí)現(xiàn)與eNodeB之間的數(shù)據(jù)接收和傳輸。終端一般在以下五種場(chǎng)景中需要隨機(jī)接入：IDLE狀態(tài)下的初接入;重建RRC連接;切換;CONNECED狀態(tài)下行數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，上行不同步;CONNECED狀態(tài)上行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，上行不同步或者沒有PUCCH資源。隨機(jī)接入主要有兩種方式，競(jìng)爭(zhēng)性隨機(jī)接入和非競(jìng)爭(zhēng)性隨機(jī)接入。

（1）競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入。在隨機(jī)接入之前，手機(jī)端的物理層會(huì)接收到來源于高層的隨機(jī)接入請(qǐng)求的信息，這個(gè)請(qǐng)求信息中包括了前導(dǎo)序列、前導(dǎo)傳輸功率、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)以及隨機(jī)接入信道資源。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)RA-RNT1是由隨機(jī)接入信道的時(shí)頻資源位置被確定。作用是在手機(jī)端接收到msg2的時(shí)候通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)來檢測(cè)下行控制信道（PDCCH）。

（2）與競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入不同的是，非隨機(jī)接入是由eNodeB為每個(gè)想要隨機(jī)接入的手機(jī)端分配一個(gè)位移的接入前導(dǎo)碼，以避免不同的終端在隨機(jī)接入時(shí)產(chǎn)生沖突，因此可以更加快速地完成隨機(jī)接入。

1.2 ?同步過程

同步過程不單是同步這一個(gè)過程，它包括了小區(qū)搜索和定時(shí)同步兩個(gè)子過程。其中小區(qū)搜索是為了UE終端能夠獲得其所在的eNodeB的下行時(shí)間和頻率的同步，并且檢測(cè)出小區(qū)的小區(qū)ID。定時(shí)同步包括了小區(qū)間同步、發(fā)射定時(shí)調(diào)整、無(wú)線鏈路檢測(cè)等。

2 功率控制

2.1 功率分配

在LTE中，由于下行采用了正交頻分多址（OFDMA），在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)有基站發(fā)給不同UE 的信號(hào)是相互正交的，所以不會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)，也就不需要功率控制。雖然沒有了小區(qū)內(nèi)干擾，但是小區(qū)間干擾依然存在，為了避免小區(qū)間干擾，所以在LTE下行需要采用功率分配，分為靜態(tài)和半靜態(tài)兩種。通過功率分配可以實(shí)現(xiàn)在滿足用戶接收質(zhì)量的前提下降低信道的發(fā)射功率，降低小區(qū)間干擾。

2.2 功率控制

在以前的CDMA系統(tǒng)中，為了克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”和“陰影效應(yīng)”，所以采取了上行功率控制。在LTE系統(tǒng)中，上行采用SC-FDMA（單載波頻分多址），不同用戶間的載波是相互正交的，受小區(qū)內(nèi)干擾不大，所以也沒有明顯的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。但是存在較為嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，當(dāng)頻率復(fù)用系數(shù)為1時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的所有小區(qū)都是用一樣的頻率資源為終端服務(wù)，一個(gè)小區(qū)的資源分配對(duì)小區(qū)容量和小區(qū)邊緣用戶造成很大影響。分布式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)法進(jìn)行相對(duì)集中的資源管理。因此LTE系統(tǒng)需要通過功率控制進(jìn)行小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)抑制。

3 共享物理信道過程

LTE的物理共享信道（PUSCH和PDSCH）是承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的主體。同時(shí)也會(huì)攜帶一定的尋呼和廣播信息。物理共享信道包括物理上行共享信道（PUSCH）和物理下行共享信道（PDSCH）。這兩個(gè)共享信道的職責(zé)主要有三方面：數(shù)據(jù)傳輸、HARQ、鏈路自適應(yīng)（AMC）。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸就是把數(shù)據(jù)加載到時(shí)頻資源塊上，通過天線輻射出去，然后在目的端將信息從時(shí)頻資源塊上接收下來的過程。上下行數(shù)據(jù)分別是由PUSCH和PDSCH來傳輸，由PDCCH來調(diào)度。依據(jù)QoS參數(shù)、在eNodeB中準(zhǔn)備調(diào)度的資源數(shù)據(jù)數(shù)量UE報(bào)告的信道質(zhì)量指示（CQI）、UE能力、系統(tǒng)帶寬、干擾水平對(duì)PDCCH參數(shù)來進(jìn)行配置，達(dá)到分配和使用資源的目的。

在下行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，長(zhǎng)度為1ms的子幀中，分配1-3個(gè)OFDM符號(hào)傳送協(xié)調(diào)調(diào)度信息，剩余符號(hào)用來傳輸數(shù)據(jù)信息。在下行數(shù)據(jù)接收時(shí)，UE會(huì)不斷檢測(cè)物理下行控制信道（PDCCH）攜帶的調(diào)度信息，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)信息屬于自己，則按照協(xié)調(diào)調(diào)度信息的指示來接收屬于自己的PDSCH信息。

同理，在上行方向，UE也需要通過下行的PDCCH的協(xié)調(diào)調(diào)度信息，來進(jìn)行上行數(shù)據(jù)的發(fā)送。由于設(shè)備都具有一定的時(shí)延，所以下行的PDCCH和上行的PUSCH存在一定的時(shí)延。對(duì)于TDD模式，時(shí)延和上下行時(shí)隙的比例有關(guān)，必須大于4ms，對(duì)于FDD，時(shí)延固定為4ms，即四個(gè)子幀。

在發(fā)送上行數(shù)據(jù)之前，UE要等待基站的調(diào)度信息，如果自己被允許發(fā)送數(shù)據(jù)，則在PUSCH上傳輸自己的數(shù)據(jù)。對(duì)于低速的、規(guī)律的業(yè)務(wù)，為了降低系統(tǒng)開銷，定義了半靜態(tài)調(diào)度。半靜態(tài)調(diào)度思想是對(duì)于低速業(yè)務(wù)，不需要每一幀都動(dòng)態(tài)調(diào)度，可以一次指令，工作很長(zhǎng)時(shí)間，節(jié)省信令的開銷。

3.2 HARQ

在LTE系統(tǒng)中，下行采用異步的自適應(yīng)HARQ，上行采用同步HARQ。異步同步的區(qū)別主要是根據(jù)重傳時(shí)間固定與否來區(qū)分。其中異步HARQ重傳時(shí)間不固定，同步HARQ提前定義了固定的重傳時(shí)間。

單個(gè)HARQ進(jìn)程采用了Nt通道停等式協(xié)議（N-Process Stop-and-Wait），當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)出去后，需要等待反饋ACK/NACK信息，反饋ACK則不需要重傳，反饋NACK則需要重傳。下行異步HARQ操作是通過上行ACK/NACK信令傳輸、新數(shù)據(jù)指示（NDI）、下行資源分配信令傳輸和下行數(shù)據(jù)的重傳來完成的。下行HARQ過程如圖所1。

在上行HARQ中，UE按照相應(yīng)的調(diào)度信息發(fā)送上行數(shù)據(jù)，基站接收后通過PHICH信道反饋ACK/NACK，反饋ACK，則繼續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)，不需要重傳;若反饋NACK，則需要重傳數(shù)據(jù)，上行HARQ過程如圖2。

4 測(cè)量過程

物理層只是具有測(cè)量的能力，具體配置和控制是由高層決定的。按性質(zhì)分為異系統(tǒng)測(cè)量、同頻測(cè)量、異頻測(cè)量。按測(cè)量的不同分為負(fù)荷測(cè)量、信道質(zhì)量、電平測(cè)量。還有按測(cè)量位置可分為手機(jī)（UE）側(cè)測(cè)量和基站（e-UTRAN）側(cè)測(cè)量。下面主要以手機(jī)側(cè)測(cè)量進(jìn)行相關(guān)闡述。

手機(jī)側(cè)的測(cè)量有兩種狀態(tài)，分別是空閑狀態(tài)（IDLE）的測(cè)量和連接狀態(tài)（CONNECT）的測(cè)量。當(dāng)手機(jī)處于連接態(tài)時(shí)，基站給手機(jī)端會(huì)發(fā)送一條RRC的重配置消息，相當(dāng)于是基站對(duì)手機(jī)測(cè)量的控制信令。其中包括了手機(jī)測(cè)量的類型及其ID，測(cè)量數(shù)量、觸發(fā)報(bào)告方式、測(cè)量對(duì)象以及報(bào)告數(shù)量，建立、修改、釋放一個(gè)測(cè)量的命令等。

當(dāng)UE處于空閑態(tài)時(shí)，基站是通過系統(tǒng)消息廣播的形式發(fā)送給手機(jī)的，在手機(jī)天線連接口具有手機(jī)測(cè)量的參考位置。其可以測(cè)量的物理量有以下幾種：

參考信號(hào)接收電平（RSRP）：簡(jiǎn)單通俗講，就是在同一個(gè)物理資源塊（RB）內(nèi)的RE的平均功率。主要負(fù)責(zé)小區(qū)的初選與重選。

接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）：在系統(tǒng)的特定頻帶寬度內(nèi)，好幾個(gè)RB內(nèi)的OFDM符號(hào)的總接受功率的均值，主要用于干擾測(cè)量。RSSI中包含了循環(huán)前綴、有用信號(hào)在內(nèi)的所有功率。

參考信號(hào)接收質(zhì)量（RSRQ）：所謂參考信號(hào)接收質(zhì)量就是RSRP和RSSI的比值，是一種信噪比的定義形式，可以用于切換和小區(qū)重選時(shí)信道質(zhì)量的好壞判斷。

當(dāng)UE處于空閑態(tài)時(shí)，可以利用RSRP參數(shù)進(jìn)行小區(qū)初選和重選，但是在連接狀態(tài)時(shí)，需要比較RSRP和RSRQ進(jìn)行比較才能確定是否切換。如果僅僅比較RSRQ，切換次數(shù)確實(shí)減少了，但是可能導(dǎo)致掉話，如果僅比較RSRP，則會(huì)導(dǎo)致切換頻繁。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)物理層過程的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，讓讀者對(duì)物理層過程有一個(gè)系統(tǒng)的了解，表明了物理層對(duì)移動(dòng)通信過程的重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPPR1-073673.OntheNumberofHARQ-processes，Nokia，2007.8

[2] 3GPPR1-081542.UplinkACK/NACKtimingforTDD，Ericsson，2008.3

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