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LTE 系列:下行链路帧结构

LTE 下行链路帧结构详细讲解

下行帧结构

FDD——类型 1

36.211 中 FDD LTE 的帧结构概览图如下所示:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/36_211_Fig4_1_1_FDD_DL_FrameStructure.png
FDD 帧结构

上图仅显示了帧在时域上的结构,而没有显示频域上的结构。

从图中可以看处:

  • 一帧(一个无线帧,一个系统帧)的持续时间是 10 ms。

  • 一帧(10 毫秒)的样本数是 307200(307.200 K)。

  • 一帧中有 10 个子帧。

  • 一个子帧中有 2 个时隙。

那么一个时隙是时域上最小的结构吗?不,如果进一步放大此结构,则会得到下图:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/FDD_DL_FrameStructure_Symbols.png
时隙结构

可以观察到一个时隙由 7 个符号组成。(一个符号是信号的某个时间跨度,在 I/Q 星座中的一个点。)

在符号的开头,还有一个很小的跨度,称为循环前缀,其余部分是真实的符号数据。

LTE 中有两种不同类型的循环前缀。一种是普通循环前缀;另一个是扩展循环前缀,其长度比普通循环前缀更长。(由于一个时隙的长度是固定的且不能更改,因此,如果使用扩展循环前缀,则一个时隙内则只能有 6 个符号)。

继续放大子帧以可以观察到确切的时间和采样,如下图所示:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/FDD_DL_FrameStructure_Subframe_01.png
符号结构

此图中显示的长度不随采样率而变化,但是每个符号和 CP 中的采样数随采样率而变化。此图中显示的样本数基于 30.72 Mhz 采样率的情况。

关于上述子帧结构,需要注意的几件事是:

  • 时隙中的第一个 OFDM 符号比剩下的 OFDM 符号长一些。

  • 上图中显示的样本数基于以下参数设置:采样率为 30.72M 个样本/秒和 2048 个 bin/IFFT($N_{ifft}$)。实际采样率和 $N_{ifft}$ 可能会随系统带宽而变化,需要根据特定带宽来缩放。

  • 每种系统带宽的典型 $N_{ifft}$ 如下:

System BW Number of RBs $N_{ifft}$ (bins/IFFT)
1.4 6 128
3.0 15 256
5.0 25 512
10.0 50 1024
15.0 75 2048
20.0 100 2048

下图是LTE 资源网格的总体子帧结构:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/LTE_DL_FrameStructure_01.png
LTE 资源网格

以下显示所有 4 个天线信号叠加(重叠)的理想情况下的下行链路帧结构和 RE(Resource Element,资源元素)映射的示例。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/LTE_DL_FrameStructure_02.png
4天线帧结构和 RE 映射示例

实际上,来自每个天线的信号具有略微不同的符号数据和参考信号位置。 RE 映射的顶部和底部显示的星座图是 LTE 信号分析器测量来自 LTE 网络模拟器的 LTE 信号的测量结果。这是在 LTE 网络正在传输 MIB/SIB 且 UE 未连接的情况下在天线端口 0 处捕获的。如果您使用不同的信道功率(例如 PCFICH 功率,PDCCH 功率,CRS 功率等)执行类似的操作,则可能会看到一些不同的星座图。

现在我们进一步放大结构,但这一次是在频域而不是时域扩展。我们将获得以下完整的详细图:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/PHY_CH_DL.png
下行帧结构物理信道

如上所述,我们可以在二维图中表示 LTE 信号。横轴是时域,纵轴是频域。纵轴上的最小单位是子载波,横轴上的最小单位是符号。时域和频域多个较小单位组合成较大单位。


首先让我们看一下频域结构:

  • LTE(无论 OFDM/OFDMA)频带由多个小间隔信道组成,这些小信道称为子载波

  • 无论 LTE 频带的系统带宽是多少,子载波间隔都相同。

  • 如果 LTE 信道的系统带宽发生变化,则信道数(子载波)会发生变化,但信道之间的间隔不会发生变化。

  1. 子载波和下一个子载波之间的空间是多少? 15 Khz

  2. 20 Mhz LTE 频段的信道(子载波)数量是多少? 1200 个子载波。

  3. 10 Mhz LTE 频段的信道(子载波)数量是多少? 600 个子载波。

  4. 5 Mhz LTE 频段的信道(子载波)数量是多少? 300 个子载波。


接着我们看一下横轴(即时域)的上的基本组成单位。时域上的最小单位是符号,长度为 66.7 us。无论带宽如何,符号长度都不会改变。

  1. 一个时隙中有多少个符号? A> 7 个符号。

  2. 一个子帧中有多少个符号? A> 14 个符号。

  3. 一个帧中有几个时隙? A> 20 个时隙。


现在,让我们看一下由时域(横轴)和频域(竖轴)组成的单位。我们将此类型的单元称为二维单元。

最小的二维单位是 RE,它由时域中的一个符号和频域中的一个子载波组成。另一个二维单位是 RB(Resource Block,资源块),它由时域中的一个时隙和频域中的 12 个子载波组成。RB 是 LTE 中协议侧和 RF 测量侧最重要的单元。

  1. 一个资源块中有多少个符号? 7 个符号。

  2. 一个资源块中有多少个子载波? 12 个子载波。

  3. 一个资源块中有多少资源元素? 84 个资源元素。

那么

  1. 20 Mhz 频带中有多少资源块? 100 个资源块。

  2. 10 Mhz 频带中有多少资源块? 50 个资源块。

  3. 5 Mhz 频带中有多少资源块? 25 个资源块。

TDD——类型 2

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/36_211_TDD_DL_FrameStructure.png
TDD 帧结构

以下是使用 Sandesh Dhagle’s Resource Grid Tools 生成的各种配置的 TDD UL/DL 资源分配图。

类别 颜色
PDCCH 橙色
PBCH 蓝色
PSS 紫色
SSS 浅蓝色
PDSCH 白色
Reserved 黑色
Ref Signal 红色
PCFICH 浅绿色
PHICH 黄色
TDD Uplink 绿色
Guard Period 灰色
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_1_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 1, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_2_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 2, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_3_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 3, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_4_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 4, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_5_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 5, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_6_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 6, Special Subframe Config 0

下面展示具有不同特殊子帧配置的资源网格的示例。在这些示例中,仅注意子帧 0 和子帧 6 中的符号结构如何变化。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_0_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 0
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_1_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 1
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_2_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 2
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_3_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 3
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_4_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 4
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_5_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 5
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_6_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 6
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_7_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 7
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/LTE/LTE-DL-FS/TDD_UL_DL_Configuration_0_SpecialSubframeConfig_8_01.png
Configuration 0, Special Subframe Config 8

LAA——类型 3

从 3GPP Rel 13 开始,提出了一种新的帧结构,主要应用于 LAA(License Assisted Access,许可辅助访问),与 LTE-U 一样,这也是一种在未经许可的频率范围内传输 LTE 信号的技术。 然而,与 LTE-U 不同的是,LAA 使用一种特殊的物理层帧结构,称为帧结构类型 3,这是以前不存在的。这种新的帧结构旨在使 LTE 信号类似于 WLAN 突发,并使 LTE 信号更好地与现有的 WLAN 业务共存。更多详情参见 LAA

参考