第一章 LTE系统的时频结构

　　部分内容引用自《LTE教程》。

　　LTE基站的信息处理流程

　　时频结构就是时间和频率上的结构，是LTE空中接口上需要调度的资源。

　　时频结构等同于一个二维网格，横坐标为时间，纵坐标为频率，单位时间和单位频率的交叉点是一个单位资源　（RE），一个单位资源被一个调制符号所占用。

　　调制符号是？术语：

　　①单位时间：对应于OFDM符号的时长；

　　②单位频率：对应于子载波；

　　③单位资源：简称为RE，翻译为”资源颗粒“。

　　规定了信号和信息在二维网格中所在的位置，即所占用的单位资源RE。是资源定位的过程。

　　为了方便定位，LTE系统将时间和频率这些无线资源分层次组织起来。

　　LTE技术同时支持TDD和FDD两种双工方式。在这两种双工方式下，时间结构是不同的，即无线资源在时间上的可用位置存在区别。

　　全双工：信息双向传递，收、发可以同时进行。

　　在全双工方式中，无线通道分成下行链路（DL）和上行链路（UL）两种。一般来说，上行链路的信号强度远小于下行链路的信号强度，因此为了接收上行信号，必须进行收、发分离，否则下行信号的存在会对上行信号产生干扰。

　　根据收发分离的方式，全双工可以分成FDD和TDD两种，如图：

　　TDD与FDD的区别

　　TDD虽然在收、发过程中存在明显的时间间隔，不能同时进行收与发，但是它仍然属于全双工方式。

　　在数据业务中，只要上、下行无线资源有固定的分配方式，就属于全双工方式。

　　eNB采用的双工方式可以使用Matlab LTE ToolBox中的函数定义如下所示：

　　手表上显示的时间分为三个层次：时-分-秒。

　　LTE系统在时间上也分为三个层次：无线帧-子帧-时隙。针对FDD而言。

　　10ms 1ms 0.5ms无线帧是LTE时间结构中的最大单位，时长为10ms，是LTE空中接口许多机制的定时基础。

　　为了方便无线帧，LTE无线帧进行了编号，称为系统帧编号(System Frame Number，SFN)，范围为，可以理解为手表上的时针，只不过不是采用24小时制，而是采用1024小时制。

　　SFN是终端定时的关键参数。

　　LTE系统的一个无线帧由10个子帧组成，因此1个子帧的时长为1ms，按无线帧编号，因此，编号为，可以理解为手表上的分针，只不过不是采用60分制，而是采用10分制。

　　一个子帧的时长等于1个TTI(Transport Time Interval，传输时间间隔)。

　　TTI是业务调度的基本时间单位，因此，在LTE系统中，子帧是业务调度的基本时间单位。

　　FDD和TDD两种双工方式的区别主要体现在子帧结构的不同：

　　①FDD方式，设备各个子帧可以同时传输上行或者下行信息；

　　②TDD方式，设备各个子帧只能选择传输上行或者下行信息，对于个别的子帧可以同时承载上行和下行信息，但是仍然是分时发送。

　　时隙是LTE时间结构的基本单位。

　　LTE系统的一个子帧由2个时隙组成，每个时隙的时长为0.5ms。

　　时隙的编号，按照无线帧来编号，，因此时隙的编号范围为。

　　LTE系统的时隙结构如下所示：

　　FDD的时隙结构

　　在时隙之下，LTE时间结构中还有一个时间单位是，OFDM符号的时长，被称为单位时间。RE的时长就是一个OFDM符号的时长。

　　OFDM符号中除了有效数据部分，还有一部分的CP，是额外的开销。

　　LTE系统支持两种CP长度，一种是常规CP，时长为；另一种是扩展CP，时长为。

　　较短的CP意味着较小的覆盖半径。由于内陆地区存在阴影衰落和路径衰落，因此根本不能覆盖很远的距离，所以，内陆地区一般都是用较短CP。因此，除非特别说明，一般LTE中的CP都是指常规CP。

　　LTE系统将的频点带宽的出样点时间间隔()定义为时间常数，记为，将采样点的时间间隔作为LTE的最小时间单位。

　　即，LTE的最小时间单位是 ，时间长度为32.55ns。一个时隙(slot)的时长为，因此一个时隙等于个。

　　在正常情况下，LTE系统的基波频率为，则OFDM符号的有效数据符号时长为。

　　OFDM符号的有效数据符号时长等于个。

　　常规CP的时长为，等于个。扩展CP的时长为，等于个。

　　则一个时隙，可以最多放个OFDM，还剩余个。

　　因此在同一时隙内，使用常规CP时，有两种CP长度，第一个OFDM符号使用的CP时长为，其余6个OFDM符号使用的CP时长为；使用扩展CP，则一个时隙，最多只能放个OFDM，导致系统容量下降，因此现网很少使用扩展CP。

　　OFDM符号在时隙中的结构（常规CP）

　　因此，LTE的时间结构层次为：无线帧(10ms)－子帧(1ms)－时隙(0.5ms)－OFDM符号(66.7μs+CP时长)

　　eNB使用的CP类型可以使用Matlab LTE ToolBox中的函数定义如下所示：

　　定义了时间结构后，LTE要将网络侧的时间结构复制到终端侧，实现时间同步。

　　LTE系统通过基站来实施时间同步。

　　eNB发出的下行信号经过时刻后，到达UE。UE以收到eNB的下行信号为时间基准，发送上行信号。假设eNB和UE之间的距离在传播时间内保持不变，则在eNB侧，下行信号和上行信号之间的时延为，这是由于传播时延而导致的往返时延。

　　由于往返时延的存在，导致在eNB侧的上、下行子帧无法对齐。

　　为了保证基站侧(eNB侧)的时间同步，即eNB侧的上、下行子帧对齐，LTE提出了上行TA机制。

　　TA有多种描述，Time Advanced、Time Adjustmet、Time Alignment，都是一回事。在UE侧，TA机制的本质是UE接收到下行子帧的起始时间与传输上行子帧时间之间的一个负偏移。不同的UE有不同的负偏移数值，即值。

　　eNB通过测量接收到的来自UE的上行信号的时延，来得到TA值。因此，只要UE存在上行传输，eNB就可以估计TA值。

　　如果某个UE需要校正，则eNB会发送一个TAC给该UE，要求其调整上行信号的传输时间。

　　UE得知TA值的方法有两种：

　　①在随机接入（RA）过程中，eNB通过测量来自UE的preamble来确定TA值，通过RAR的TAC字段发送给UE；

　　②在RRC_CONNECTED态，通过TAC MACCE发送TA给UE

　　?虽然在RA中，UE和eNB取得了上行同步，但是上行信号到达eNB的时刻可能会随着时间发生变化。

　　因此，UE需要不断更新其TA值，来保持上行同步。

　　UE侧会保存最近一次的TA值，记为，当UE收到新的TAC而得到TA后，会计算得到新的TA值，记为，。

　　UE在收到TAC后并不会立即调整TA，而是隔6个子帧后再来调整发送的时间，即eNB在子帧给UE发送了TAC之后，即告知UE调整上行信号的传输时间，此后的6个时刻内不会再去测量该UE的上行时刻。

　　在LTE中，规定的计时单位为，取值范围为个计时单位，因此最大的TA值为。

　　在LTE系统中，TA的下发方式为－－eNB只下发TA的变化量，即相对调整量。

　　LTE系统中，无线资源以子帧作为分配单位，在同一个子帧内，基站可以保证不同的终端采用不同频率的子载波，从而实现FDMA。但是在前后两个子帧中，eNB无法保证不同的终端采用不同频率的子载波，这样会导致不同终端之间相互干扰。

　　因此，为了避免终端之间的相互干扰，在基站侧实行TA机制实现上下行子帧同步。

　　TDD的时间结构与FDD的时间结构类似，一个无线帧的时长为10ms，一个子帧的时长为1ms，一个时隙有7个OFDM（常规CP）。

　　TDD的时间结构与FDD的时间结构的不同之处：

　　①引入了一个新的时间单位：半帧，一个半帧的时长为5ms，一个无线帧包含2个半帧，引入半帧是为了与3G的TD-SCDMA兼容，一个半帧中有５个子帧；

　　②TDD的时间结构可变，即上、下行子帧的组合以及特殊帧的结构都是可变的；

　　③TDD的子帧分时用于上、下行或混合上下行（特殊子帧），FDD的子帧同时用于上、下行信号。

　　LTE中定义了７种TDD上、下行子帧组合，称为上、下行配置：

　　TDD的上、下行配置其中，D表示下行子帧，U表示上行子帧，S表示特殊子帧。『特殊子帧』可以既可以承载上行信号也可以承载下行信号。在实际的TD-LTE中，只使用配置1或配置2。

　　基站通过SIB1广播下属小区的上、下行配置。

　　配置1的(2:2)表示半帧中有2个上行子帧、2个下行子帧、1个特殊子帧；

　　配置1(2:2)的半帧结构配置2的(1:3)表示半帧中有1个上行子帧、3个下行子帧、1个特殊子帧。

　　配置2(1:3)的半帧结构半帧的第一』可以既可以承载上行信号也可以承载下行信号

　　TDD的时间结构层次为：

　　TDD的时间结构

　　特殊子帧中没有时隙(slot)的概念，通常位于每个半帧的第二个子帧上。

　　TDD特殊子帧的结构

　　其中，(Downlink Pilot Time Slot)下行导频时隙，(Guard Priod)保护间隔,(Uplink Pilot Time Slot)上行导频时隙。

　　LTE-TDD中定义了9种格式的特殊子帧结构。常用的是第5号(3:9:2)、第6号(9:3:2)以及第7号(10:2:2)，其中3:9:2中的３表示用于下行的OFDM符号数，９表示间隔的数量，２表示用于上行的OFDM符号数。

　　使用常规CP，一个子帧可以容纳14个OFDM符号，一个特殊子帧也可以容纳14个OFDM符号。

　　在一个特殊子帧中，前若干个OFDM符号用于DwPTS，可以传送业务；最后的1 2个OFDM符号用于UpPTS，用于发送随机接入信息；在DwPTS和UpPTS之间存在一段GP，用于比喻上行信号和下行信号之间的干扰。

　　GP的长度决定了基站小区范围。可以实现不同UE发送的上行信号到达eNB的时间同步。不同格式的特殊子帧的差异主要体现在DwPTS和GP的符号数上，增大GP可以增加小区的覆盖半径，但是会增大系统开销，降低DwPTS的符号数，导致下行吞吐量下降。

　　基站通过SIB1广播下属小区采用的特殊子帧格式。

　　在TDD的双工方式下，终端在同一时刻要么接收下行信号，要么发送下行信号，不能同时完成两项任务。

　　在TDD双工方式中，eNB侧与UE侧的子帧结构完全不同。

　　子载波是OFDM符号的基本成分，是LTE时频结构中频率的基本结构单位。

　　根据”子载波能量正交“的条件，子载波的频率为基波频率的整数倍，因此相邻的子载波的频率间隔等于基波频率。 在LTE中，基波频率为，因此子载波频率间隔为。

　　LTE系统用编号来区分具体的子载波。有两种编号方式，分别用于时频网格和OFDM符号的发生。

　　子载波是LTE系统频率的基本结构单位，OFDM符号是LTE系统时间的基本结构单位。

　　LTE的时频网格结构，X轴表示时间，时间轴的单位刻度为OFDM符号；Y轴表示频率，频率轴的单位刻度为子载波。

　　用表示子载波的编号，取值为，其中表示子载波总数。

　　将编号为０的子载波对应基波频率，其余子载波频率为（编号+1）*基波频率。

　　用于OFDM符号的发生的子载波编号方式

　　由于LTE系统定义的子载波数量过多，为了便于管理，LTE系统将时频网格中12个编号相邻的子载波组合起来，构成一组频率结构单位，称为RB。

　　由于LTE系统的基波频率为15KHz，因此子载波间隔为15KHz，所以RB对应的频率带宽为，可以看成一个带宽单位。

　　RB的时长为1个时隙，即0.5ms。

　　因此，RB在时频网格的时间轴上占7个OFDM符号(常规CP)，在频率轴上占12个子载波。

　　在LTE中，为用户分配的时频资源的单位为调度块(Scheduling Block,SB)，一个SB由同一个子帧内相同频率范围的2个RB组成，即一个SB在时间轴上占14个OFDM，在频率轴上占12个子载波。

　　一个OFDM符号和一个子载波构成一个资源颗粒RE。

　　SB、RB与RE的关系如下图所示：

　　SB、RB与RE的关系

　　为了便于管理，RB也需要编号，编号越大，RB中包含的子载波的编号就越大，则相应的子载波频率越高。

　　基带的OFDM符号，要经过上变频，变成射频信号。

　　上变频过程用正弦波或余弦波作为载波，载波的特性用频点描述。

　　即用『频点』描述载波的特性。因此，频点就是基带OFDM信号进行上变频过程中使用的载波的特性描述。

　　频点有两个特性：

　　①带宽

　　带宽由载波上承载的基带信号决定。

　　在LTE中，带宽就是OFDM符号中子载波的频率范围，用RB的数量来描述。

　　基站通过MIB广播下属小区频点下行带宽对应的RB值。

　　RB、子载波数目与频点带宽的关系子载波数目 / 12 = RB数目eNB使用的频点带宽可以使用Matlab LTE ToolBox中的函数定义如下所示：

　　②中心频率

　　载波的中心频率就是载波的频率。

　　在LTE中，中心频率对应上变频后子载波的最高频率和最低频率的中心值，由频点编号来确定。

　　LTE网络支持同频组网，基站通过SIB5广播异频临区的EARFCN和频点带宽。

　　在LTE中，定义了如下的频点中心频率的计算公式：

　　

　　其中，为频段起始频率的频点编号，因此要确定频点的中心频率必须要先知道频点所在的频段。

　　频段表示一段频率范围。

　　LTE系统可以工作在多个频段上，LTE协议对这些频段进行了编号，并且针对每个频段定义了起始频率、以及EARFCN的编号范围。

　　基站通过SIB1广播下属小区所用的工作频段。

　　确定了频点的中心频率之后，如何确定子载波的具体频率？——LTE系统中子载波的第二种编号方法

　　子载波的第二种编号方式，在上、下行上的定义有区别。

　　① 下行方向

　　以0为对称点，取值范围为，但不包括0，其中为子载波数目，为偶数。

　　将子载波的编号乘以子载波间隔，就可以得到子载波的偏移量 ，再加上中心频率，就可以得到子载波频率。

　　因此，下行子载波具体频率的公式为:

　　可以看出，在下行方向中，子载波的频率不连续，在处出现了断点。

　　下行方向，第一种子载波的编号方式和第二种子载波的编号方式的对应关系：

　　Image

　　注意，在第一种子载波的编号方式中，编号为0的子载波对应的频点带宽对应的最低频率，并不是之前所说的基波频率。

　　②上行方向

　　以0为对称点，取值范围为，包括0，其中为子载波数目，为偶数。

　　将子载波的编号乘以子载波间隔，就可以得到子载波的偏移量 ，之后再加上子载波间隔的一半，最后再加上中心频率，就可以得到子载波频率。

　　因此，获取上行子载波具体频率的公式为:

　　可以看出，在上行方向上，虽然编号取值范围连续，但是子载波的频率仍然不会等于。

　　LTE的频率结构层次：（从小到大）子载波 - RB - 频点 - 频段

　　其中，『频点』有两个属性，即频点带宽和中心频率。同步信号分为主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)。

　　① FDD双工方式

　　主同步信号占用第０号子帧和第５号子帧的第一个时隙的最后一个OFDM符号，即循环周期为5ms；辅助同步信号位于主同步信号的前一个OFDM符号。

　　②TDD双工方式

　　主同步信号占用了特殊子帧的第三个OFDM符号，循环周期为5ms；辅助信号位于主同步信号的前三个OFDM符号的位置，循环周期为5ms。

　　ee_101：第一章 待机状态(Idle Mode)的处理机制分布在每个slot的第一个OFDM符号和倒数第三个OFDM符号上，以0.5ms为循环周期。

　　占用了第0号子帧的第二个时隙的第一个到第四个OFDM符号。可以和小区参考信号的位置重叠。

　　ee_101：LTE DL代码仿真(8) -- PBCH代码仿真控制区域：每个子帧的第一个时隙上的第1个到第N个OFDM符号。控制区可以和小区参考信号的位置重叠。

　　控制区域的大小由PCFICH承载的CFI决定。即N = CFIN的取值：

　　①当频点带宽大于1.4MHz时，可以是1、2或3；

　　②对于TDD的特殊子帧，只能取1或2，因此TDD特殊子帧的第三个OFDM符号要用于传输主同步信号。

　　在控制区外，除了各种信号（同步信号、小区参考信号）和PBCH，SB中其余空闲的RE均被下行业务信道所占用。

　　如何适配多种频点带宽？

　　① LTE将基本的信号和信道放在频点带宽的中央，如同步信号占用频点中心的6个RB带宽，但是分布在频点中央的62个子载波上，剩下的10个SC，一边5个，用于频率保护；PBCH分布在频点中央的72个子载波上。

　　② 其余的信号和信道会占用整个频点带宽。

　　③ 下行参考信号CRS在频率上是不连续分布的。

　　在上行方向上，各终端基于FDMA工作，因此每个终端只会占用频点带宽的一部分。

　　以0.5ms为循环周期，所占用的频率为基站分配给终端使用的带宽。在时间上的分布与所在信道有关。

　　位于每个时隙的最后一个OFDM符号上，循环周期为0.5ms，所占用的频率为整个频点带宽。

　　并不是LTE中必须具有的信号。

　　分布在频点边缘的带宽上，单独划分，独立于业务使用的带宽。

　　占用的带宽用RB数量表示，计算公式为：

　　

　　其中，为非负整数。

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