LTE物理层

Overview of the LTE Physical Layer

一、前言

本文介绍 Long Term Evolution (LTE) 的无线接入技术以及 Physical Layer (PHY)，这里主要讲解一下关于LTE的物理层OFDM相关知识点，了解其底层设计的基本结构，在现在以及很长一段时间内，我想其结构不会有很大的改变。

二、相关知识

• 空中接口 (Air Interface)： LTE采用的是基于 Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) 技术的无线多址接入。其下行采用OFDM，上行采用与之相类似的 Single-Carrier Frequency Division Multiplexing (SC-FDM)。相比之前的多址接入技术，OFDMA具有抗多径衰落、支持MIMO、频率选择等诸多优势。
• 频谱带宽 (Frequency Bands)： LTE频谱带宽被3GPP所规定，Frequency-division Duplex (FDD) 与 Time-division Duplex (TDD)，频分双工与时分双工的频带资源如下 (1-43)：
  FDD:
  
  TDD:
  
  可以看出FDD上下行是配对的频谱，TDD是没有配对的，这也是两种不同双工的区别。其中Reserved是预留给ITU的。
• 单播与多播 (Unicast and Multicast Services)： 在LTE中单播是指数据只传输给一个用户，与之相对应的多播 Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS) 一般是指电视、广播以及视频流等数据的传输，其传播都有自己专用的信道与系统。
• 带宽分配 (Allocation of Bandwidth) ： 大家看到上图中的频谱分配后，不由会想每一段的频谱带宽是如何决定与分配的，比如1号FDD的分配，其分配带宽为60MHz，在这60MHz里面又是如何分配的。这里不得不提及一下几点常识，在LTE物理层中，一个资源块 Physical Resource Block (PRB) 带宽为180KHz，其中包含了12个宽带为15KHz的子载波。由IMT-advanced规定了比较灵活的带宽分配，范围为1.4MHz-20MHz，其包含的资源块如下：
  
  除了1.4MHz的占用率为77%外，其它频谱占用率达到了90%，之所以不占满是因为有保护频段，防止频谱泄漏。
• 时域分帧 (Time Framing)： 在LTE中时间轴上被进行分帧处理，这样有利于信道的估计以应对时变的信道。一帧 (frame) 时长为10ms被分成了10个1ms的子帧 (subframe)，每一个子帧又被分为0.5ms的两个时隙 (time slots)，每一个时隙包含了6或者7个OFDM符号，这里需要强调，对后面理解什么叫OFDM符号有帮助。至于为什么这么分，都是协议的规定，如果以后的发展需要更新，那么将随之变化。具体如下图所示：
  
• 时频域的映射 (Time–Frequency Representation) ： 理解OFDM符号是如何被传输的，其理解该符号是如何被映射到时频域资源的，这一点是非常重要的。信号在经过编码，星座图映射以后变成一个复值信号，此时将会映射到所谓的时频坐标系，该坐标系横坐标是时间，纵坐标是频率。这一步映射相当于是分配好每个信号的资源。
  
  上图很好地说明了信号是如何被映射到时频域的。这里一个PRB是指在一个时隙内的180KHz频谱资源，也就是12个子载波持续0.5ms。这里的 Resource Element 指的是复值的调制信号。上图每个时隙包含了7个OFDM符号，因此一个资源块将有12*7，84个 Resource Element，资源块是LTE中传输的最小单位。值得说明的是为什么选择15KHz为子载波的间隙 (Subcarrier Spacing)，这是因为15KHz很好的符合了OFDM的指令，将衰落信道转化为一系列可分辨的平坦信道，大大提高了系统的抗衰落能力。此外，在上行链路中，子载波在载波中心频率两边，相反在下行中与载波中心频率一致的子载波不会被使用 (涉及到过高的干扰问题)，具体如下图：
  In the uplink:
  
  In the downlink:
  
• OFDM的多子载波传输 (OFDM Multicarrier Transmission)： 我们知道LTE的上下行是基于OFDM多址技术的，这是一种多子载波传输的方法，这里理解它是如何传输的，有助于我们理解一个OFDM符号到底是什么。我将介绍一个OFDM符号 (symbol) 是如何产生的：
  • step 1. 首先将星座图映射后 (比如QAM) 的复值信号，也就是上述提到的 Resource Element 映射到我们的时频资源栅格上，将这些符号分配好时频资源。大家可能想问那么每个子载波的频率是多少呢？毕竟我只知道每个子载波的间隔是15KHz。如果有 $N$ 个间隔为 $\Delta f$ 的子载波，则有：
    $$BW=N\Delta f$$
    每个子载波的频率 $f_k$ 可以被看做是频率间