2.8 单载波频分多址技术

LTE上行链路是基于称为SC-FDM的OFDM传输方案的变体。SC-FDM减少了OFDM传输中观察到的瞬时功率波动，因此它是适合用户终端（UE）的低功耗放大器设计。在LTE标准中实现SC-FDM的方法是通过在OFDM调制器之前使用离散傅里叶变换预编码器来实现的。这种技术被称为离散傅立叶变换扩频正交频分复用（DFT-OFDM）。

单载波传输的特点是每个数据符号基本上是分布在整个分配的带宽上。这与OFDM相反，其每个数据符号被分配给一个子载波。通过在带宽上扩展数据功率，SC-FDM降低了平均传输功率，保证了动态范围。发射信号停留在功率放大器的线性区域内。SC-FDM是有能力的提供OFDM提供的相同优点，包括（i）在多个上行链路用户中保持正交性，（ii）使用频域均衡恢复数据，（iii）对抗多径衰落。然而，当接收机相同时，SC-FDM传输的性能通常不如OFDM[1]。在本章后面更详细地讨论了DFT-OFDM。

2.9 资源网格内容

LTE传输方案根据OFDM循环前缀的长度，为每个1ms的子帧提供12或14个OFDM符号的时间分辨率。频率分辨率提供了一些资源块，取决于带宽，范围从6到100，每个包含12个间隔为15kHz的子载波。下一个问题是什么数据类型占用组成资源网格的资源元素。为了回答这个问题，我们必须描述各种物理通道和信号，它们构成了网格资源。

物理资源网格中包含的信息基本上有三种类型。各资源粒包含调制符号或用户数据或参考或同步信号或控制信息从各种渠道更高的层。资源网格参考信号定义为单播模式下，图2.6显示了用户数据、控制信息的相对位置。

在单波传输模式下，用户数据承载的数据库内容是用户从MAC层传递到物理层的数据。基站和终端以可预测产生各种类型的参考和同步信号。这些信号用于信道估计、信道测量和同步等。最后，我们有通过控制信道获得的各种类型的控制信息，它所携带的信息可以帮助接收器正确地解码信号。

接下来，我们将描述在下行链路和上行链路传输中使用的物理信道以及它们与高层信道的关系，即传输信道和逻辑信道。与UMTS（通用移动通信系统）和其他的3GPP标准相比，LTE已大幅减少其使用的专用通道，LTE更多的依靠共享通道。这就是许多不同类型的逻辑和传输信道在共享物理信道上的收敛性的原因。除了物理信道之外，还有两种物理类型信号（参考信号和同步信号）也在共享物理信道内传输。LTE信道和信号的细节在以下各节中给出。

2.10 物理信道

LTE标准的目标之一就是创造一个高效，简介的协议框架。在旧的3GPP标准中的许多专用的信道已经被共享信道替代，并且物理信道的总数也在减少。图2.7显示了无线接入网络的协议栈及其层架构。逻辑信道表示无线链路控制（RLC）层和MAC层之间的数据传输和连接。LTE定义了两种类型的逻辑信道：业务信道和控制信道。业务逻辑信道传输用户平面数据，控制逻辑信道传送控制平面信息。

传输信道将MAC层连接到PHY，物理信道由PHY的收发器处理。每个物理信道由一组资源粒指定，这些资源元粒携带来自协议栈较高层的信息，以便在空中接口上进行最终传输。下行链路和上行链路中的数据传输分别使用DL-SCH(下行链路共享信道)和UL-SCH(上行链路共享信道)传输信道类型。物理信道承载用于传输特定传输信道的时频资源。每个传输信道被映射到相应的物理信道。除了具有对应传输信道的物理信道之外，还存在没有对应传输信道的物理信道。这些信道称为L1/L2控制信道，用于下行链路控制信息(DCI)，向终端提供正确接收和解码下行链路数据传输所需的信息。LTE中的逻辑信道、传输信道和物理信道之间的关系在下行链路和上行链路传中是不相同的。接下来，我们将讨论在下行链路和上行链路中使用的各种物理信道、它们与高层信道的关系以及它们携带的信息类型。

2.10.1 下行物理信道

表2.6总结了LTE下行链路物理信道。物理多播信道（PMCH）用于MBMS。其余的物理信道在传统的单播传输模式中使用。

图2.8示出了LTE下行链路架构中各种逻辑、传输和物理信道之间的关系。在单播模式下，我们只有单一类型的业务逻辑信道——专用业务信道（DTCH）——和四种类型的控制逻辑信道：广播控制信道（BCCH）、寻呼控制信道（PCCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。除了PCCH之外，专用逻辑业务信道和所有逻辑控制信道被复用以形成被称为下行链路共享信道的传输信道。寻呼控制信道（PCCH）映射到寻呼信道（PCH），并与DLSCH组合以形成物理下行链路共享信道（PDSCH）。PDSCH和四个其他物理信道（PDCCH、物理下行链路控制信道、PHICH、物理混合自动重传信道、PCFICH、物理控制格式指示符信道和PBCH物理广播信道）提供所有用户单播模式中需要的用户数据数据、控制信息和系统信息。这些信息是从更高层传递的。

在组播/广播模式中，我们有称为组播业务信道(MTCH)的业务逻辑信道和称为组播控制信道(MCCH)的控制逻辑信道。这些被组合以形成被称为多播信道（MCH）的传输信道。最后，将PMCH形成为MBMS模式的物理信道。

2.10.2 下行信道的功能

PDSCH携带下行链路用户数据作为从MAC层递送到PHY的传输块。通常传输块在每个子帧中一次发送一个，除了在称为空间复用的MIMO的特定情况下每个给定子帧可以发送一个或两个传输块。在自适应调制和编码之后，调制符号被映射到多个时频资源网格，这些时频资源网格最终被映射到多个发射天线以进行传输。在每个子帧中使用的多天线技术的类型也基于信道条件来适应。

LTE标准中使用自适应调制、编码和MIMO意味着，在每个子帧中根据在移动终端观察到的信道质量，基站需要对调制方案的类型、编码速率和MIMO模式作出决定。在终端中进行的测量必须反馈给基站，以便帮助为随后的传输作出调度决策。在每个子帧处，需要从基站通知移动终端关于每个发射资源块的调度。在这些信息中，必要的信息包括分配给用户的资源块的数量、传输块大小、调制类型、编码速率以及每个子帧使用的MIMO模式类型。

为了促进基站和移动终端之间的通信，为每个PDSCH信道定义PDCCH信道。PDCCH主要包含每个终端为了成功地接收、均衡、解调和解码数据包所需的调度决策。由于PDCCH信息必须在PDSCH解码开始之前被读取和解码，所以在下行链路中，PDCCH占据每个子帧的前几个OFDM符号。在PDCH所占用的每个子帧的开始处的OFDM符号的确切数目（通常为一、二、三或四）取决于各种因素，包括带宽、子帧索引和单播与多播服务类型的使用。

PDCH上携带的控制信息称为DCI。根据DCI的格式，资源元粒的数目（即携带它们所需的OFDM符号的数目）变化。LTE标准规定了10种不同的可能的DCI格式。可用的DCI格式及其典型用例总结在表2.7中。

每个DCI格式包含以下类型的控制信息：资源分配信息，如资源块大小和资源分配持续时间；传输信息，例如多天线配置、调制类型、编码速率和传输块有效载荷大小；最后是关于HARQ的信息，包括它的进程号、冗余版本和新数据的指示器信令可用性。例如，DCI格式1的内容字段总结在表2.8中。

PCFICH用于定义DCI在子帧中占用的OFDM符号的数目。PCFICH信息映射到属于每个子帧中的第一OFDM符号的特定资源元素。PCFICH（一、二、三或四）的可能值取决于带宽、帧结构和子帧索引。对于大于1.4MHz的带宽，PCFICH码最多可占用三个OFDM符号。对于1.4mhz带宽，由于资源块的数量是相当小的，PCFICH可能需要多达四个符号控制信令。

除了PDCCH和PCFICH控制信道，LTE还定义了一个物理HARQ指示信道（PHICH）。PHICH包含关于上行链路中接收分组的确认响应的信息。在上行链路分组的传输之后，UE将在预定时间延迟之后在PHICH资源上接收对该分组的确认。PHICH的持续时间由更高的层决定。正常持续时间的情况下，PHICH仅在子帧的第一个OFDM符号中找到，在扩展持续时间的情况下，PHICH在前三个子帧中找到。

PBCH携带主信息块（MIB），MIB包含基本PHY系统信息和小区搜索期间的小区特定信息。在移动终端正确地获取MIB之后，它可以读取下行链路控制和数据信道，并且执行必要的操作来访问系统。MIB在PBCH上以40ms的周期发送，对应于四个无线电帧，其中每个帧的第一子帧中发送。MIB包含四个信息字段，前两个字段保存关于下行链路系统带宽和PHICH配置的信息。下行链路系统带宽作为下行链路(6、15、25、50、75或100)中资源块数量的六个值之一进行通信。如前所述，资源块数量的这些值分别直接映射到1.4、3、5、10、15和20MHz的带宽。MIB的PHICH配置字段指定PHICH的持续时间和数量。PBCH总是限制在每个无线电帧的第一子帧的第一时隙中的前四个OFDM符号。在频率上，PBCH占据了以DC副载波为中心的72个子载波。在描述物理信号之后，我们可以完整的描述LTE标准中的帧结构的内容。

2.10.3 上行物理信道

表2.9总结了LTE上行链路物理信道。物理上行链路共享信道（PUSCH）承载从用户终端发送的用户数据。物理随机接入信道（PRACH）用于UE通过随机接入前导码的传输对网络的初始接入。物理上行链路控制信道(PUCCH)承载UCI，包括调度请求(SR)、传输成功或失败的确认(ACK/NACK)以及下行链路信道测量的报告，测量报告内容包括信道质量指标(CQI)、预编码矩阵信息(PMI)和秩指示（RI）。

图2.9示出了LTE上行链路架构中逻辑、传输和物理信道之间的关系。从逻辑信道开始，我们有专用业务信道（DTCH）和两个逻辑控制信道，公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。这三个信道被组合以形成被称为上行链路共享信道（UL-SCH）的传输信道。最后形成物理上行共享信道（PUSCH）和物理上行控制信道（PUCCH）作为物理信道。被称为随机接入信道（RACH）的传输信道也映射到物理随机接入信道（PRACH）。

2.10.4 上行信道功能

PUCH携带三种类型的控制信令信息：用于下行链路传输的ACK/NACK信号、调度请求（SR）指示符和来自下行链路信道信息的反馈，包括CQI、PMI和RI。

下行链路信道信息的反馈与下行链路中的MIMO模式有关。为了确保MIMO传输方案在下行链路中正确工作，每个终端必须对无线电链路的质量进行测量，并向基站报告信道特性。这基本上描述了包含在PUCCH中的UCI的信道质量函数。

CQI是UE采取的下行移动无线信道质量措施的指示符，并且被发送到基站以用于后续调度。它允许UE向基站提出一组与当前无线链路质量匹配的最佳调制方案和编码速率。作为CQI信息传输的调制方案和编码速率有16种组合。较高的CQI值代表更高的调制阶数和更高的编码率。要么使用宽带CQI，它适用于形成带宽的所有资源块，要么使用子带CQI，它向一定数量的资源块分配给定的CQI值。更高层配置确定终端中的CQI测量的速率、周期或频率。

PMI是用于给定无线电链路的基站中使用的优选预编码矩阵的指示。PMI值表示两个、四个或八个发射天线配置的预编码表索引。RI根据信道质量估计有用的发射天线的数量，并影响相邻接收天线之间的相关性。在下面的章节中，我们将描述LTE标准中的MIMO传输模式。至此CQI、PMI和RI指标的作用将变得清晰。

参考文献

[1] Ghosh, A. and Ratasuk, R. (2011) Essentials of LTE and LTE-A, Cambridge University Press, Cambridge.

[2] Dahlman, E., Parkvall, S. and Sköld, J. (2011) 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Elsevier.

[3] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), , Physical Channels and Modulation Version 10.0.0. TS 36.211, January 2011.

[4] C. Lim, T. Yoo, B. Clerckx, B. Lee, B. Shim, Recent trend of multiuser MIMO in LTE-advanced, IEEE Magazine, 51, 3, 127–136, 2013. [5] 3GPP (2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Multiplexing and Channel Coding. TS 36.212.

未完待续

2018/10/30