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TDLTE系统物理层基本过程
第六章TD-LTE系统物理层基本过程
6.1小区搜索与同步
小区搜索过程是指UE获得与所在eNodeB的下行同步(包括时间同步和频率同步),
检测到该小区物理层小区ID。
UE基于上述信息,接收并读取该小区的广播信息,从而获取
小区的系统信息以决定后续的UE操作,如小区重选、驻留、发起随机接入等操作。
当UE完成与基站的下行同步后,需要不断检测服务小区的下行链路质量,确保UE能
够正确接收下行广播和控制信息。
同时,为了保证基站能够正确接收UE发送的数据,UE
必须取得并保持与基站的上行同步。
6.1.1配置同步信号
在LTE系统中,小区同步主要是通过下行信道中传输的同步信号来实现的。
下行同步
信号分为主同步信号(PrimarySynchronousSignal,PSS)和辅同步信号(Secondary
SynchronousSignal,SSS)。
TD-LTE中,支持504个小区ID,并将所有的小区ID划分为168
N
(1)
ID
和辅
个小区组,每个小区组内有504/168=3个小区ID。
小区ID号由主同步序列编号
N
(2)
ID
共同决定,具体关系为
N
IcDell=3NI(D2)+N
(1)
。
小区搜索的第一步是检测
ID
同步序列编号
出PSS,在根据二者间的位置偏移检测SSS,进而利用上述关系式计算出小区ID。
采用PSS
和SSS两种同步信号能够加快小区搜索的速度。
下面对两种同步信号做简单介绍。
1)
PSS序列
为进行快速准确的小区搜索,PSS序列必须具备良好的相关性、频域平坦性、低复杂度
[1]
等性能,TD-LTE的PSS序列采用长度为63的频域Zadoff-Chu(ZC)序列。
ZC序列广泛应
用于LTE中,除了PSS,还包括随机接入前导和上行链路参考信号。
ZC序列可以表示为
a=exp[−j2πqn(n+1)/2+nl]
q
N
ZC
其中,a∈{1,...N−1}是ZC序列的根指数,n∈{1,...N−1},l∈N,l可以是任何整
q
ZC
ZC
数,为了简单在LTE中设置l=0。
为了标识小区内ID,LTE系统中包含包含3个PSS序列,,分别对应不同的小区组内ID。
被选择的3个ZC序列的根指数分别为M=29,34,25。
对于根指数为M,频率长度为63
的序列可以表示为
ZC63(n)=exp[−jπMn(n+1)],n=0,1,...,62
M
63
设置ZC序列的根指数是为了具有良好的周期自相关性和互相性。
从UE的角度来看,
选择的PSS根指数组合可以满足时域的根对称性,可以通过单相关器检测,使得复杂度降
低。
UE侧对PSS序列采用非相干检测。
PSS采用长度为63的频域ZC序列,中间被打孔打掉的元素是为了避免直流载波,PSS
序列到子载波的映射关系如图6-1所示。
在LTE中,针对不同的系统带宽,同步信号均占据中央的1.25MHz(6个PRB)的位
置。
长度为63的ZC序列截去中间一个处于直流子载波上的符号后得到长度为62的序列,
在频域上映射到带宽中心的62个子载波上。
PSS两侧分别预留5个子载波提供干扰保护。
PSS的频域分布如图所示。
{
M
M
M
数据
{
5个保护子载波
{
31个子载波
DC
M
M
M
M
{
31个子载波
M
M
{
5个保护子载波
{
数据
M
M
M
图6-1PSS序列映射
2)
SSS序列
M序列由于具有适中的解码复杂度,且在频率选择性衰落信道中性能占优,最终被选
定为辅同步码(SecondarySynchronizationCode,SSC)序列设计的基础。
SSC序列由两个
长度为31的m序列交叉映射得到。
具体来说,首先由一个长度为31的m序列循环移位后
得到一组m序列,从中选取2个m序列(称为SSC短码),将这两个SSC短码交错映射在
整个SSCH上,得到一个长度为62的SSC序列。
为了确定10ms定时获得无线帧同步,在
一个无线帧内,前半帧两个SSC短码交叉映射方式与后半帧的交叉映射方式相反。
同时,
为了确保SSS检测的准确性,对两个SSC短码进行二次加扰。
SSS序列映射过程如图6-2所示,每个SSS序列由频域上两个长度为31的BPSK调制
辅助同步码交错构成,即SSC1和SSC2。
SSS序列具有良好的频域特性,在PSS存在的情况下,SSS检测允许频偏至少为
±75kHz。
时域上,由于扰码的影响,SSS序列的任何循环移位的互相性没有传统M序列
好。
从UE的角度看,SSS检测是在PSS检测之后完成的,因此假设信道已经检测出PSS
序列。
对于SSS序列检测,UE侧可以采用相干和非相干两种检测方法。
3)
PSS和SSS的位置和映射
频域上,PSCH和SSCH均占据整个带宽中央的1.05MHz,即6个PRB。
62个子载波
均匀分布在DC两侧,剩余10个子载波作为SCH信道与其它数据/信令传输的保护间隔。
M
M
M
图6-2SSS序列映射
10ms
1ms
5
SSS
PSS
图6-3PSS和SSS的时域分布
时域上,主同步信号与辅同步信号周期性传输,且二者位置偏移固定。
如图6-3所示,
主同步信号在每个无线帧的GwPTS的第三个符号上传输,辅同步信号在每个无线帧的第一
个子帧的最后一个符号上传输。
6.1.2时间同步检测
[2]
时间同步是小区搜索中的第一步,其基本原理是利用ZC序列的相关性获取PSS的位
置,再利用盲检测算法确定CP类型,最后根据PSS与SSS的固定位置偏移确定SSS的位置,
利用相干或非相干检测成功检测出SSS信号。
具体步骤如下:
1)
PSS检测
当UE处于初始接入状态时,首先在频域中央的1.05MHz内进行扫描,分别使用本地
主同步序列(三个ZC序列)与接收信号的下行同步相关,根据峰值确认服务小区使用的3
个PSS序列中的哪一个(对应于组内小区ID),以及PSS的位置。
PSS检测可用于5ms定
时。
2)
CP类型检测
LTE中子帧采用常规CP和扩展CP两种CP类型,因此在确定了PSS位置后,SSS的
位置仍然存在两种可能,需要UE采用盲检的方式识别,通常是利用PSS与SSS相关峰的
距离进行判断。
3)
SS检测
在确定了子帧的CP类型后,SSS与PSS的相对位置也就确定了。
由于SSS的序列数量
比较多(168个小区组),且采用两次加扰,因此,检测过程相对复杂。
从实现的角度来看,
SSS在已知PSS位置的情况下,可通过频域检测降低计算复杂度。
SSS可确定无线帧同步
(10ms定时)和小区组检测,与PSS确定的小区组内ID相结合,即可获取小区ID。
6.1.3频率同步检测
为了确保下行信号的正确接收,小区初步搜索过程中,在完成时间同步后,需要进行更
精细化的频率同步,确保收发两端信号频偏的一致性。
为了实现频率同步,可通过SSS序
列、RS序列、CP等信号来进行载频估计,对频率偏移进行纠正。
频率偏移是由收发设备的本地载频之间的偏差、信道的多普勒频率等所引起的。
频率偏
移一般包括子载波间隔的整数倍偏移和子载波间隔的小数倍偏移两种情况。
对于子载波间隔
的整数倍偏移,由于接收端的抽样点位置仍然是在载波的定点,并不会造成子载波间干扰,
但是解调出来的信息符号的错误率是50%(无法正确接收);而子载波间隔的小数倍频偏,
由于收发抽样点不对齐,会破坏子载波之间的正交性,进而导致子载波间的干扰,影响信号
的正确接收。
小数倍频偏估计的具体算法有多种,目前大多数算法的原理基本相同,即在发送端发送
两个已知序列或信号,如果存在频率偏移,那么经过信道后两个发送时间不同的信号之间会
存在相位差,通过计算这个相位差就可以得到具体的频率偏移量;对于整数倍频偏,在频域
上通过不同在不同整数倍子载波间隔上检测已知序列和接收信号的相关性来进行判断,相关
性最强的子载波间隔为该整数倍偏移。
6.1.4小区同步维持
为了保证下行信令和数据的正确传输,在小区搜索完成后,UE侧需要对下行链路质量
进行测量,确保正确接收下行信令和数据;同时,UE通过随机接入过程来实现与基站的上
行同步,之后,基站不断对UE发送定时调整指令来维持上行同步。
1)
下行无线链路检测
UE与服务小区同步后,会不断检测下行链路质量,并上报至高层以指示其处于同步/
异步状态。
在非DRX模式下,UE物理层在每个无线帧都对无线链路质量进行检测,并综合之前的
信道质量与判决门限(Qout和Q),确定当前的信道状态。
in
在DRX模式下,一个DRX周期内,UE物理层至少进行一次无线链路质量测量,并综合
之前的信道质量与判决门限(Qout和Q),确定当前的信道状态。
in
UE将链路质量与判决门限(Qout和Q)进行比较来判定自身处于同步/失步状态。
当测
in
量的无线链路质量比门限值Q还差时,UE物理层向高层上报当前UE处于失步状态;当测
out
量的无线链路质量好于Q时,UE物理层向高层上报当前UE处于同步状态。
in
2)
上行同步维持。
为了保证UE能够与基站保持同步,需要对UE的定时时刻进行调整。
基站通过检测UE
上发的参考信号,确定UE是否与基站保持同步,如果存在同步偏差,则基站将下发一个定
时调整指令指示UE需要进行定时同步点的调整。
UE一旦接收到eNodeB的定时提前命令,将
会调整自身用于PUCCH/PUSCH/SRS传输的上行定时(16T的整数倍)。
S
z
对于随机接入响应的定时,基站使用11bit的定时指令T,其中T=0,1,2,...1282,
AA
单位为16T。
UE侧接收到定时指令T后,计算定时提前量N,N单位为T,
S
A
TA
TA
S
调整自身随机接入定时。
其中,N=T×16。
TA
A
z
在其他情况下,基站使用6bit的定时指令T,T=0,1,2,...63。
UE侧接收到定时
AA
指令T后,根据当前的定时量NA,old计算新的定时提前NTA,new
A
。
NTA,new=NA,old+(T−31)×16,这里调整量NTA,new
A
可以为正,也可以为负,分
别代表UE的定时需要提前或者延时。
6.2随机接入
6.2.1随机接入过程
随机接入是UE与网络之间建立无线链路的必经过程,通过随机接入,UE与基站取得
上行同步。
只有在随机接入过程完成后,eNodeB和UE才可能进行常规的数据传输和接收。
UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能:
z
z
取得与eNodeB之间的上行同步;
申请上行资源。
按随机接入前UE是否与eNodeB获得同步,随机接入过程可分为同步随机接入和异步
随机接入。
当UE已经和eNodeB取得上行同步时,UE的随机接入过程称为同步随机接入。
当UE尚未和eNodeB取得同步时,UE的随机接入过程称为异步随机接入。
由于在进行异
步随机接入时,UE尚未取得精确的上行同步,因此异步随机接入区别于同步随机接入的一
个主要特点就是eNodeB需要估计、调整UE的上行传输定时。
在LTE早期的研究阶段,还
准备采用同步随机接入,但随着后期研究的深入,最终没有定义单独的同步随机接入过程。
本节对随机接入过程的介绍主要指异步随机接入。
在以下6种场景下UE需要进行随机接入:
z
z
z
z
z
RRC_IDLE状态下的初始接入;
RRC连接重建;
切换;
RRC_CONNECTED状态下有下行数据到达,但上行处于失步状态;
RRC_CONNECTED状态下有上行数据发送,但上行处于失步状态,或者没有用于
SR的PUCCH资源;
z
RRC_CONNECTED状态下的UE辅助定位。
LTE支持两种模式的随机接入:
竞争性随机接入和非竞争性随机接入。
在竞争性随机接入过程中,UE随机的选择随机接入前导码,这可能导致多个UE使用
同一个随机接入前导码而导致随机接入冲突,为此需要增加后续的随机接入竞争解决流程。
场景
(1)~(5)均可以使用竞争性随机接入模式。
在非竞争性随机接入过程中,eNodeB为每个需要随机接入的UE分配一个唯一的随机
接入前导码,避免了不同UE在接入过程中产生冲突,因而可以快速的完成随机接入。
而非
竞争性随机接入模式只能用于场景
(2)、(3)和(6)。
若某种场景同时支持两种随机接入模
式,则eNodeB会优先选择非竞争性随机接入,只有在非竞争性随机接入资源不够分配时,
才指示UE发起竞争随机接入。
下面将详细介绍两种随机接入模式。
1.
竞争性随机接入
UE的物理层的随机接入过程由高层触发。
对于RRC连接建立、RRC连接重建和上行
数据到达的情景,随机接入由UE自主触发,eNodeB没有任何先验信息;对于切换和下行
数据到达场景,UE根据eNodeB指示发起随机接入。
初始物理随机接入过程之前,UE的物理层从高层接收用于随机接入的高层请求信息。
高层请求中包含可使用的前导序号、前导传输功率(PREAMBLE_
TRANSMISSION_POWER)、关联的随机接入无线网络临时标识(RandomAccessRadio
NetworkTemporaryIdentify,RA-RNTI)以及PRACH资源。
根据协议规定,LTE系统中每小区可以使用的随机接入前导码数量至多为64个,其中
有N个前导码用于非竞争随机接入,剩余的64−N个前导码用于竞争性随机接入。
用于
cf
cf
竞争性随机接入的前导码又划分为A和B两个集合组。
竞争接入可以使用的前导码索引会
通过小区广播消息进行播报,其中包括了前导码集合A和前导码集合B的大小。
前导的传输功率PPRACH
由下式决定:
PPRACH=min(P,PREEMBLE_TRANSMISSION_POWER+PL)
max
其中Pmax是由UE功率等级决定的最大的可配置功率,PL是由UE估计出的下行链路
损耗。
RA-RNTI由PRACH的时频资源位置所确定。
作用是UE在接收msg2的时候通过
RA-RNTI来检测PDCCH。
由高层触发后,UE开始进行随机接入过程。
竞争性随机接入流程如图6-4,又称为“四
步”接入法。
UE
eNB
Msg1:
发送随机接入前导码
Msg2:
随机接入响应
Msg3:
第一次调度传输
Msg4:
竞争解决
图6-4竞争性随机接入流程图
(1)Msg1:
UE向基站发送随机接入前导码
该消息为上行信息,由UE发送,eNodeB接收。
UE选择要发送的前导序列,在高层指
示的PRACH资源上,使用传输功率PPRACH
向基站发送随机接入前导码。
首先,UE使用前导序列索引集合中选择要发射的前导码。
如前所述,用于竞争性随机
接入的前导序列分为A和B两个集合。
触发随机接入时,UE首先根据待发送的Msg3的大
小和路损大小确定前导码集合,其中集合B应用于Msg3较大且路损较小的场景,集合A
应用于Msg3较小或路损较大的场景。
UE在确定前导码集合后,从该集合中随机选择一个
前导码。
物理层的随机接入前同步码由一个长度为TCP循环前缀和一个长度为TSEQ
的序列
组成,前导序列结构具体参见6.2.2节。
初始前导序列的传输功率设定是基于具有路径损耗完全步长的开环估计。
这一设计保证
了前导序列的接收功率独立于路径损耗;对于重传前导序列的传输,eNodeB可以配置前导
序列功率爬升,使每个重传序列的传输功率按固定步长增加。
(2)Msg2:
基站向UE发送随机接入响应消息
基站接收到UE发送的随机接入前导码后,在物理下行共享信道(PDSCH)上向UE发
送随机接入响应授权(RAR),RAR必须在随机接入响应窗内发送。
eNodeB使用PDCCH调度Msg2,并通过RA-RNTI(随机接入过程之前由高层指示给
UE)进行寻址。
Msg2携带了backoff时延参数、eNodeB检测到的前导序列标识、用于同步
来自UE的连续上行传输定时对齐指令,以及Msg3准许传输的初始上行资源以及临时小区
无线网络标识(Cellradionetworktemporaryidentify,C-RNTI)等。
UE发送完随机接入前导码之后,将在随机接入响应窗内(随机接入响应窗的起始和结
束由eNodeB设定,并作为部分小区特定系统信息广播)以RA-RNTI为标识监听PDCCH
信道。
PDCCH包含承载RAR的PDSCH的调度信息。
UE将监听到包含自身发送的前导序
列的DL-SCH传输块传送给高层,高层解析这些数据后下发20bit的UL-SCH授权(grant)
信令给物理层。
UL-SCH授权具体形式参见6.2.3节。
UE发送完前导码后,根据不同的基站相应结果,在后续做不同的操作,具体情况如下:
1)
如果在子帧n检测到与RA-RNTI相对应的PDCCH,且解析到相应的包含已发送
前导序列的DL-SCH传输块,则根据这个相应信息在n+k子帧或n+k+1子帧
1
1
(取决于上行延时指示信息)后的第1个可用子帧上发送1个UL-SCH传输块,
其中k≥6。
1
2)
如果在子帧n检测到与RA-RNTI相对应的PDCCH,但解析到相应的DL-SCH传
输块不包含已发送前导序列,如果高层需要,则UE将在不迟于n+5子帧前重传
前导序列。
3)
4)
如果在子帧n上没有接收到随机接入响应,如果高层需要,则UE将在不迟于n+4
子帧前重传前导序列。
如果随机接入过程是由PDCCH指示有下行数据到达时触发的,如果高层需要,
则UE在n+k子帧后的第1个可用子帧内发起随机接入,其中k≥6。
2
2
(3)Msg3:
UE向BS发送MSG3消息
UE接收到基站的随机接入响应后,在PUSCH上进行L2/L3消息的传输。
MSG3消息
的发送,支持HARQ重传。
L2/L3消息包含了确切的随机接入过程消息,如RRC连接请求、跟踪区域(TA)更新、
调度(SR)请求,步骤2中RAR上的临时C-RNTI分配,以及UE已经有的一个C-RNTI
或48bit的UEID等。
假如步骤1中多个UE发送相同的前导序列,则冲突的UE会从RAR接收到相同的临
时C-RNTI,L2/L3消息在相同的时频资源上进行发送,此时多个UE间存在干扰,使得冲
突的UE都不能解码。
当UE发送MSG3消息达到最大重传次数后,会重新开始随机接入过
程。
即便一个UE能够正确解码,其他UE也存在冲突。
为此,需要步骤4进行竞争解决。
(4)Msg4:
BS向UE发送竞争判决消息
BS如果对某个UE发送的Msg3消息进行正确解码,则认为该UE成功接入,向UE发
送竞争判决消息。
竞争解决消息包含成功接入的用户ID,用C-RNTI或临时C-RNTI进行加
扰。
它支持HARQ。
当eNodeB成功接收到MSG3消息以后,将在反馈消息中携带该UE在MSG3消息中
发送的的竞争决议标识;当UE在竞争判决定时器启动期间,成功接收到自己的竞争决议标
识的MSG3消息响应,则认为本次随机接入成功,否则认为本次随机接入失败。
eNodeB将
为竞争判决成功接入的UE分配数据传输所需的时频资源。
2.
非竞争的随机接入
非竞争的随机接入流程如图6-5所示,又称为“三步”接入法。
UE
eNB
Msg1:
随机接入前导码指示
Msg2:
发送随机接入前导码
Msg3:
随机接入响应
图6-5非竞争性随机接入流程图
在非竞争性随机接入过程中,eNodeB为每个需要随机接入的UE分配一个唯一的随机
接入前导码,避免了不同UE在接入过程中产生冲突,因而可以快速的完成随机接入。
随机
接入过程止于RAR。
6.2.2随机接入前导序列结构
如图6-6所示,物理层随机接入前导码由长度为TSEQ的复数序列和长度为TCP
缀CP构成。
的循环前
TCP
TSEQ
图6-6随机接入前导序列格式
LTE上行系统在DFT-S-OFDM符号之间插入CP,可以实现小区内用户之间的正交性,
前提是用户之间的同步误差控制在CP长度内。
但是,在发起非同步随机接入时UE只取得
了下行时钟同步,尚未对不同UE由于与eNodeB间距离造成的上行时钟差异进行调整,不
同UE的PRACH信号并不是同时到达eNodeB,这样会造成小区内多用户之间的干扰。
因
此,随机接入突发前后需要额外的保护间隔,以消除用户之间的干扰。
也就是说,非同步随
机接入突发的长度应小于0.5ms(如果UE采用一个时隙发送PRACH)或0.5ms的倍数(如
果UE采用多个连续时隙发送PRACH),而且该突发前后应该插入保护间隔(GuardPeriod,
GP)。
由于UE上行发送是功率受限的,在大覆盖条件下需要较长的PRACH发送,已获得所需
的能量积累,因而随机接入突发长度应该是可调整的,以适应不同的小区半径。
TDD-LTE
[3]
支持5种前导码格式适用于不同的场景。
其中,格式4是TDD-LTE所特有的,主要用于覆
盖范围比较小的场景。
UE在随机接入过程中使用的前导码格式有高层配置。
5种前导码格
式的具体参数配置如表6-1所示,相应的典型适用场景如表6-2所示。
图6-7为5种PRACH
[4]
前导格式和尺寸大小。
表6-1随机接入前导序列参数(格式0-4)
前导码格式
TCP
TSEQ
3168⋅Ts
21024⋅Ts
6240⋅Ts
21024⋅Ts
448⋅Ts
24576⋅Ts
24576⋅Ts
0
1
2⋅24576⋅Ts
2⋅24576⋅Ts
4096⋅Ts
2
3
4*
表6-2随机接入前导格式典型适用场景
Tcp(μ)TSEQ(μs)
s
前导格式
典型应用场景
具有800us前导序列的正常1msRA突发对于中小型小区(高达
14km)
0
103.125
684.375
203.125
684.375
14.6
800
800
具有800μs前导序列的2msRA突发对于大型小区(高达77km),
1
2
3
4
没有链路预算问题
具有1600μs前导序列的2msRA突发对于中小型小区(高达
29km),支持低数据速率
1600
1600
133
具有1600μs前导序列的3msRA突发对于超大型小区(高达
100km)
具有133μs前导序列的UpP
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