2.8 單載波頻分多址技術(shù)

LTE上行鏈路是基于稱為SC-FDM的OFDM傳輸方案的變體。SC-FDM減少了OFDM傳輸中觀察到的瞬時(shí)功率波動(dòng)，因此它是適合用戶終端（UE）的低功耗放大器設(shè)計(jì)。在LTE標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)SC-FDM的方法是通過(guò)在OFDM調(diào)制器之前使用離散傅里葉變換預(yù)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種技術(shù)被稱為離散傅立葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用（DFT-OFDM）。

單載波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)基本上是分布在整個(gè)分配的帶寬上。這與OFDM相反，其每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)被分配給一個(gè)子載波。通過(guò)在帶寬上擴(kuò)展數(shù)據(jù)功率，SC-FDM降低了平均傳輸功率，保證了動(dòng)態(tài)范圍。發(fā)射信號(hào)停留在功率放大器的線性區(qū)域內(nèi)。SC-FDM是有能力的提供OFDM提供的相同優(yōu)點(diǎn)，包括（i）在多個(gè)上行鏈路用戶中保持正交性，（ii）使用頻域均衡恢復(fù)數(shù)據(jù)，（iii）對(duì)抗多徑衰落。然而，當(dāng)接收機(jī)相同時(shí)，SC-FDM傳輸?shù)男阅芡ǔ２蝗鏞FDM[1]。在本章后面更詳細(xì)地討論了DFT-OFDM。

2.9 資源網(wǎng)格內(nèi)容

LTE傳輸方案根據(jù)OFDM循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，為每個(gè)1ms的子幀提供12或14個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間分辨率。頻率分辨率提供了一些資源塊，取決于帶寬，范圍從6到100，每個(gè)包含12個(gè)間隔為15kHz的子載波。下一個(gè)問(wèn)題是什么數(shù)據(jù)類型占用組成資源網(wǎng)格的資源元素。為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們必須描述各種物理通道和信號(hào)，它們構(gòu)成了網(wǎng)格資源。

物理資源網(wǎng)格中包含的信息基本上有三種類型。各資源粒包含調(diào)制符號(hào)或用戶數(shù)據(jù)或參考或同步信號(hào)或控制信息從各種渠道更高的層。資源網(wǎng)格參考信號(hào)定義為單播模式下，圖2.6顯示了用戶數(shù)據(jù)、控制信息的相對(duì)位置。

在單波傳輸模式下，用戶數(shù)據(jù)承載的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容是用戶從MAC層傳遞到物理層的數(shù)據(jù)�；�站和終端以可預(yù)測(cè)產(chǎn)生各種類型的參考和同步信號(hào)。這些信號(hào)用于信道估計(jì)、信道測(cè)量和同步等。最后，我們有通過(guò)控制信道獲得的各種類型的控制信息，它所攜帶的信息可以幫助接收器正確地解碼信號(hào)。

接下來(lái)，我們將描述在下行鏈路和上行鏈路傳輸中使用的物理信道以及它們與高層信道的關(guān)系，即傳輸信道和邏輯信道。與UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）和其他的3GPP標(biāo)準(zhǔn)相比，LTE已大幅減少其使用的專用通道，LTE更多的依靠共享通道。這就是許多不同類型的邏輯和傳輸信道在共享物理信道上的收斂性的原因。除了物理信道之外，還有兩種物理類型信號(hào)（參考信號(hào)和同步信號(hào)）也在共享物理信道內(nèi)傳輸。LTE信道和信號(hào)的細(xì)節(jié)在以下各節(jié)中給出。

2.10 物理信道

LTE標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)之一就是創(chuàng)造一個(gè)高效，簡(jiǎn)介的協(xié)議框架。在舊的3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的許多專用的信道已經(jīng)被共享信道替代，并且物理信道的總數(shù)也在減少。圖2.7顯示了無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧及其層架構(gòu)。邏輯信道表示無(wú)線鏈路控制（RLC）層和MAC層之間的數(shù)據(jù)傳輸和連接。LTE定義了兩種類型的邏輯信道：業(yè)務(wù)信道和控制信道。業(yè)務(wù)邏輯信道傳輸用戶平面數(shù)據(jù)，控制邏輯信道傳送控制平面信息。

傳輸信道將MAC層連接到PHY，物理信道由PHY的收發(fā)器處理。每個(gè)物理信道由一組資源粒指定，這些資源元粒攜帶來(lái)自協(xié)議棧較高層的信息，以便在空中接口上進(jìn)行最終傳輸。下行鏈路和上行鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸分別使用DL-SCH(下行鏈路共享信道)和UL-SCH(上行鏈路共享信道)傳輸信道類型。物理信道承載用于傳輸特定傳輸信道的時(shí)頻資源。每個(gè)傳輸信道被映射到相應(yīng)的物理信道。除了具有對(duì)應(yīng)傳輸信道的物理信道之外，還存在沒(méi)有對(duì)應(yīng)傳輸信道的物理信道。這些信道稱為L(zhǎng)1/L2控制信道，用于下行鏈路控制信息(DCI)，向終端提供正確接收和解碼下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸所需的信息。LTE中的邏輯信道、傳輸信道和物理信道之間的關(guān)系在下行鏈路和上行鏈路傳中是不相同的。接下來(lái)，我們將討論在下行鏈路和上行鏈路中使用的各種物理信道、它們與高層信道的關(guān)系以及它們攜帶的信息類型。

2.10.1 下行物理信道

表2.6總結(jié)了LTE下行鏈路物理信道。物理多播信道（PMCH）用于MBMS。其余的物理信道在傳統(tǒng)的單播傳輸模式中使用。

圖2.8示出了LTE下行鏈路架構(gòu)中各種邏輯、傳輸和物理信道之間的關(guān)系。在單播模式下，我們只有單一類型的業(yè)務(wù)邏輯信道——專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）——和四種類型的控制邏輯信道：廣播控制信道（BCCH）、尋呼控制信道（PCCH）、公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）。除了PCCH之外，專用邏輯業(yè)務(wù)信道和所有邏輯控制信道被復(fù)用以形成被稱為下行鏈路共享信道的傳輸信道。尋呼控制信道（PCCH）映射到尋呼信道（PCH），并與DLSCH組合以形成物理下行鏈路共享信道（PDSCH）。PDSCH和四個(gè)其他物理信道（PDCCH、物理下行鏈路控制信道、PHICH、物理混合自動(dòng)重傳信道、PCFICH、物理控制格式指示符信道和PBCH物理廣播信道）提供所有用戶單播模式中需要的用戶數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)、控制信息和系統(tǒng)信息。這些信息是從更高層傳遞的。

在組播/廣播模式中，我們有稱為組播業(yè)務(wù)信道(MTCH)的業(yè)務(wù)邏輯信道和稱為組播控制信道(MCCH)的控制邏輯信道。這些被組合以形成被稱為多播信道（MCH）的傳輸信道。最后，將PMCH形成為MBMS模式的物理信道。

2.10.2 下行信道的功能

PDSCH攜帶下行鏈路用戶數(shù)據(jù)作為從MAC層遞送到PHY的傳輸塊。通常傳輸塊在每個(gè)子幀中一次發(fā)送一個(gè)，除了在稱為空間復(fù)用的MIMO的特定情況下每個(gè)給定子幀可以發(fā)送一個(gè)或兩個(gè)傳輸塊。在自適應(yīng)調(diào)制和編碼之后，調(diào)制符號(hào)被映射到多個(gè)時(shí)頻資源網(wǎng)格，這些時(shí)頻資源網(wǎng)格最終被映射到多個(gè)發(fā)射天線以進(jìn)行傳輸。在每個(gè)子幀中使用的多天線技術(shù)的類型也基于信道條件來(lái)適應(yīng)。

LTE標(biāo)準(zhǔn)中使用自適應(yīng)調(diào)制、編碼和MIMO意味著，在每個(gè)子幀中根據(jù)在移動(dòng)終端觀察到的信道質(zhì)量，基站需要對(duì)調(diào)制方案的類型、編碼速率和MIMO模式作出決定。在終端中進(jìn)行的測(cè)量必須反饋給基站，以便幫助為隨后的傳輸作出調(diào)度決策。在每個(gè)子幀處，需要從基站通知移動(dòng)終端關(guān)于每個(gè)發(fā)射資源塊的調(diào)度。在這些信息中，必要的信息包括分配給用戶的資源塊的數(shù)量、傳輸塊大小、調(diào)制類型、編碼速率以及每個(gè)子幀使用的MIMO模式類型。

為了促進(jìn)基站和移動(dòng)終端之間的通信，為每個(gè)PDSCH信道定義PDCCH信道。PDCCH主要包含每個(gè)終端為了成功地接收、均衡、解調(diào)和解碼數(shù)據(jù)包所需的調(diào)度決策。由于PDCCH信息必須在PDSCH解碼開(kāi)始之前被讀取和解碼，所以在下行鏈路中，PDCCH占據(jù)每個(gè)子幀的前幾個(gè)OFDM符號(hào)。在PDCH所占用的每個(gè)子幀的開(kāi)始處的OFDM符號(hào)的確切數(shù)目（通常為一、二、三或四）取決于各種因素，包括帶寬、子幀索引和單播與多播服務(wù)類型的使用。

PDCH上攜帶的控制信息稱為DCI。根據(jù)DCI的格式，資源元粒的數(shù)目（即攜帶它們所需的OFDM符號(hào)的數(shù)目）變化。LTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了10種不同的可能的DCI格式�？捎玫腄CI格式及其典型用例總結(jié)在表2.7中。

每個(gè)DCI格式包含以下類型的控制信息：資源分配信息，如資源塊大小和資源分配持續(xù)時(shí)間；傳輸信息，例如多天線配置、調(diào)制類型、編碼速率和傳輸塊有效載荷大��；最后是關(guān)于HARQ的信息，包括它的進(jìn)程號(hào)、冗余版本和新數(shù)據(jù)的指示器信令可用性。例如，DCI格式1的內(nèi)容字段總結(jié)在表2.8中。

PCFICH用于定義DCI在子幀中占用的OFDM符號(hào)的數(shù)目。PCFICH信息映射到屬于每個(gè)子幀中的第一OFDM符號(hào)的特定資源元素。PCFICH（一、二、三或四）的可能值取決于帶寬、幀結(jié)構(gòu)和子幀索引。對(duì)于大于1.4MHz的帶寬，PCFICH碼最多可占用三個(gè)OFDM符號(hào)。對(duì)于1.4mhz帶寬，由于資源塊的數(shù)量是相當(dāng)小的，PCFICH可能需要多達(dá)四個(gè)符號(hào)控制信令。

除了PDCCH和PCFICH控制信道，LTE還定義了一個(gè)物理HARQ指示信道（PHICH）。PHICH包含關(guān)于上行鏈路中接收分組的確認(rèn)響應(yīng)的信息。在上行鏈路分組的傳輸之后，UE將在預(yù)定時(shí)間延遲之后在PHICH資源上接收對(duì)該分組的確認(rèn)。PHICH的持續(xù)時(shí)間由更高的層決定。正常持續(xù)時(shí)間的情況下，PHICH僅在子幀的第一個(gè)OFDM符號(hào)中找到，在擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間的情況下，PHICH在前三個(gè)子幀中找到。

PBCH攜帶主信息塊（MIB），MIB包含基本PHY系統(tǒng)信息和小區(qū)搜索期間的小區(qū)特定信息。在移動(dòng)終端正確地獲取MIB之后，它可以讀取下行鏈路控制和數(shù)據(jù)信道，并且執(zhí)行必要的操作來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)。MIB在PBCH上以40ms的周期發(fā)送，對(duì)應(yīng)于四個(gè)無(wú)線電幀，其中每個(gè)幀的第一子幀中發(fā)送。MIB包含四個(gè)信息字段，前兩個(gè)字段保存關(guān)于下行鏈路系統(tǒng)帶寬和PHICH配置的信息。下行鏈路系統(tǒng)帶寬作為下行鏈路(6、15、25、50、75或100)中資源塊數(shù)量的六個(gè)值之一進(jìn)行通信。如前所述，資源塊數(shù)量的這些值分別直接映射到1.4、3、5、10、15和20MHz的帶寬。MIB的PHICH配置字段指定PHICH的持續(xù)時(shí)間和數(shù)量。PBCH總是限制在每個(gè)無(wú)線電幀的第一子幀的第一時(shí)隙中的前四個(gè)OFDM符號(hào)。在頻率上，PBCH占據(jù)了以DC副載波為中心的72個(gè)子載波。在描述物理信號(hào)之后，我們可以完整的描述LTE標(biāo)準(zhǔn)中的幀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

2.10.3 上行物理信道

表2.9總結(jié)了LTE上行鏈路物理信道。物理上行鏈路共享信道（PUSCH）承載從用戶終端發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)。物理隨機(jī)接入信道（PRACH）用于UE通過(guò)隨機(jī)接入前導(dǎo)碼的傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)的初始接入。物理上行鏈路控制信道(PUCCH)承載UCI，包括調(diào)度請(qǐng)求(SR)、傳輸成功或失敗的確認(rèn)(ACK/NACK)以及下行鏈路信道測(cè)量的報(bào)告，測(cè)量報(bào)告內(nèi)容包括信道質(zhì)量指標(biāo)(CQI)、預(yù)編碼矩陣信息(PMI)和秩指示（RI）。

圖2.9示出了LTE上行鏈路架構(gòu)中邏輯、傳輸和物理信道之間的關(guān)系。從邏輯信道開(kāi)始，我們有專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）和兩個(gè)邏輯控制信道，公共控制信道（CCCH）和專用控制信道（DCCH）。這三個(gè)信道被組合以形成被稱為上行鏈路共享信道（UL-SCH）的傳輸信道。最后形成物理上行共享信道（PUSCH）和物理上行控制信道（PUCCH）作為物理信道。被稱為隨機(jī)接入信道（RACH）的傳輸信道也映射到物理隨機(jī)接入信道（PRACH）。

2.10.4 上行信道功能

PUCH攜帶三種類型的控制信令信息：用于下行鏈路傳輸?shù)腁CK/NACK信號(hào)、調(diào)度請(qǐng)求（SR）指示符和來(lái)自下行鏈路信道信息的反饋，包括CQI、PMI和RI。

下行鏈路信道信息的反饋與下行鏈路中的MIMO模式有關(guān)。為了確保MIMO傳輸方案在下行鏈路中正確工作，每個(gè)終端必須對(duì)無(wú)線電鏈路的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，并向基站報(bào)告信道特性。這基本上描述了包含在PUCCH中的UCI的信道質(zhì)量函數(shù)。

CQI是UE采取的下行移動(dòng)無(wú)線信道質(zhì)量措施的指示符，并且被發(fā)送到基站以用于后續(xù)調(diào)度。它允許UE向基站提出一組與當(dāng)前無(wú)線鏈路質(zhì)量匹配的最佳調(diào)制方案和編碼速率。作為CQI信息傳輸?shù)恼{(diào)制方案和編碼速率有16種組合。較高的CQI值代表更高的調(diào)制階數(shù)和更高的編碼率。要么使用寬帶CQI，它適用于形成帶寬的所有資源塊，要么使用子帶CQI，它向一定數(shù)量的資源塊分配給定的CQI值。更高層配置確定終端中的CQI測(cè)量的速率、周期或頻率。

PMI是用于給定無(wú)線電鏈路的基站中使用的優(yōu)選預(yù)編碼矩陣的指示。PMI值表示兩個(gè)、四個(gè)或八個(gè)發(fā)射天線配置的預(yù)編碼表索引。RI根據(jù)信道質(zhì)量估計(jì)有用的發(fā)射天線的數(shù)量，并影響相鄰接收天線之間的相關(guān)性。在下面的章節(jié)中，我們將描述LTE標(biāo)準(zhǔn)中的MIMO傳輸模式。至此CQI、PMI和RI指標(biāo)的作用將變得清晰。

參考文獻(xiàn)

[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.

未完待續(xù)

2018/10/30