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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,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 (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。
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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二的信道与系统。
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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:
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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,调制以后变成一个复值调制正弦信号,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。只有将信号映射到该坐标系上,才能更好地被发送出去。
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