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浅谈TD-LTE物理层过程

范文

魏超

摘要：物理层是LTE 协议结构中的最底层，主要负责向上层提供底层的数据传输服务。该文通过对物理层相关技术的介绍，使读者对物理层过程有整体性的认识。

关键词：LTE 同步过程;功率控制;物理层过程

中图分类号：TP311 ? ? ? ?文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）15-0060-02

LTE架构可总结为三层两面，物理层（PHY）为第一层，媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据汇聚子层（PDCP）为第二层，无线资源控制子层（RRC）为第三层，两面包括用户面和控制面。PHY层位于协议结构的最底层，通过物理信道提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能。其中物理层过程包括：同步过程、随机接入、功率控制、寻呼过程、测量过程、共享信道物理过程等。本文主要针对几个重要过程进行阐述。

1 随机接入与同步过程

在LTE中，小区同步属于下行物理过程，随机接入上行物理过程。

1.1 ?随机接入过程

随机接入是终端（UE）与网络建立无线连接的必要过程，通过随机接入，终端可以与基站达到上行同步，从而实现与eNodeB之间的数据接收和传输。终端一般在以下五种场景中需要随机接入：IDLE状态下的初接入;重建RRC连接;切换;CONNECED状态下行数据到达时，上行不同步;CONNECED状态上行数据发送时，上行不同步或者没有PUCCH资源。随机接入主要有两种方式，竞争性随机接入和非竞争性随机接入。

（1）竞争随机接入。在随机接入之前，手机端的物理层会接收到来源于高层的随机接入请求的信息，这个请求信息中包括了前导序列、前导传输功率、无线网络标识以及随机接入信道资源。无线网络标识RA-RNT1是由随机接入信道的时频资源位置被确定。作用是在手机端接收到msg2的时候通过无线网络标识来检测下行控制信道（PDCCH）。

（2）与竞争随机接入不同的是，非随机接入是由eNodeB为每个想要随机接入的手机端分配一个位移的接入前导码，以避免不同的终端在随机接入时产生冲突，因此可以更加快速地完成随机接入。

1.2 ?同步过程

同步过程不单是同步这一个过程，它包括了小区搜索和定时同步两个子过程。其中小区搜索是为了UE终端能够获得其所在的eNodeB的下行时间和频率的同步，并且检测出小区的小区ID。定时同步包括了小区间同步、发射定时调整、无线链路检测等。

2 功率控制

2.1 功率分配

在LTE中，由于下行采用了正交频分多址（OFDMA），在同一个小区内有基站发给不同UE 的信号是相互正交的，所以不会产生远近效应，也就不需要功率控制。虽然没有了小区内干扰，但是小区间干扰依然存在，为了避免小区间干扰，所以在LTE下行需要采用功率分配，分为静态和半静态两种。通过功率分配可以實现在满足用户接收质量的前提下降低信道的发射功率，降低小区间干扰。

2.2 功率控制

在以前的CDMA系统中，为了克服“远近效应”和“阴影效应”，所以采取了上行功率控制。在LTE系统中，上行采用SC-FDMA（单载波频分多址），不同用户间的载波是相互正交的，受小区内干扰不大，所以也没有明显的“远近效应”。但是存在较为严重的小区间干扰，当频率复用系数为1时，系统内的所有小区都是用一样的频率资源为终端服务，一个小区的资源分配对小区容量和小区边缘用户造成很大影响。分布式的网络架构无法进行相对集中的资源管理。因此LTE系统需要通过功率控制进行小区间干扰协调抑制。

3 共享物理信道过程

LTE的物理共享信道（PUSCH和PDSCH）是承载业务数据的主体。同时也会携带一定的寻呼和广播信息。物理共享信道包括物理上行共享信道（PUSCH）和物理下行共享信道（PDSCH）。这两个共享信道的职责主要有三方面：数据传输、HARQ、链路自适应（AMC）。

3.1 数据传输

数据传输就是把数据加载到时频资源块上，通过天线辐射出去，然后在目的端将信息从时频资源块上接收下来的过程。上下行数据分别是由PUSCH和PDSCH来传输，由PDCCH来调度。依据QoS参数、在eNodeB中准备调度的资源数据数量UE报告的信道质量指示（CQI）、UE能力、系统带宽、干扰水平对PDCCH参数来进行配置，达到分配和使用资源的目的。

在下行数据发送时，长度为1ms的子帧中，分配1-3个OFDM符号传送协调调度信息，剩余符号用来传输数据信息。在下行数据接收时，UE会不断检测物理下行控制信道（PDCCH）携带的调度信息，一旦发现某个信息属于自己，则按照协调调度信息的指示来接收属于自己的PDSCH信息。

同理，在上行方向，UE也需要通过下行的PDCCH的协调调度信息，来进行上行数据的发送。由于设备都具有一定的时延，所以下行的PDCCH和上行的PUSCH存在一定的时延。对于TDD模式，时延和上下行时隙的比例有关，必须大于4ms，对于FDD，时延固定为4ms，即四个子帧。

在发送上行数据之前，UE要等待基站的调度信息，如果自己被允许发送数据，则在PUSCH上传输自己的数据。对于低速的、规律的业务，为了降低系统开销，定义了半静态调度。半静态调度思想是对于低速业务，不需要每一帧都动态调度，可以一次指令，工作很长时间，节省信令的开销。

3.2 HARQ

在LTE系统中，下行采用异步的自适应HARQ，上行采用同步HARQ。异步同步的区别主要是根据重传时间固定与否来区分。其中异步HARQ重传时间不固定，同步HARQ提前定义了固定的重传时间。

单个HARQ进程采用了Nt通道停等式协议（N-Process Stop-and-Wait），当一个数据包发出去后，需要等待反馈ACK/NACK信息，反馈ACK则不需要重传，反馈NACK则需要重传。下行异步HARQ操作是通过上行ACK/NACK信令传输、新数据指示（NDI）、下行资源分配信令传输和下行数据的重传来完成的。下行HARQ过程如图所1。

在上行HARQ中，UE按照相应的调度信息发送上行数据，基站接收后通过PHICH信道反馈ACK/NACK，反馈ACK，则继续发送新数据，不需要重传;若反馈NACK，则需要重传数据，上行HARQ过程如图2。

4 测量过程

物理层只是具有测量的能力，具体配置和控制是由高层决定的。按性质分为异系统测量、同频测量、异频测量。按测量的不同分为负荷测量、信道质量、电平测量。还有按测量位置可分为手机（UE）侧测量和基站（e-UTRAN）侧测量。下面主要以手机侧测量进行相关阐述。

手机侧的测量有两种状态，分别是空闲状态（IDLE）的测量和連接状态（CONNECT）的测量。当手机处于连接态时，基站给手机端会发送一条RRC的重配置消息，相当于是基站对手机测量的控制信令。其中包括了手机测量的类型及其ID，测量数量、触发报告方式、测量对象以及报告数量，建立、修改、释放一个测量的命令等。

当UE处于空闲态时，基站是通过系统消息广播的形式发送给手机的，在手机天线连接口具有手机测量的参考位置。其可以测量的物理量有以下几种：

参考信号接收电平（RSRP）：简单通俗讲，就是在同一个物理资源块（RB）内的RE的平均功率。主要负责小区的初选与重选。

接收信号强度指示（RSSI）：在系统的特定频带宽度内，好几个RB内的OFDM符号的总接受功率的均值，主要用于干扰测量。RSSI中包含了循环前缀、有用信号在内的所有功率。

参考信号接收质量（RSRQ）：所谓参考信号接收质量就是RSRP和RSSI的比值，是一种信噪比的定义形式，可以用于切换和小区重选时信道质量的好坏判断。

当UE处于空闲态时，可以利用RSRP参数进行小区初选和重选，但是在连接状态时，需要比较RSRP和RSRQ进行比较才能确定是否切换。如果仅仅比较RSRQ，切换次数确实减少了，但是可能导致掉话，如果仅比较RSRP，则会导致切换频繁。

5 结论

本文通过对物理层过程的几个关键技术进行了详细的分析，让读者对物理层过程有一个系统的了解，表明了物理层对移动通信过程的重要作用。

参考文献：

[1] 3GPPR1-073673.OntheNumberofHARQ-processes，Nokia，2007.8

[2] 3GPPR1-081542.UplinkACK/NACKtimingforTDD，Ericsson，2008.3

【通联编辑：代影】

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