LTE 通道及參考訊號
一、通道的含義
通道是不同型別的資訊,按照不同傳輸格式、用不同的物理資源承載的資訊通道。根據資訊型別的不同、處理過程的不同可將通道分為多種型別。
廣義的講,發射端信源資訊經過層三、層二、物理層處理,在通過無線環境到接收端,經過物理層、層二、層三的處理被使用者高層所識別的全部環節,就是通道。
上一道工序把自己處理完的資訊交給下一道工序時,要有一個雙方都認可的標準,這個標準就是業務接入點(Service Access Point,SAP)。協議的層與層之間要有許多這樣的業務接入點,以便接收不同類別的資訊。
狹義的講,不同協議之間的SAP就是通道。
二、LTE通道
LTE從上倒下分別有邏輯通道、傳輸通道、物理通道。從協議棧角度來看,邏輯通道是MAC層和RLC層之間的,傳輸通道是物理層和MAC層之間的,物理通道是物理層的,如圖所示。
- 邏輯通道是高層資訊傳到MAC層的SAP,關注的是傳輸什麼內容,什麼類別的資訊。資訊分為兩種型別:
- 控制訊息(控制平面的信令,如廣播類訊息、尋呼類訊息);控制通道;
- 業務訊息(業務平面的訊息,承載著高層傳來的實際資料);業務通道;
邏輯通道則是MAC層向RLC層提供的服務,RLC層可以使用邏輯通道向MAC層傳送和接受資料。
- 傳輸通道關注的不是傳什麼,而是怎麼傳?形成怎樣的傳輸塊(TB)?不同型別的傳輸通道對應的是空中介面上不同訊號的基帶處理方式,如調製編碼方式、交織方式、冗餘校驗方式、空間複用方式等內容。根據對資源佔有的程度不同,傳輸通道可分為:
- 共享通道,多個使用者共同佔用通道資源
- 專用通道,由某一個使用者獨佔通道資源。
傳輸通道是物理層提供給MAC層的服務,MAC可以利用傳輸通道向物理層傳送和接受資料;
MAC層一般包括很多功能模組,如傳輸排程模組、MBMS功能模組、傳輸塊TB產生模組等。經過MAC層處理的訊息向上 傳給RLC層的業務接入點,要變成邏輯通道的訊息;向下傳送到物理層的業務接入點,要變成傳輸通道的訊息。
- 物理通道就是訊號在無線環境中傳送的方式,即空中介面的承載媒體。在LTE中,物理通道是由一個特定的子載波(頻率)、時隙(時間)、天線口(空間)確定的。即在特定的天線口上,對應的是一系列無線時頻資源(Resource Element,RE)。物理通道就是確定好編碼交織方式、調製方式,在特定的頻域、時域、空域上傳送資料的無線通道。根據物理通道所承載的上層資訊不同,定義了不同型別的物理通道。
- 其他通道,在LTE中除了常見的通道外,還有一些參考通道,主要用於通道訊號的測量和評估。一些參考通道在LTE中可能並未使用。
三、邏輯通道
- 控制通道(傳輸控制平面資訊)5個
控制通道 | 表示 | 描述 | 功能 | 方向 |
廣播控制通道 | Broadcast Control Channel,BCCH | 廣而告之的訊息入口 | BCCH是網路到使用者的一個下行通道,他傳送的資訊是在使用者實際工作開始之前,做一些必要的通知工作。他是協調、控制、管理使用者行為的重要資訊。雖不幹業務上的活,但沒有它業務通道就不知如何開始工作。 | 下行 |
尋呼控制通道 | Paging Control Channel,PCCH | 尋人啟事類訊息的入口 | 當不知道使用者具體處在哪個小區的時候,用於傳送尋呼訊息。PCCH也是一個網路到使用者的下行通道,一般用於被叫流程。 | 下行 |
公共控制通道 | Common Control Channel,CCCH | 主管和員工之間協調工作時資訊互動的入口。類似,用於多人幹活時,協調彼此動作的資訊渠道。 | CCCH是上、下行雙向和點對多點的控制資訊傳送通道,在UE和網路沒有建立RRC連線的時候使用。 | 上行、下行 |
專用控制通道 | Dedicated Control Channel,DCCH | 類似領導和某個親信之間面授機宜的資訊入口,是兩個建立了親密關係的人幹活時,協調彼此動作的資訊渠道。 | DCCH是點到點雙向通道,是在UE和網路建立了RRC連線以後使用。 | 上行、下行 |
多播控制通道 | MultiCast Control Channel,MCCH | 類似領導給多個下屬下達搬運一批貨物命令的入口,是領導指揮多個下屬幹活時協調彼此工作的資訊渠道。 | MCCH是點對多點的從網路側到UE側(下行)的MBMS控制資訊的傳送通道。一個MCCH可以支援一個或多個MTCH(MBMS業務通道)配置。MCCH在UMTS的通道結構中沒有相關定義。網路側類似一個電視臺節目源,UE則是接收節目的電視機,而MCCH則是為了順利傳送節目電視臺給電視機發送的控制命令,讓電視機做好相關接受準備。 | 下行 |
- 業務通道(傳輸使用者平面資訊)2個
業務通道 | 表示 | 描述 | 功能 | 方向 |
專用業務通道 | Dedicated Traffic Channel,DTCH | 待搬運貨物的入口,這個入口按照控制通道的命令或指示,把貨物從這裡搬到那裡,或從那裡搬到這裡。 | DTCH是UE和網路之間的點對點和上、下行雙向的業務資料傳送渠道。 | 上行、下行 |
多播業務通道 | Multicast Traffice Channel,MTCH | 類似要搬運的大批貨物,也類似一個電視臺到電視機的節目傳送入口。 | MTCH是LTE中區別於以往制式的一個特色通道,是一個點對多點的從網路側到UE(下行)傳送多播業務MBMS的資料傳送渠道。 | 下行 |
- LTE與UMTS邏輯通道的比較
四、傳輸通道
- 分為上行與下行。
傳輸通道 | 表示 | 描述 | 功能 | 方向 | 編碼方式 | 編碼速率 |
廣播通道 | Broadcast Channel,BCH | 為廣而告之訊息規範了預先定義好的固定格式、固定傳送週期、固定調製編碼方式,不允許靈活機動。 | BCH是在整個小區內發射的、固定傳輸格式的下行傳輸通道,用於給小區內的所有使用者廣播特定的系統訊息。 | 下行 | 咬尾卷積碼 | 1/3 |
尋呼通道 | Paging Channel,PCH | 規定了尋人啟示傳輸的格式,將尋人啟示貼在公告欄之前(對映到物理通道之前),要確定尋人啟示的措辭、釋出間隔等。 | 尋呼通道是在整個小區內進行傳送尋呼資訊的一個下行傳輸通道。為了減少UE的耗電,UE支援尋呼訊息的非連續接收(DRX)。為支援終端的非連續接收,PCH的發射與物理層產生的尋呼指示的發射是前後相隨的。 | 下行 | Turbo編碼 | 1/3 |
下行共享通道 | Downlink Shared Channel,DL-SCH | 規定了待搬運貨物的傳送格式。 | DL-SCH是傳送業務資料的下行共享通道,支援自動混合重傳(HARQ);支援編碼調製方式的自適應調製(AMC);支援傳輸功率的動態調整;支援動態、半靜態的資源分配。 | 下行 | Turbo編碼 | 1/3 |
多播通道 | Multicast Channel,MCH | 規定了給多個使用者傳送節目的傳送格式, | 是LTE的規定區別於以往無線制式的下行傳送通道。在多小區傳送時,支援MBMS的同頻合併模式MBSFN。MCH支援半靜態的無線資源分配,在物理層上對應的是長CP的時隙。 | 下行 | Turbo編碼 | 1/3 |
隨機接入通道 | Random Access Channel,RACH | 規定了終端要接入網路時的初始協調資訊格式。 | RACH是一個上行傳輸通道,在終端接入網路開始業務之前使用。由於終端和網路還沒有正式建立連結,RACH通道使用開環功率控制。RACH發射資訊時是基於碰撞(競爭)的資源申請機制(有一定的冒險精神)。 | 上行 | N/A | N/A |
上行共享通道 | Uplink Shared Channel,UL-SCH | 和下行共享通道一樣,也規定了帶搬運貨物的傳送格式,只不過方向不同。 | UL-SCH是傳送業務資料的從終端到網路的上行共享通道,同樣支援混合自動重傳HARQ,支援編碼調製方式的自適應調整(AMC);支援傳輸功率動態調整;支援動態、半靜態的資源分配。 | 上行 | Turbo編碼 | 1/3 |
- LTE與UMTS傳輸通道的比較
UMTS的傳輸通道分為兩類:專用通道和公共通道。公共通道資源是小區內的所有使用者或一組使用者共同分配使用的;而專用通道是由單個使用者使用的資源。
LTE的傳輸通道沒有定義專用通道,都屬於公共通道(大家都可以用)或共享通道(大家可以同時用)。
五、物理通道
物理通道主要用來承載傳輸通道來的資料,但還有一類物理通道無須傳輸通道的對映,直接承載物理層本身產生的控制信令或物理信令(下行:PDCCH、RS、SS;上行:PUCCH、RS)。
- 物理通道兩大處理過程
分為位元級處理、符號級處理。
從發射端角度看,位元級處理是物理通道資料處理的前端,主要是在二進位制位元資料流上新增CRC校驗;進行通道編碼、交織、速率匹配以及加擾。加擾之後進行的是符號級處理,包括調製、層對映、預編碼、資源塊對映、天線傳送等過程。
在接收端先進性的是符號級處理,然後是位元級處理,處理順序與發射端不同。
- 分為上行與下行
物理通道 | 表示 | 描述 | 功能 | 方向 | 調製方式 |
物理廣播通道 | Physical Broadcast Channel,PBCH | 轄區內的大喇叭,但並不是所有廣而告之的訊息都從這裡廣播,部分廣而告之的訊息是通過下行共享通道(PDSCH)通知大家的。 | PBCH承載的是MIB與SIB,用於小區搜尋過程。 | 下行 | QPSK |
物理下行共享通道 | Physical Downlink Shared Channel,PDSCH | 踏踏實實幹活的通道,而且是一種共享通道,為大家服務,不偷懶,略有閒暇就接活幹。 | 1、PDSCH承載的是下行使用者的業務資料; 2、還包括沒有在PBCH上傳輸的系統廣播資訊(SIB); 3、及尋呼資訊(使用PDCCH信令攜帶尋呼指示,具體尋呼資訊在PDSCH上執行,其資源塊由PDCCH指示); |
下行 | QPSK/16QAM/64QAM |
物理下行控制通道 | Physical Downlink Control Channel,PDCCH | 發號施令的嘴巴,不幹實事,但幹實事的PDSCH需要它的協調。 | 用DCI指示PUSCH/PDSCH相關的 格式,資源分配,HARQ資訊,位於每個子幀的前n個OFDM符號(n<=3) |
下行 | QPSK |
物理控制格式指示通道 | Physical Control Format Indicator Channel,PCFICH | 類似藏寶圖,指明瞭控制資訊(寶藏)所在的位置。 | PCFICH是LTE的OFDM特性強相關的通道,用CFI表示1個子幀中用於PDCCH中OFDM符號數目。 | 下行 | QPSK |
物理HARQ指示通道 | Physical Hybrid ARQ Indicator Channel,PHICH | 主要負責點頭搖頭的工作,下屬以此來判斷上司對工作是否認可。 | PHICH承載的是混合自動重傳(HARQ)的確認/非確定(ACK/NACK)資訊。即:用於PUSCH的HARQ確認值(ACK/NACK) | 下行 | BPSK |
物理多播通道 | Physical Multicast Channel,PMCH | 類似可點播節目的電視廣播塔 | PMCH承載多播資訊,負責把高層來的節目資訊或相關控制命令傳給終端。 | 下行 | QPSK/16QAM/64QAM |
物理隨機接入通道 | Physical Random Access Channel,PRACH | 乾的是拜訪領導時叩門的活,領導開了門才能進行下面的事,如果叩門失敗後面的事就沒法幹了。 | PRACH承載UE想接入網路時的叩門訊號——隨機接入前導(preamble碼)(獲取小區接入的必要資訊進行時間同步和小區搜尋等),網路一旦答應了,UE便可進一步和網路溝通訊息。 | 上行 | Zadoff-Chu序列 |
物理上行共享通道 | Physical Uplink Shared Channel,PUSCH | 這是一個上行方向踏踏實實幹活的通道 | PUSCH也採用共享的機制,承載上行使用者資料。 | 上行 | QPSK/16QAM/64QAM |
物理上行控制通道 | Physical Uplink Control Channel,PUCCH | 上行方向發號施令的嘴巴,但幹實活的PUSCH需要它的協調。 | PUCCH承載著HARQ的ACK/NACK,排程請求(Scheduling Request,SR),通道質量指示(Channel Quality Indicator)等資訊。 | 上行 | BPSK/QPS |
- 備註:
- PDSCH、PMCH、PUSCH可根據無線環境好壞,選擇合適的調製方式。當通道質量好時選擇高階調製方式,如64QAM;質量差時選擇低階,如QPSK。其他通道不可變更調製方式。
- PRACH採用Zadoff-Chu隨機序列。ZC序列是自相關特性較好的一種序列(在一點處自相關值最大,在其他處自相關值為0;具有恆定幅值的互相關特性,較低的峰均位元性),在LTE中,傳送端和接收端的子載波頻率容易出現偏差,接收端需要對這個頻偏進行估計,使用ZC序列可以進行頻偏的粗略估計。
- PHICH和PBCH在同一幅天線埠進行傳輸;PCFICH和PBCH在同一天線埠傳輸。
- LTE與UMTS物理通道的比較
六、物理訊號
物理訊號是物理層產生並使用的、有特定用途的一系列無線資源單元(Resource Element)。物理訊號並不攜帶從高層來的任何資訊,類似沒有高層背景的底層員工,配合其他員工工作時,彼此約定好使用的訊號。它們對高層而言不是直接可見的,即不存在高層通道的對映關係,但從系統觀點來講是必須的。
物理訊號包括:
下行:參考訊號(Reference Signal,RS)和同步訊號(Synchronization Signal,SS)。
上行:只定義了一種物理訊號:參考訊號(RS)。
- 下行參考訊號
下行參考訊號RS本質上是一種偽隨機序列,不含任何實際資訊。這個隨機序列通過時間和頻率組成的資源單元RE傳送出去,便於接收端進行通道估計,也可以為接收端進行訊號解調提供參考,類似CDMA系統中的導頻通道。RS訊號如同潛藏在人群中的特務分子,不斷把一方的重要資訊透露給另一方,便於另一方對這一方的情況進行判斷。
頻譜、衰落、干擾等因素都會使得傳送端訊號與接收端收到的訊號存在一定偏差。通道估計的目的就是使接收端找到這個偏差,以便正確接收資訊。通道估計並不需要時時刻刻進行,只需關鍵位置出現一下即可。即RS離散的分佈在時、頻域上,它只是對通道的時、頻域特性進行抽樣而已。
為保證RS能夠充分且必要反映通道時頻特性,RS在天線口的時、頻單元上必須有一定規則。RS分佈越密集,則通道估計越準確,但開銷會很大,佔用過多無線資源會降低系統傳遞有用訊號的容量。RS分佈不宜過密,也不宜過分散。
RS在時、頻域上的分佈遵循以下準則:
(1)RS在頻域上的間隔為6個子載波。
(2)RS在時域上的間隔為7個OFDM符號週期。
(3)為最大程度降低訊號傳送過程中的相關性,不同天線口的RS出現位置不宜相同。
下行參考訊號作用
下行是指從eNodeB到UE傳送訊號,即發射端為eNodeB,接收端為UE。下行參考訊號的作用主要包含如下幾個方面:
-
下行通道估計,用於UE端的相干檢測和解調。
-
下行通道質量測量(通道探測)。
-
小區搜尋。
CRS | Cell-Specific Reference Signal小區專有參考符號/公共參考訊號 | 用於除了不基於碼本的波束賦形技術之外的所有下行傳輸技術的通道估計和相關解調。小區特定是指這個參考訊號與一個基站端的天線埠(天線埠0-3)相對應。 | 天線埠0-3 |
UE-RS/DRS | UE-Specific Reference signal / Dedicated Reference signal UE專有參考訊號 | 用於不基於碼本的波束賦形技術的通道估計和相關解調。 | 天線埠5 |
MBSFN RS | MBSFN Reference signal MBSFN參考符號 | 用於MBSFN的通道估計和相關解調 | 天線埠4 |
PRS | positioning Reference Signal 定位參考符號 | R9中新引入的參考訊號,用於終端定位 | 天線埠6 |
CSI-RS | Cell Status Indicator Reference Signal小區狀態指示參考符號 | R10中新引入的參考訊號,用於通道資訊CQI,PMI,RI等資訊的測量 | 最大可以支援8個埠的測量 |
- 下行同步訊號
同步訊號SS用於小區搜尋過程中UE和eUTRAN的時、頻同步。UE和eUTRAN做業務連線的必要前提就是時隙、頻率的同步。
同步訊號包含兩部分:
主同步訊號(Primary Synchronization Signal,PSS):用於符號時間對準,頻率同步以及部分小區的ID偵測。
從同步訊號(Secondary Synchronization Signal,SSS):用於幀時間對準,CP長度偵測及小區組ID偵測。
可參考博文:PSS與SSSS https://blog.csdn.net/weixin_42227141/article/details/84065963
- 上行參考訊號
上行參考訊號RS類似下行參考訊號的實現機制。也是在特定的時頻單元中傳送一串偽隨機碼,類似TD-SCDMA裡的上行導頻通道(UpPCH),用於eUTRAN與UE的同步以及eUTRAN對上行通道進行估計。
上行參考訊號有兩種情況:
(1)UE和eUTRAN已建立業務連線
PUSCH和PUCCH傳輸時的導頻訊號,是便於eUTRAN解調上行資訊的參考訊號,這種上行參考訊號稱為解調參考訊號(Demodulation Reference Signal,DM RS)。DM RS可以伴隨PUSCH傳輸,也可以伴隨PUCCH傳輸,佔用的時隙位置及數量兩者不同。
(2)UE和eUTRAN未建立業務連線
處於空閒態的UE,無PUSCH和PUCCH可以寄生。這種情況下UE傳送的RS訊號,不是某個通道的參考訊號,而是無線環境的一種參考導頻訊號,稱做環境參考訊號(Sounding Reference Signal,SRS)。這時UE沒有業務連線,仍然給eUTRAN彙報一下通道環境,是一種高尚的品質。
既然是參考訊號,就需要方便被參考。要做到容易被參考,就需要在約定好的固定位置出現。
如圖所示,伴隨PUSCH傳輸的DM RS約定好的出現位置是每個時隙的第4個符號。PUCCH攜帶不同的資訊時DM RS佔用的時隙數不同。
SRS由多少個UE傳送,傳送週期、頻寬是多大可由系統排程配置。SRS一般在每個子幀的最後一個符號傳送。
上行參考訊號作用
上行是指從UE到eNodeB傳送訊號,即發射端為UE,接收端為eNodeB。上行參考訊號用於兩個目的:
-
上行通道估計,用於eNodeB端的相干解調和檢測。
-
上行通道質量測量。
DRS | Demodulation Reference Signal 解調製參考符號 | DM-RS與PUSCH(上行資料)和PUCCH(上行控制信令)的傳送相關聯,用作求取通道估計矩陣,幫助這兩個通道進行解調。 | |
SRS | Sounding Reference Signal 探測參考符號 | SRS獨立發射(不與上行資料和扇形控制信令傳送相關聯); 用作上行通道質量的估計與通道選擇,計算上行通道的SINR; 對於TDD,可利用通道對稱性獲得下行通道質量; |
七、通道對映
通道對映是指邏輯通道、傳輸通道、物理通道之間的對應關係。
從圖中可以看出LTE通道對映的關係有以下幾個規律:
(1)高層一定需要底層的支撐,工作需要落地;
(2)底層不一定都和上面有關係,只要幹好自己分內的活,無須全部走上層路線;
(3)無論傳輸通道還是物理通道,共享通道乾的活種類最多;
(4)由於通道簡化、通道職能加強,對映關係變得更加清晰,傳輸通道DL/UL-SCH功能強大,物理通道PUSCH、PDSCH比UMTS幹活的通道增強了很多。
參考:
3GPP 36.321
3GPP 36.300
3GPP 36.211
http://blog.sina.com.cn/s/blog_746b60460102wejh.html
https://blog.csdn.net/jyqxerxes/article/details/79052617