LTE學習筆記九:物理層過程(二)

LTE學習筆記九:物理層過程(二)

6.測量過程

物理層的測量過程一般是由高層配置和控制的,物理層只是提供測量的能力而已。

根據測量性質的不同,測量可分為同頻測量、異頻測量、異系統測量;根據測量的物理量不同,可分為電平大小測量、通道質量測量、負荷大小測量等。根據測量報告的彙報方式,可分為週期性測量、事件測量等。協議中一般根據測量的位置不同,將測量分為UE側的測量、eUTRAN側的測量。

6.1 手機側測量

UE側的測量有連線狀態的測量空閒狀態的測量

手機處於連線狀態的時候,eUTRAN給UE傳送RRC連線重配置訊息,這個訊息相當於eUTRAN對UE進行測量控制命令。這個命令包括:要求UE進行的測量型別及ID,建立、修改、還是釋放一個測量的命令,測量物件、測量數量、測量報告的數量和觸發報告的方式(週期性報告、事件性彙報)等。

手機處於空閒狀態的時候,eUTRAN的測量控制命令是用系統訊息(System Information)廣播給UE的。

UE側測量的參考位置是在UE的天線連線口處。

UE可以測量的物理量包括:

RSRP(Reference Signal Received Power,參考訊號接收電平):一定頻帶內,特定小區參考訊號RS的多個RE的有用訊號的平均接收功率(同一個RB內的RE平均功率)。

RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收訊號強度指示):系統在一定頻帶內,數個RB內的OFDM符號的總接收功率的平均值,包含有用訊號、迴圈字首干擾、噪聲在內的所有功率。eUTRAN內的RSSI主要用於干擾測量。

RSRQ(Reference Signal Received Quality,參考訊號接收質量):是一種訊雜比,即RSRP和RSSI的比值RSRP一般是單個RB的功率,RSSI可能是N個RB的功率,所以RSRQ=(N*RSRP)/RSSI。RSRQ測量用於基於通道質量的切換和重選預判。

UE處於空閒狀態時,進行小區選擇或重選一般使用RSRP;而UE處於連線狀態進行切換時,通常需要比較RSRP和RSRQ。如果僅比較RSRP可能導致頻繁切換,僅比較RSRQ雖可減少切換次數,但可能導致掉話。

RSTD(Reference Signal Time Difference,參考訊號時間差):UE接收到的兩個相鄰小區傳送的、同一子幀的時間差。

6.2 基站側測量

參考位置在天線的介面處,一般會指明是發射天線還是接收天線。總結如下表

7.共享通道物理過程

LTE的物理共享通道是業務資料承載的主體。他還順便幫忙攜帶一些尋呼訊息,部分廣播訊息,上下行功控訊息等。

物理共享通道主要包括PUSCH和PDSCH。這兩個共享通道的物理層過程主要做三件事:資料傳輸、HARQ和鏈路自適應

資料傳輸過程中出錯了怎麼辦?這就需要HARQ過程來解決;資料傳輸過程還需要根據無線環境自適應調製傳輸方式。

7.1 資料傳輸過程

資料傳輸就是把要傳送的資料,放到LTE視訊資源上,通過天線發射出去,然後接收端在特定的時、頻資源上將這些資料接收下來。

不管是下行還是上行資料傳輸,幹活的人不一樣,分別是PDSCH、PUSCH,但負責協調排程的人是一樣的,都是PDCCH。

PDCCH攜帶的資訊有時、頻資源的位置,編碼調製方式,HARQ的控制資訊等。基站是上下行資源排程的決策者,他通過PDCCH控制上下行資料傳輸。通過PDCCH的格式控制,PDSCH和PUSCH可以傳送多種型別的資料。

系統需要配置PDCCH引數來決定如何分配和使用資源,主要依據以下因素:

(1)QoS引數

(2)在eNodeB中準備排程的資源資料數量

(3)UE報告的通道質量指示(CQI)

(4)UE能力

(5)系統頻寬

(6)干擾水平

下行方向,在長度為1ms的子幀結構中,1~3個符號傳送協調排程資訊(PDCCH),剩餘的符號傳送資料資訊(PDSCH)。也就是說排程資訊和對應的資料資訊可以位於同一個子幀內。

在下行資料接收的時候,終端不斷檢測PDCCH所攜帶的排程資訊。發現某個協調排程資訊屬於自己的,則按照協調排程資訊的指示接收屬於自己的PDSCH資料資訊。

在上行方向,終端需要根據下行的PDCCH的排程資訊,進行上行資料的傳送。由於無線傳輸和裝置處理都需要時間,因而下行的PDCCH和上行的PUSCH之間存在時延。

對於FDD,這個時延固定為4ms,即4個子幀,如圖所示。對於TDD模式,時延和上下行時隙的比例有關,但也必須大於等於4ms

上行資料在傳送之前,終端需要等待基站給自己的下行協調排程資訊,發現自己允許傳輸資料,則在PUSCH上傳送自己的資料。對於某些較規律低速業務,如VoIP,在LTE中為了降低PDCCH信令開銷,定義了半持續排程(Semi-Persistent Scheduling,SPS)的模式。半持續排程的主要思想是對於較規則的低速業務,不需要每個子幀都進行動態資源排程。可以按照一次指令的方式,工作較長時間,從而節省信令開銷。

7.2 盲檢測過程

eNodeB針對多個UE同時傳送PDCCH,終端如何保證接收到屬於自己的控制資訊,又不給系統帶來過多開銷?答案是終端需要不斷檢測下行的PDCCH排程資訊。

但在檢測之前,終端並不清楚PDCCH傳輸什麼樣的資訊,使用什麼樣的格式,但終端知道自己需要什麼。有哪些我不知道,有哪些需要我知道,在這種情況下只能採用盲檢測的方式。

瞭解盲檢測之前先了解兩個概念:RNTI和DCI。

RNTI(Radio Network Temporary Identifier,無線網路臨時標識)是高層用來告訴物理層,需要接收或者傳送什麼樣的控制資訊。根據不同的控制訊息,RNTI可以表示為X-RNTI。

(1)SI-RNTI(System Information RNTI):基站傳送系統訊息的標識。

(2)P-RNTI(Paging RNTI):基站傳送尋呼訊息的標識。

(3)RA-RNTI(Random Access RNTI):基站傳送隨機接入響應的標識,使用者用來傳送隨機接入的前導訊息。
(4)C-RNTI(Cell RNTI):基站為終端分配的用於使用者業務臨時排程的標識。

(5)TPC-PUCCH-RNTI(Transmit Power Control PUCCH RNTI):PUCCH上行功率控制資訊標識。

(6)TPC-PUSCH-RNTI:PUSCH上行功率控制資訊標識。

(7)SPS C-RNTI(Semi-Persistent Scheduling RNTI):半靜態排程時,基站為終端分配的用於使用者業務臨時排程的標識,用法和C-RNTI一樣。

(8)M-RNTI(MBMS RNTI):基站為終端分配的用於MBMS業務臨時排程的標識。

為提高終端RNTI的效率,根據RNTI屬性的不同,將其分在兩個不同的搜尋空間中:公共搜尋空間(Common Search Space)UE特定的搜尋空間(UE Specific Search Space)。前者每個UE都可以在此查詢相應的資訊;後者UE只能在屬於自己的空間中搜尋空間資訊。

SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI屬於公共搜尋空間的資訊;其他RNTI屬於UE特定的搜尋空間的資訊。

UE使用X-RNTI對PDCCH進行盲檢測,X-RNTI如同開啟PDCCH的鑰匙。UE既要檢視公共搜尋空間,又要檢視UE特定搜尋空間。

終端要使用SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI等公共鑰匙檢視公共搜尋空間;基站為終端分配了C-RNTI、TCP-PUCCH-RNTI等私人鑰匙,來開啟自己的私人空間。

DCI(Downlink Control Information,下行控制資訊)有上行資源排程資訊、下行資源排程資訊、上行功率控制資訊。一個DCI對應一個RNTI。每個UE在每一個子幀中只能看到一個下行控制資訊(DCI)。

針對不同的用途,物理層設計了不同的DCI格式。根據排程資訊的方向(上行or下行)、排程資訊的型別(Type)、MIMO傳輸模式(Mode)、資源指示方式的不同,定義了不同的DCI格式,如圖

時、頻資源指示是告訴終端,資訊被放在了什麼位置。協議定義了3種時頻資源的指示方式:Type0、Type1、Type2。

Type0、Type1採用時、頻資源分組。Type2是以資源起始位置,加上連續時、頻資源塊的長度,來定義時、頻資源佔用的位置的。這種方式無須指示RB位置,信令開銷小,但只能分配連續的VRB。

X-RNTI和DCI就是PDCCH通過加擾和CRC穿在身上的外衣,攜帶了很多標識自己特性的資訊,可以讓終端方便地識別出屬於自己的、自己所需的控制資訊。

終端就是根據這些控制資訊的指示,在PDSCH通道上的特定時、頻資源上,把屬於自己的下行資料取下來;同時終端按照這些控制資訊的要求,在PUSCH相應的時頻資源上用一定的功率把上行資訊發出去。

基站要尋呼UE,就要通過P-RNTI標識PDCCH,並指示DCI。UE會用P-RNTI解碼PDCCH,並根據DCI的資訊,在PDSCH上找到下行尋呼資料。

在隨機接入過程中,UE會在特定的時、頻資源上傳送一個前導碼Preamble;基站根據收到PARCH訊息(包括前導Preamble)的時、頻資源位置推算RA-RNTI,並用該RA-RNTI標識PDCCH,然後傳送隨機接入響應,該響應中包含基站為終端分配的臨時排程標識號TC-RNTI(Temporal C-RNTI)。

當隨機接入成功後,便將TC-RNTI轉正為C-RNTI。

基站與終端建立連線後,通過C-RNTI或SPS-RNTI對PDCCH進行標識。終端對PDCCH察言觀色,進而獲得上下行排程資訊。

7.3  HARQ重傳合併機制

HARQ(Hybrid Automatic  Repeat reQuest,混合自動重傳請求)技術是自動重傳請求(ARQ)前向糾錯(Forword Error Correction,FEC)兩種技術的結合。所謂混合(Hybrid),即指重傳和合並技術的混合。

LTE知錯就改的基站就是基於重傳和合並。

ARQ是重傳,但系統對錯誤的忍耐有限度,於是定義了最大重傳次數。

不但要重傳,收到兩次或多次重傳的內容還要比對起來看。合起來看,試圖把正確的內容儘快找出來,以便降低重傳次數。這就是FEC技術。

HARQ的重傳機制有三種:

(1)停止等待(Stop-And-Wait,SAW)

(2)回退

(3)選擇重傳。

停止等待協議是傳送每一幀資料後,等待接收方的反饋應答ACK/NACK。一旦接受方反饋資料錯誤的NACK,傳送方就需呀重發該資料,直到接收方反饋確認無誤(ACK)後才傳送新資料,如圖所示。

回退機制是指按照資料幀的順序不停的傳送資料後,無須等待接收方的反饋,直到接收方反饋資料錯誤NACK。傳送方就重發出錯資料幀和其後的所有資料幀,相當於回退了N幀,到出錯幀處,然後繼續順序傳送,如圖所示。

選擇重傳是指傳送發按照資料幀的順序不停地傳送資料,並將傳送的資料儲存下倆,當接收方反饋資料錯誤NACK,傳送方就重發出錯資料幀,如圖所示:

LTE中採用的重傳機制是停止等待(SAW)協議。

HARQ合併技術也有以下三類:

第一類HARQ就是接收到錯誤資料後,直接丟棄,然後請求重傳,接收到重傳資料後自然無法進行合併,直接譯碼。

第二類HARQ是一種完全增量冗餘(Incremental Redundency,IR)的HARQ合併技術,接收到的錯誤資料不丟棄,重傳的完全是資料的編碼冗餘部分,而沒有原始資料本身,也就是說重傳的資料沒有自解碼功能,重傳的冗餘資料和錯誤資料合併以後進行再次解碼。

第三類HARQ和第二類HARQ相同的是錯誤資料不丟棄,重傳資料與錯誤資料合併;但不同的是第三類HARQ重傳的資料具有自解碼功能,有原始資料,也有冗餘資料。

第三類HARQ又分為兩種情況:第一種是每次重傳的冗餘版本完全一樣,叫做Chase合併(Chase Combining,CC)技術;第二種是每次重傳的冗餘版本不一樣,叫做部分增量冗餘(部分IR)的合併技術。

LTE中使用的HARQ合併技術有:Chase合併(CC)和增量冗餘(IR)。

Chase合併技術,重發原始資料和相同版本的冗餘編碼資料,提高正確解碼的概率;

增量冗餘(IR),逐步傳送不同的冗餘版本,降低通道編碼速率(對應於低階的冗餘編碼版本),提高編碼增益。

當資料速率較高的時候一般使用不能自解碼的第二類HARQ;速率較低時可使用自解碼的Chase合併或部分增量冗餘技術。

7.4 LTE HARQ過程

LTE中,下行採用非同步的自適應HARQ,上行採用同步HARQ。非同步是指重傳時間間隔不固定,同步指預定義的固定重傳時間間隔。

對於單個HARQ程序來說,採用的是停止等待重傳機制,1個資料包傳送出去以後,等待ACK/NACK,如果出錯則需要重傳,直到資料包被正確接收或者超出最大重傳次數被丟棄。下行HARQ過程如圖所示。

在上行HARQ中,終端按照基站側指示的上行資源排程方式,傳送上行資料;基站接收後,在PHICH中反饋ACK/NACK。若反饋ACK,基站繼續給終端傳送上行資源排程資訊,終端繼續傳送新資料;如果反饋NACK,終端則進行資料重傳,過程如圖所示。

LTE中允許多個HARQ程序並行傳送。並行傳送的HARQ程序數取決於一個HARQ程序的RTT(Round Trip Time,往返時間)。對於FDD來說,服務小區最多有8個下行HARQ程序;對於TDD,服務小區的HARQ最多的程序數目取決於上、下行時隙配比。