13.4 LTE系统在线视频

那么下面我们重点来给大家

讲一讲

4G的移动通信体制

代表性体制是LTE 我们将LTE

它的一些特点

我们首先先看一下 LTE它的

参数

它的系统参数

LTE的双功方式有两种

我们前面曾经提到

FDD和TDD

那么它的多指方式

和双功是不一样的

请大家注意区分

LTE的下行

采用的多址是OFDMA

正交平分

多度复用

多址技术

那么上行采用的

实际上是OFDMA的变种

我们叫做是单载波频分

多址技术

SCFDMA技术

技术和OFDMA的区别

主要在于上行的子载波

或者说RB是连续分配的

所以它的峰平比

就是PAPR峰值功率

平均功率的比值

PAPR

SCFDMA

要低于OFDMA这样

的话比较适应

移动终端

低成本非线性的功放来使用

所以这就是它的一个特点

那么对于LTE的帧格式来讲

FDD和TDD的帧格式

是有区别的

对于FDD而言

所有的帧都是类似的

一共10毫秒

一帧10毫秒

划分为10个指针

每个指针是一毫秒

而对TDD来讲

它子帧实际上是有分为两类

一类叫做是所谓的普通子帧

另外一类叫做是特殊子帧

那么下面我们分别来介绍

那么LTE它的带宽

它不像原来

我们给的3G系统了

它的带宽是可以灵活配置的

它有6种带宽配置

最低的情况下

它的带宽只有1.4兆

那么中间可以是3兆

5兆

10兆

15兆

最宽的情况

下呢有20兆

它的采样率

最高可以达到30.72兆

它的调制方式是有各种

它是一个自适应调制的模式

有各种调制方式

第一的话有QPSK中等16

cam

高有64cam

那么采用的信道编码

有卷积码

Turbo码

等等

HARQ也继承了原来HSPA的

方式

有同步有异步

那么下行才能一步多停等的

HARQ上行

才能同步的多停等HARQ

它也采用了广泛的采用了MIMO

技术

我们在第11章讲MIMO的时候

给大家介绍过了

好

请同学们看看胶片上给的示意图

我们从两个方面

来给大家介绍了LTE的帧格式

我们先看呢

频率上

LTE的信号

胶片给的这就是一个

LTE的频谱结构信号

频谱的结构

它总的带宽

我们看是最外层的

从理论上来讲LTE最大的带宽

可以支持到20兆带宽

那么当然最宽

你要从外侧来看呢

就是最宽的

但是这么多带宽

一般而言

不会

全部分配给一个用户来使用

因为我们是在用户是通过评分

OFDMA的方式来服用

那么可用带宽

我们就称为是发送带宽配置

在可用带宽当中

一部分就分配给你的

这是一部分

就你来使用

那么一般来讲

下行LTE的信号当中

中直流分量是不用的

虽然我们都采用

快速傅里叶变化

或者DFT变换

但是直流零载波

我们是不承载数据的

否则的话

会导致中心频率载波泄露

直流会产生强干扰

我们看一下

LTE的帧格式

它在TDD和FDD模式下

是有一定区别的

那么LTE它一帧是10毫秒

如果是FDD的话

是上下行有不同的频段

大家看有上行频段

下行频段

划分为10个子帧

每一个子帧的两个时期

这样来进行区分的

而对于而言的话

它的上下行是用时间来区分的

不是用载波来区分的

所以我们观察这儿

给了一个例子

它在上下行切换的时候

有两个切换点

在子帧一

或者是子帧6这两个位置

来进行上下进行切换

那么剩下的8个子帧

我们就称为是普通子帧

或者是承载上行数据

或者是承载下行数据

而子帧1和子帧6

它是特殊子帧

子帧不能不承载数据

它主要承载的是信令

特殊子帧的一般我们分为是

三部分的数据

第一部分数据

我们称为是下行的导频时隙

也就是 DWPTS

那么第三部分

我们称为是上行的导频

时隙也就是UPPTS

那么分别用于下行和上行的同步

还有解调使用

中间我们还加了一个空闲时期

这是

目前概括

这样构成了一个特殊子帧

具体再分析一下

每一个时隙内部

LTE的信号结构

我们再回忆一下

前面我们曾经讲过

LTE都是OFDMA

SCFDMA结构

它从时隙上来看

实际上都是一个符号

一个符号

就是这个地方是OFDMA的

符号

我们看一个时隙下面

它的符号结构

这张胶片给的就是LTE的

时域时隙结构

在对一个LTE的子帧而言

我们把它拆成了

0.5毫秒

一个时期

0.5毫秒一个时期

一个时期当中

它有不同的配置

假如说

我们循环前者CP取的是所谓的

normal CP就普通的CP的话

那么它0.5毫秒

对应的实际上有7个OFDM

符号

同学们观察

这一列就是7个

OFDM的符号

那么前面的浅灰部分

就是CP的长度

那么后面深的部分就是

承载数据的

Fd窗的长度

那么最长的fd窗

是2048个样点

前面的CP部分

对第一个OFDM符号而言

是160个样点

后面的剩余6OFDM

符号

是144个样点

那么我们可以估算出来

C P的持续时间

窗场大约是在5厘米

它的C P的窗长

大约是5厘米

顺便我们给大家强调一点

同学们还记得第二章

我们讲移动信道的时候提到的

典型城区环境

最大多进时延

实际上就是5微秒

或者相干带宽

就是200K赫兹

所以我们可以看到

LTE的系统设计

它的CP长度5微秒

正好约等于

最大多径时延

典型城区环境

所以它对于典型城区环境而言

它可以有效的对抗的

由于多径延时导致的慢性干扰

那么我们看还有另外一种配置

是扩展CP这种扩展CP的话

C P的长度会更长

那么导致了

OFDM的符号数

就变少了

就只有6个OFDM

那么这个时候扩展CP主要用于

一些大范围的小区覆盖

他的小区的半径比较比较大

覆盖的面积比较广

这个时候的话

多径延伸会比较大

为了能够适应这种大的小区覆盖

那么我们就用扩展CP这种模式

还有一种是更长的 CP

会

变得非常长

这个可以用于广播

或者是卫星

覆盖LTE制式的卫星

进行了地面覆盖的时候

采用

细节我们就不再列举了

我们把 LTE的时频单元

我们把它放到

一起来看一下时频结构

同学们观察

这就是 LTE的时频结构

横折我们给的实际上是

时间标识

纵轴我们给的是频率标识

我们看横轴的一个格

横轴的一个格

就是一个OFDM符号的持续

时间

纵轴的一个格

就是一个子载波

那么在LTE里面

我们规定

一个子载波的间隔是15K赫兹

一个符号的持续时间

是66.7

微妙

所以这样的一个时频

时频的单元

我们就称为是

资源单元RE

这是最小的一个时频单元了

这样的

时频单元太多了

对于基站而言

进行调度管理呢是不方便的

所以我们在引入来了

第二个重要的资源概念

就是所谓的资源快叫resource block

以后

我们都叫名叫RB

resource block

那么应用了resource block之后的话

资源管理就相对比较方便了

所谓的resource block

他指的是

如果我们是采用的物理

resource block

叫physical resource block

PRB那么它对应的就是这个

样子

横轴大家数一下

1234567

也就是7个OFDM符号

实际上对应的是0.5毫秒

就一个时期

纵轴上对应的

实际上是12个子载波

一个子载波

15K带宽

12个子载波

正好对应的是

180K赫兹

所以这12个子载波

7OFDM符号

一共12×7

是84个RE

是构成的就是一个

物理资源单元PRB这就是我们

在LTE系统当中

进行资源管理和调度的最基本的

单元

好

下面我们再来讲一讲

LTE所采用的

多址接入方式

我们看一下示意图

Lp的下行采用的是OFDMA

多次介入方式

这个图当中就给了一个示意

就是大家看左侧的是

每个用户的数据流

分别来进行

编码调制速率适配

空时编码等等IFFT变换

那么我们把这些数据流

在请大家注意

这有一个资源映射

不同的用户

映射到不同的RB单元上去

就是所进行的资源映射

通过这样的方式

来实现不同用户数据的服用

这是在基站端实现的

我们就称它叫做是OFDM

正交频分多式结构方式

那么我们再看一看

上行

对于上行而言

它不是用的OFDMA

它用的是单载波频分

多址技术方式

SCFDMA它与OFDMA

最主要的差别

请大家注意

在资源映射前

我们还要再引入一个DFT变换

对于OFDMA而言

这个数据各个用户的数据

都是承载在频域的

而对于SCFDMA而言

它这个是每一个用户的数据

都是承载在时域的

我们看左侧

每个用户的数据进行

编码速率适配加扰调制

这还是实域信号

然后再经过一个DFT变化

把时域变成频率

在频率上进行映射

资源映射以后

然后再做一个逆傅里叶变化

IFFT变化

就又把它从频域又转成时域了

真正我们在信号

在无线上发送的时间

还是

时域信号

我们刚才给大家介绍了 LTE

系统

它基本的信号结构

时频

帧式等等一些基本配置

那么下面我们再接着给大家介绍

一下

LTE系统

它整个的协议栈的

组成

LTE的空口的协议栈

其实是比较简单的

我们一般把它划分为4层

也就是PHY MAC RLC PDCP

这样的四层

下面我们给大家看看

它的一个基本结构特点

这就是 LTE系统

它的一个

空中接口的协议栈结构

同学们观察

这个结协议栈结构

比3G和2G的协议栈

都要简单

它就只保留了

最基本的4层结构

最下层就是物理层

主要负责编码调制

空间

MIMO信号处理等等

那么上层是MAC

Mac层主要完成的事

自身硬编码调制

还有HARQ的控制

还有麦克包的排队调度服用

等等

在上层就是RLC RLC

主要进行数据包的分割

合并

以及ARQ那么RLC给

上层提供的

实际上是一个无差错的

可靠传输链路

再上层就是PDCQ

PDCQ

主要完成两个功能

一个功能

进行数据包的包头

压缩

另外一个功能

进行加密和解密

在网上就直接是加的是应用层

就加IP数据包了

那么这就是 LTE的一个基本

结果

它是比较简单的

它的整个是比较清晰

LTE的信道也划分为三种

因为它继承了

WCDMA的一些基本特点

也就是物理信道 逻辑信道

传入信道

大家看这个图

这个图我们就给出来了

LTE的下行信道的映射关系

我们刚才提到过的

LTE系统

它有

三类信道逻辑

信道映射到传输信道

传输信道再映射到物理信道上

那么LTE的物理信道

只有这6个

也就是物理广播信道

如图所示

如图所示

如图所示

在这6个信道当中

最重要的是PDSCH信道

因为这是下行的共享信道

所有的数据都承载在信道上

那么PMCH信

主要用于多媒体

多广播的业务承载

而 PDCCHP

PHICH PCFICH 信道

这三个信道我们合并

它主要承载的是下行的控制字

就是所谓的DCI 其中像

PDCCH信道是一个专用信令

信道主要是承载

随着PDSCH发送的

业务

它的控制

PHICH主要承载的是HRQ信令

PCFICH信道

主要承载的是

传输格式的一些控制系列

PBCH信道

主要承载的是广播信令

那么传输性的

我们看中间这一层

那么它就是按照功能划分为广播

信道

寻呼

信道

下线

共享信道

还有多波信道

就是这样的4类信道其中下行

的共享信道

这是最重要的业务信道

剩下这三个

实际上就是

信令信道或者控制信道

再上面就是逻辑信道

逻辑信道

它通过这种映射关系

映射到传输上

传输在映射到物理上

这就是下行信道的一个映射关系

那么相应的

我们也有上行映射关系

同学们可以看一下书上的介绍

比下性还更简单一些

我们再归纳一下

LTE所采用的一些关键技术

前面我们提到过

HS A系统它的一些

关键技术

LTE的关键技术

为了能够支持高速数据传输

提高链路的传输效率和吞吐率

那么他全面继承了

HSPA以及HSPA+

的关键技术

并且有所扩展和推广

尤其是某技术方面

这是它的一大特色

那么我们具体来给大家介绍一下

LTE的上行和下行链路的

结构

我们先看一下

LTE的下行链路结构

LTE的下行链路结构

主要包括两大部分一部分数据

一部分是参考信号

就我们所谓的Reference signal RS

参考信号实际上就是

类似于导频一样的东西

收发两段都是一致的

为了能够保证下行

进行相关几条

改善的链路的性能

在下行链路当中

参考信号包含了三位

就所谓的小区专用信号

用户专用信号

以及 MBSFN的

参考信号

MBSFN叫做是多媒体广播

的

单频网

单频网

这个主要应用于广播业务

我们就不再详细介绍了

小区专用信号是非常重要的

那么用户占用信号

一般都是TDLTE来使用的

我们也不再作为重点介绍

上述所有这些参考信号

为了考虑到 OFDM信号

的兼容性

都采用的是复信号序列

其实用的都是QPSK星座调制

的复信号序列

一般来讲

我们为了能够降低风险比

采用的都是

CAC

就所谓CAZA的序列

就是说它是一个横包络了

是相关函数的序列

那么这里面的典型代表

实际上就是ZC序列

就所谓的ZC序列

那么这个的定义

在LTE的协议当中

有详细的介绍

我们先给大家看看

小区专用的

参考信号的基本格式

同学们看胶片上给的示例图

这个图

就是一个LTE的时频

二维结构图

那么这是一个子帧

对吧一个子帧当中

我们看

划分为两个时期

每个时期有7个OFDM符号

横轴对应的时间斜轴对应的是

频率

对吧

在这一个

整个结构视频结构当中

灰色的

黑灰色的就是参考信号

我们看参考信号它是有规律

交错式的

兼插

到整个这个视频单元当中的

这样的参考信号

同学们回忆一下

我们再讲第10章OFDM的

时候讲过

这实际上是一种导频子载波

那么它的插入位置是

是这样的

如果我们采用的是

普通的CP的话

1个时隙是有7个OFDM符号的

子载波导频

子载波

在频域上

在频率上

6个

差一个

就隔

隔6个位置以后

插入1个

大家看我在我画的这2个

子载波之间

正好是序号之间差6个子载波

那么比如说

这两组也是序号之间

在子载波序号上插6个子载波

然后我们再看时间上

OFDM时间上来看

它是怎么插入的

第一个OFDM

它必然要插入到P

而第二组

导频子载波

它是倒着数的

也就是说从一个时期的反着推

第三个OFDM符号

插入

如果说你是普通CP的话

正着数就应当是

第6个OFDM

那么第5个OFDM符号插

如果说你是扩展CP那就

应当是

第4个OFDM来插

所以这之间略有差别

请大家看书上的描述

尤其需要注意的是

同学们观察

这两组导频自载波之间

其实是交错是插入的

像第一个OFDM

符号插入的这两个子载波

和第5个OFDM符号

插入了这两个导频

子载波

那么它们的位置在

在频率轴上来看

正好差三

所以这两组导频子载波之间

正好有一半交错

采用这样的方式之后

其实是经过了优化

可以在将来我们进行信道估计的

时候

方便

对于数据自在不能进行差值

降低差值所引入的误差

所以这就是 LTE系统当中

我们采用这种

小区专用参考信号

它的一个基本结构

我们在每一个导频

子载波上

承载的数据是什么呢

ZACA初序列

是收发端一致的信号

是一个QPSK调制的复兴号

这样的整个这些子载波

它们构成了一个

这个序列

就是由协议来规定

那么对于其他两种

我们就不再介绍了

好

下面我们再给大家看一下

LTE下行链路的一个

控制信道和数据信道之间的

总体结构

总体结构实际上

把整个子帧分为两个区域

同学们观察

前面三个外部电容符号

而这就是控信道

就PDCCH后面的

11个外部电容符号

我们就称为是数据区

它主要承载的是PDSH信道

那么请大家注意前面这个控制区

它其实

占满了这三组OFDM符号

这是不确定的

最少占一个OFDM符号

第一个OFDM符号

必然是拿来承载控制信息的

也就是PCFICH信道

而像我们画的

比较稀疏阴影的

这两个OFDM符号

它是可选项

假如你基站是比较满载的

承载的用户数比较多

信令开销比较大

那么就需要占1~2个OFDM符号

因为这两个OFDM符号

可能

至少占一个或者两个都占

这最多可以占三个OFDM符号

控制区

但是如果说它是亲载的话

可能就只占第一个OFDM符号

或者一道两个OFDM符号

所以它在整个时间结构上来看

控制信道和数据

信道

是采用时分的方式

来完成复用的

那么LTE系统的下行链路

除了我们前面提到的

这种

帧格式参考信号结构以外

它还要引入加扰

加扰实际上就是一种

gold码序列

采用的是31阶gold码序列

那么这种加绕

你可以理解为

就是说

随机化 它的主要目的

是

减少您小区之间的相互干扰

这就是一种干扰协调的技术

我们细节就不介绍了

同学们查阅相关书籍

那么下面我们再看 LTE的

上行链路

类似的也应当为了支持相干解决

也应当有参考信号

那么LTE的上行参考信号

我们称为是桑蒂

所以就叫做是Sunday

The first叫SRS

信号

那么它的参考信号

它是采用的时分的方式

插入到帧格式里面的

对于LTE的上行信号

它一个时期

也是7个符号

我们把参考信号插入到中间

前三个是数据符号

后3个也是数据符号中间

也就是第4个

外编符号承载的是参考信号

这就是 LTE上行链路的

一个基本结构

那么LTE上行

还采用一些跳频

通过慢跳屏的方式

随机化的上行信道的干扰

获得频率分集增益

我们不再给大家详细介绍

同学们

参与相关书籍

下面我们再给大家强调一下

LTE的最关键的

4个物理层的处理过程

这4个物理层的处理过程

是LTE的移动台

能够正常工作的一些

初始过程

第一个过程

我们称为是小区搜索

所谓小区搜索

它的目的是干什么的

就是LTE的基站

我们看所谓的小区搜索是什么

意思

就是移动台它开机

或者说在初始化了以后

它要去搜周围到底有几个LTE的

基站

我到底介入介入到哪个基站

我要与 LTE的基站建立起来

时频同步

能够找着基站的序号

找到这个小区的序号以后

能够建立起来

视频同步关系

能够检测出来

想去参考信号

这就是一个小区搜索

它的主要的功能

在LTE系统当中

它的组网模式是

划分为168个

每个小区当中又可以分为三个

扇区

也叫α β

γ

这三个扇区

那么这些小区ID号和扇区号

都要进行编号

把 CEID的信息承载到物理

信号上

为了完成小区搜索

我们主要用到了两种

特定的同步序列

一个叫做是PSS也就是所谓

的主同步序列

另外一个叫做是SSS

就是所谓的复同步序列

通过这两个序列的搜索

那么移动台就能够建立起来

与基站之间的失去关系

那么它的视频结构的位置

请大家参与书上的介绍

我们不再详细解释了

那么经过小区搜索

移动台和基站之间

就建立了时序联时序关系了

那么实现了视频同步了

第二步的操作就是做随机介入

所谓随机接入

就是移动台

如果有业务要服务

要请求

那么我们就发起一个

业务接入的请求

那么这个业务接入的请求

就在随机接入系统上来承载

在LTE系统当中

它的随机接入分为4个步骤的

我们看胶片上给的交互图

这个事件迁移图

第一步是移动台发起一个

随机介入的前导

那么第二步

基站给随机接入的响应

那么通过前两步的

交互

移动端和基站之间

就调整了他们的

同步持续能够建立起来

一个严格的视频同步关系

然后第三步

移动端

就发起了业务请求系列

也就是在RRC层从上请求了业务

系列

那么基站端收到信令之后

它就把信令转到核心网上去

你要对业务进行分析

那么给它提供的业务

通信的链路

以及相应的资源

那么核心网反馈之后

把反馈的信念再发给移动台

这样的话

那么用户和核心网之间

就建立起了通信链路了

建立完通信联络

那么随机接入过程就结束了

后面就开始

在通信联储上传送的

双向传送的用户的业务数据

这就是 LTE随机介入的

一个基本过程

第三个过程就是所谓的时间调整

这个过程我需要跟大家强调一下

LTE系统当中

大家想一想

上级采用OFDM下行才有

SCFDMA

不同的移动台到基站

距离是不一样的

有远有近

上行

我们都采用的SCFDA的

方式m

来发送信号

可是发送的信号啊

基站端收到以后

因为距离有远有近

它有时延

那么即使是发端

它是已经对其的基站发信号

但是因为距离是随机变化的

那么基站收到的信号

其实也是对不齐的

它有有延时的差异

导致的同步

同步

对不齐

那么这样的话

不同的用户

由于同步的误差

会有相互干扰

考虑到这个问题

在LTE系统当中

必须要求上行要同步

同学们还记得我们在第三章

给大家讲过

系统同步的概念

同步CDMA这种概念

在LTE系统当中

也是需要

只不过

我们不是同步CDMA

而是上行同步

怎么来实现不同用户呢

同时发送的

能够实现不同用户的上行同步

那就需要基站端向

每一个用户下行电路

向每一个用户发送

同步调整的系列

也就是所谓的时间

提前量提前信列

通过这样的同步调整

不管你是距离基站近的时间

短的用户

还是距离基站远的时间长的用户

我们在发的时候

都能够调整到呢大致

同时的位置上

调整的思路很简单

如果我们测出来

距离基站比较近的用户

它的时间小

那么我们发送

同步调整信列

让它略微延迟一些发送

我们测出来的有个移动台

它是在小区边缘处的时间大

那么我们就发送信令

让它稍微提前一些发

这样的话到了基站端

我收到的不管是距离近的

还是距离远的用户

它们在时序上几乎是对齐的

这样就有利于减少用户间的干扰

实现了同步接受

第4个过程就是寻呼

寻呼过程实际上与这个随机接入

过程

是个对称的过程

随机接入是移动台呼叫基站

雄乎基站也呼叫移动台

因为没有业务的时候

比如说你的一个朋友给你打电话

或者要给你发微信

你就是个被叫

那么用你的朋友

他就是个主胶

那么主胶把呼叫的信息

传到了基站

或者一群基站

到底你在哪一个小区

我们现在其实没有建立

电通话电路的时候

是不知道的

所以我们就需要基站的广播

把询问信息广播一下

广播完了之后

你的移动台收到了全部信息

你给他反馈

基站可能发现

你应当是在某个小区

这样我们就建立起了一个通话链路

所以寻呼的过程是必不可少的

好

以上就是我们对LTE的

整个的一些

基本处理流程的介绍

关于LTE Advance我们就不再介绍

因为实际上就是4G的增强版本

现在我们已经普遍采用

其中比如涉及到一些载波聚合

这样可以让信号的带宽

可以进一步加宽

还有比如写作多点传输

我们可以实现

多个小区之间的相互协作

提高吞吐率

第三个是Relay 通过中继的方式

提高链路的可靠性

第四个

还有其他的一些

比如说像

MASIV MIMO的一些技术等等

我们就不再一一列举了

以及包括5G当中一些关键技术

我们也不再列举