[4G&5G专题-87]：物理层 - 4G LTE的帧结构

Posted 2021-05-08 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 什么是帧

1.1 帧的基本定义

1.2 以太网帧结构

1.3 LTE 10ms无线帧结构的特点

1.4 LTE 10ms无线帧结构的分类

第2章 LTE FDD 10ms无线帧的结构

第3章 LTE TDD 10ms无线帧的结构

3.1 TDD帧结构概述

3.2 TDD帧的上下行子帧的配比

3.3 特殊子帧的配置

第4章 LTE 1ms子帧的频域资源RE

4.1  频域子载波资源

4.2 OFDM周期

4.3 常见的时频资源术语

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第1章 什么是帧

1.1 帧的基本定义

帧就是结构化管理和组织串行数据流的方式称为帧。

对于帧结构化的定义，称为帧结构。

帧结构有两大类：

（1）按照空间来组织二进制数据

这种方式，一次数据传输的比特数是确定的，而时间是不确定的，数据传输的时间取决于带传输的比特数。

互联网数据通信就是按照这种方式来组织“帧"结构的。

（2）按照时间来组织二进制数据

这种方式，一次数据传输的时间是确定的，而传输的比特数是不确定的，数据传输的比特数只要填满传输的时间就必须停下来。

这种方式是严格的调度的。

移动通信的空口物理层就是按照这种方式来组织“帧"结构的，在LTE中，称为10ms的帧结构。

 

1.2 以太网帧结构

上图是熟悉的以太网的帧结构。以太网帧结构的特点：

• 帧结构：以太网的帧是没有时间信息，只有反应二进制比特数据关系的的结构化信息，反应了如何结构化的方式组织二进制比特。
• 完整性：通常在一个连续的时间内，处理完（发送和接收）一个完整、独立的以太网帧。
• 复用方式：在以太网中，物理层的传输资源是分时复用的，不同的用户分时复用底层的传输资源，但分时的时间间隔不是严格固定的。而是取决于以太网帧的长度信息。
• 调度方式：不同用户，采用公平竞争的方式获取物理层的传输资源，并通过载波侦听和冲突检测的方式解决不同用户何时使用共享的传输信道、以及解决冲突问题。

 

1.3 LTE 10ms无线帧结构的特点

• 帧结构：移动通信中的无线帧结构二维的结构，一维是可用的无线频率（频域）资源，取件于系统带宽，另一维是时间（时域）资源。称之为时频资源。
• 完整性：通常在一段连续的时间内，由多个、离散时间组成的帧结构，比如10ms的基本帧，1ms的子帧。
• 多址复用方式：每个无线帧不归属于任何用户，同一个帧结构为多个用户同时共享。
• 双工复用方式：空口的无线资源为上下行复用。
• 调度方式：完全基站采用独裁的方式、进行统一调度，每个用户没有权利在未获得基站授权的情况下使用无线资源。
• LTE的帧结构与LTE的双工模式密切相关

 

1.4 LTE 10ms无线帧结构的分类

双工模式是接收方向（上行）和发送方向（下行）共享无线资源。上行和下行，接收与发送是站在基站的角度来定义的，而不是手机。

LTE支持两种双工模式：TDD和FDD，于是LTE定义了两种帧结构：TDD帧结构和FDD帧结构。

FDD：是指使用不同的频率来区分上行与下行，上行与下行，在时间上是可以重叠的。因此，无线帧的结构不需要包含上行与下行的时间信息。

TDD: 是指使用相同的频率来发送和接收，并使用时间来区分上行和下行。上行与下行，在时间上是不能重叠。因此，无线帧的结构需要包含上行与下行的时间信息。

这就决定了LTE FDD和TDD具有不同的物理层的帧结构。

LTE的帧结构与LTE的双工模式密切相关，分为：

（1）FDD帧结构： 无线帧结构1

（2） TDD帧结构：无线帧结构2

 

第2章 LTE FDD 10ms无线帧的结构

由于FDD和TDD上行与下行是独立的，因此，该帧结构适用于上行和下行。

上行：10ms内的每个1s子帧都传递上行数据。

下行：10ms内的每个1s子帧都传递下行数据。

 

FDD的帧结构比较简单，而TDD的帧结构，相对于FDD就复杂很多。

 

第3章 LTE TDD 10ms无线帧的结构

3.1 TDD帧结构概述

TDD是上下行分时复用相同的载波频率，为了能够及时的响应上行或下行通信，某一次的10ms帧并不是全部用于上行，也不是全部用于下行。而是分时复用与上行或下行。

除了特殊子帧S帧外，其他子帧，是不能再切分为上行或下行的，1ms子帧是上行或下行复用的最小时间单位。

到底10ms帧内，哪些1ms子帧用于上行数据，哪些1ms子帧用于下行数据，哪些1ms子帧为特殊子帧，对于LTE TDD而言，是可以配置的，这个配置称为上下行配比。

 

• 上行子帧：用于传输上行数据
• 下行子帧：用于传输下行数据
• 特殊资质：用于下行子帧切换上行子帧过渡，但上行子帧切换到下行子帧时不需要特殊子帧。

 

3.2 TDD帧的上下行子帧的配比

LTE预定义了几种配比，每一种配比称为配置格式Format，如下图所示：

每一种配置格式：

• 上下行1ms子帧的比例是确定的，也就是传输的速率比是确定的。
• 上下行1ms子帧的位置是确定的
• 上行子帧内部的14个符号都用于上行
• 下行子帧内部的14个符号都用于下行
• 特殊子帧的个数是确定的
• 特殊子帧的位置是确定的

 

3.3 特殊子帧的配置

特殊子帧内部的14个符号，哪些用于上行，哪些用于下行呢？

这就涉及到特殊子帧的构成与配置

（1）特殊子帧（1ms）的构成

与普通子帧相同的是：传输时间都是1ms。

与普通的上行或下行子帧不同的是：1ms中占用的OFDM符号的个数不是唯一14个符号，分为两种情形

• 14个OFDM符号，称为普通CP
• 12个OFDM符号，称为扩展CP, 也就是说每个CP的时间被扩展了，CP的时间被扩展了，而每个OFDM符号的时间又是确定的，1ms子帧的时间也是确定的，因此1ms内OFDM符号的个数就被压缩了。
• 1ms子帧有2个0.5ms时隙slot是确定的

扩展CP传输的时间的目的是增加或扩大小区的覆盖范围。

 

（2）特殊子帧（1ms）的配置

 

第4章 LTE 1ms子帧的频域资源RE

4.1  频域子载波资源

 

4.2 OFDM周期

 

4.3 常见的时频资源术语

• RE： 1个频域子载波，1个时域OFDM周期。
• RB：12个子载波，6-7个时域OFDM周期。
• REG：4个频域子载波，1个时域OFDM周期，相当于频域上连续的4个RE.
• CCE：36个频域子载波，1个时域OFDM周期，相当于频域上连续的9个REG