LTE帧结构与物理层-讲解

LTE帧结构和协议讲解LTE（Long Term Evolution）是第四代无线通信技术，为了支持更高的数据速率、更低的时延和更好的系统能力而发展起来的。

LTE通过改进帧结构和引入新的协议来提高系统的性能和效率。

LTE的帧结构主要由基本帧和无线帧的形成方式组成。

在LTE中，基本帧是和无线帧对称的，对称的结构可以简化系统的设计和实现。

基本帧由10个子帧组成，每个子帧的持续时间为1ms。

每个子帧可以分为两个时隙，每个时隙的持续时间为0.5ms。

基本帧中的第0个子帧（SF）被用于广播或下行控制信令，而其他9个子帧（S1~S9）用于传输用户数据。

无线帧的形成方式可以分为FDD（Frequency Division Duplexing）和TDD（Time Division Duplexing）两种。

在FDD模式下，上行和下行数据在频域上互不干扰，通过频域上的分离来实现双工通信。

而在TDD模式下，上行和下行数据共享相同的频谱，在时间上交替进行传输。

FDD和TDD模式可以根据不同的需求选择使用，TDD模式具有更快的部署速度和更灵活的频谱分配，但FDD模式可以提供更好的容量和覆盖性能。

LTE的协议主要由控制平面和用户平面组成。

控制平面负责处理系统控制信令，如寻呼、鉴权和移动性管理等；用户平面负责处理用户数据的传输。

LTE的协议是基于分组交换的IP网络，通过优化分组交换的性能和效率来提高系统的吞吐量和容量。

LTE的控制平面使用RRC（Radio Resource Control）协议进行系统控制和管理。

RRC协议负责系统的连接建立、终端的移动性管理和系统的切换等功能。

RRC协议通过不同的消息和过程来实现这些功能，如RRC连接建立过程、RRC连接重建过程和RRC连接释放过程等。

RRC协议的主要目标是优化系统控制信令的传输，减少信令的时延和系统开销。

LTE的用户平面使用PDCP（Packet Data Convergence Protocol）协议进行用户数据的传输。

TD-LTE帧结构及速率分析TD-LTE帧结构与物理层Figure 4.2-1: Frame structure type 2 (for 5 ms switch-point periodicity).TDD采用2型帧，如上图所示，1个帧周期是10ms，分成10个子帧，1个子帧分成2个时隙，1个时隙0.5ms，每个时隙6 或7 个OFDM 符号，这与FDD1型帧是一致的，差别主要是特殊时隙。

上下行配比方式：如上表，根据上下行不同的配比，分为7种不同的配置，注意配置3、4、5，在10ms周期内只有1个特殊时隙，这就是转换周期的概念，配置345是10ms转换周期，这种配置相对于5ms 转换周期来说，时延的保证性略差些，但系统损失的容量相对较小。

外场常用的上下行配置是2和3。

特殊子帧包括DwPTS，GP，UpPTS 三个域，配置由下表4.2-1：PS：CP的概念：循环前缀（CP: Cyclic Prefix）实际上是一份附加在符号前面的数据符号的末尾部分。

通过添加一个循环前缀，信道能够被制成表现好像传输波形是来自时间减去无穷大，从而保证了正交状态，其本质上防止了一个辅载波与另一个载波相混淆（叫做载波间干扰，或ICI ）。

Ts=1/(15000*2048)S=1000/30720s=1/31720ms对于常规CP来说，特殊时隙的配置如下：目前常用的特殊子帧配置是5和7，特别是7，可以提高下行吞吐量。

以上TDD帧结构的2个重要概念已经总结完了，1个是上下行子帧配比，1个是特殊子帧配比。

资源栅格：上图中，一个RB（Resource Block）即帧结构中的一个slot。

在使用常规CP时，1个RB=7个symbol×12个子载波。

如此划分出的每一个小格子称为RE（Resource Element）。

下表是不同CP配置下，symbol和子载波的对应关系。

在1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz带宽中，系统分别使用6个、15个、25个、50个、75个和100个RB。

LTE 物理层下行链路的介绍1、 帧结构LTE 系统中，其帧结构分为2种：帧结构1和帧结构2。

1.1 帧结构1帧结构1主要用于FDD 的情况，其结构如下所示：图表 1-1 FDD 帧结构这里每帧长度为f s 30720010 ms T T =⋅=，)s 1150002048T =⨯为最小的时间单位。

每帧包含10个子帧，每个子帧又分成2个时隙，每个时隙的长度为slot s 15360T 0.5 ms T =⋅=。

1.2 帧结构2帧结构2主要用于TDD 的情况，其结构如下所示：SS图表 1-2 TDD 帧结构这里每帧长度为f s 30720010 ms T T =⋅=，每个帧分为2个半帧，每个半帧的长度为s 153600 5 ms T ⋅=。

每个半帧分为5个子帧，每个子帧由2个时隙组成，每个时隙的长度为slot s 15360T 0.5 ms T =⋅=。

与FDD 帧不同的是，TDD 帧有一个特殊子帧，它的内容为DwPTS ，GP 和UpPTS 。

2、 时隙结构2.1 资源栅格一个时隙中传输的信号可以用一个资源栅格来描述，其大小为RBsc DL RB N N 个子载波和DLsy mb N OFDM 符号，如图表 2-1所示。

One downlink slot T 0=l 1DLsymb -=N l R B D L s u b c a r r i e r RB scN ⨯resource elementsResourceelement),(l k 1RBsc -N图表 2-1 下行资源栅格上面的DLRB N 取决于所用的系统带宽，其集合如下所示：图表 2-2 LTE 带宽配置2.2 资源粒子资源粒子是资源栅格中的最小单位，它通过索引(),k l 唯一标识。

其中，DL RB RB sc 0,...,1k N N =-，DLsymb 0,...,1l N =-，在天线端口p 上的每一个资源粒子可表示为(),p k l a 。

TD-LTE帧结构及速率分析TD-LTE帧结构与物理层DwPTS SGPSFigure 4.2-1: Frame structure type 2 (for 5 ms switch-point periodicity).TDD采用2型帧，如上图所示，1个帧周期是10ms，分成10个子帧，1个子帧分成2个时隙，1个时隙0.5ms，这与FDD1型帧是一致的，差别主要是特殊时隙。

Table 4.2-2: Uplink-downlink configurations.如上表，根据上下行不同的配比，分为7种不同的配置，注意配置3、4、5，在10ms周期内只有1个特殊时隙，这就是转换周期的概念，配置345是10ms转换周期，这种配置相对于5ms转换周期来说，时延的保证性略差些，但系统损失的容量相对较小。

外场常用的上下行配置是2和3。

Table 4.2-1: Configuration of special subframe (lengths of DwPTS/GP/UpPTS).PS：CP的概念：循环前缀（CP: Cyclic Prefix）实际上是一份附加在符号前面的数据符号的末尾部分。

通过添加一个循环前缀，信道能够被制成表现好像传输波形是来自时间减去无穷大，从而保证了正交状态，其本质上防止了一个辅载波与另一个载波相混淆（叫做载波间干扰，或ICI ）。

目前常用的特殊子帧配置是5和7，特别是7，可以提高下行吞吐量。

以上TDD 帧结构的2个重要概念已经总结完了，1个是上下行子帧配比，1个是特殊子帧配比。

资源栅格：One downlink slot T 0=l 1DLsymb -=N l R B D L s u b c a r r i e r RB scN ⨯resource elementsResourceelement),(l k 1RBsc -N上图中，一个RB （Resource Block ）即帧结构中的一个slot 。

LTE下行物理信道处理过程1.物理层的基本概念1.1LTE系统帧结构在空中接口上，LTE系统定义了无线侦来进行信号的传输，1个无线帧的长度为10m。

LTE支持两种帧结构FDD和TDD。

在FDD帧结构中，一个长度为10m的无线帧由10个长度为1m的子帧构成，每个子帧由两个长度为0.5m的时隙构成。

基本时间单位在TDD帧结构中，一个长度为10m的无线帧由2个长度为5m的半帧构成，每个半帧由5个长度为1m的子帧构成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。

普通子帧由两个0.5m的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙（DwPTS、GP和UpPTS）组成。

1.2LTE下行时隙结构和物理资源LTE系统中的物理资源均被分配到物理资源网格中传输，也就是说在每个lot中传输的信号由一个资源网格描述。

一个资源网格是由块（PhyicalReourceBlock，记为RB）组成，而每个RB又由元素（reourceelement，记为RE）构成。

一个RB在时域上包含符号,在频域上包含个下行物理资源个资源个OFDM个子载波。

RE是资源网的基本单位，一个资源网包含个资源元。

在一个lot中资源元素由索引对（k,l）唯一定义，其中k=0,…,-1，l=0,…,-1分别为频域和时域的索引。

LTE下行资源网格图具体如图由图可知，一个资源网格由频域索引坐标上标上个OFDM符号交错分割而成。

其中，个子载波和时域索引坐是RB个数，它由下行传输带宽决定，为每RB分配的子载波个数，1个RB在频域上对应12个子载波，和的个数由子载波间隔为15kHZ，180KHz=15KHz某12(normalCP)。

CP（CyclicPrefi某，CP）类型和子载波间隔决定。

物理资源块参数与CP长度关系如表所示子载波间隔15KHz15KHz7.5KHzOFDM符号数(一个时隙)763RB占用子载波数121224RB对应的RE数847272常规CP扩展CP1.3资源元素组物理资源元素组（Reource-elementGroup，记为REG）是用来定义控制信道到资源元素的映射的。

LTE帧结构图解帧结构总图：1、同步信号（下行）1-1、PSS（主同步信号）P-SCH (主同步信道）：UE可根据P-SCH获得符号同步和半帧同步。

PSS位于DwPTS 的第三个符号。

占频域中心6个RB。

1-2、SSS（辅同步信号）S-SCH（辅同步信道）：UE根据S-SCH最终获得帧同步，消除5ms模糊度。

SSS位于5ms第一个子帧的最后一个符号。

也占频域中心6个RB，72个子载波，2、参考信号2-2、下行2-1-1、CRS（公共参考信号）时域(端口0和1的CRS位于每个slot第1和倒数第3个符号,端口2和3位于每个slot 第2个符号)频域(每隔6个子载波插入1个)位置：分布于下行子帧全带宽上作用：下行信道估计，调度下行资源，切换测量2-1-2、DRS（专用参考信号）位置：分布于用户所用PDSCH带宽上作用：下行信道估计，调度下行资源，切换测量2-2、上行2-2-1、DMRS（解调参考信号）在PUCCH、PUSCH上传输，用于PUCCH和PUSCH的相关解调，可能映射到以下几个位置：1、PUSCH 每个slot(0.5ms) 一个RS，第四个OFDM symbol2、PUCCH－ACK 每个slot中间三个OFDM symbol为RS3、PUCCH－CQI 每个slot两个参考信号2-2-2、SRS（探测参考信号）可以在普通上行子帧上传输，也可以在UpPTS上传输，位于上行子帧的最后一个SC-FDMA符号，eNB配置UE在某个时频资源上发送sounding以及发送sounding的长度。

、Sounding作用：上行信道估计，选择MCS和上行频率选择性调度TDD系统中，估计上行信道矩阵H，用于下行波束赋形Sounding周期：由高层通过RRC 信令触发UE 发送SRS，包括一次性的SRS 和周期性SRS 两种方式周期性SRS 支持2ms,5ms,10ms, 20ms, 40ms, 80ms, 160ms, 320ms 八种周期TDD系统中，5ms最多发两次3、下行物理信道3-1、PBCH（物理广播信道）频域：对于不同的系统带宽，都占用中间的1.08MHz （72个子载波）时域：映射在每5ms 无线帧的subframe0的第二个slot的前4个OFDM符号上周期：40ms。

帧结构对于TDD系统来说，因为上下行是同一工作频率，所以帧结构需要同时给出上下行占用资源的时间和位置等信息。

一个无线帧至少包括下行传输、上行传输和保护间隔（GP,Guard Period）三部分。

GP位于下行转换为上行的时刻，主要作用是保护下行信号对上行信号的干扰。

TD-LTE物理层帧结构如下图所示：10ms的无线帧包含两个半帧，长度各为T=5ms。

每个半帧包含5个子帧，长度为1ms。

图1 TDD物理层帧结构对于TDD，上下行在时间上分开，载波频率相同，即在每10ms周期内，上下行总共有10个子帧可用，每个子帧或者上行或者下行。

TDD帧结构中，每个无线帧首先分割为2个5ms的半帧，可以分为5ms周期和10ms周期两类，便于灵活地支持不同配比的上下行业务。

在5ms周期中，子帧1和子帧6固定配置为特殊子帧；10ms周期中，子帧1固定配置为特殊子帧。

没一个子帧由DwPTS、GP和UpPTS3个特殊时隙组成，其帧结构特点如下：（1）上下行时序配置中，支持5ms和10ms的下行到上行的切换周期；（2）对于5ms的下行到上行切换周期，每个5ms的半帧中配置一个特殊子帧；（3）对于10ms的下行到上行切换点周期，在第一个5ms子帧中配置特殊子帧；（4）子帧0、5和DwPTS时隙总是用于下行数据传输。

UpPTS及其相连的第一个子帧总是用于上行传输。

特殊子帧的配置见下图：图2 TD-LTE特殊子帧配置表相对于FDD系统，TDD系统可以更灵活地配置具体的上下行资源比例。

对于5ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例一致，包括以下4种配置：（1）配置0：1DL+DwPTS+3UL;（2）配置1：2DL+DwPTS+2UL;（3）配置2：3DL+DwPTS+1UL;（4）配置6：3DL+2 X DwPTS+5UL;对于10ms周期的帧结构，即两个半帧时隙比例不一致，包括以下3种配置：（1）配置3：6DL+DwPTS+3UL;（2）配置4：7DL+DwPTS+2UL;（3）配置5：8DL+DwPTS+1UL;（4）配置7：保留;具体时隙配置如下图：图3 TD-LTE上下行时隙配置表。

LTE帧结构和协议10512LTE（Long Term Evolution，即长期演进）是第四代移动通信技术，其帧结构和协议是保证数据传输效率和可靠性的基础。

本文将介绍LTE的帧结构和协议，涵盖以下内容：1.帧结构2.物理层协议3.链路层协议4.网络层协议1.帧结构：在LTE中，常用的帧结构有1毫秒（ms）和0.5毫秒（ms）两种。

1毫秒帧结构通常用于下行链路，0.5毫秒帧结构通常用于上行链路。

每个子帧内部的OFDM符号，则是由12个正交频分复用（OFDM）符号和2个导频符号组成。

2.物理层协议：2.1小区搜寻过程LTE终端设备在连入网络之前，需要执行小区搜寻过程。

该过程包括寻找小区、同步小区、测量与探测等步骤。

2.2建立连接在建立连接过程中，LTE终端设备需要与基站进行初始接入，共享小区信息并进行系统分配。

2.3传输信道LTE中的传输信道分为控制信道和数据信道，其中控制信道用于传输控制信息，数据信道用于传输用户数据。

常用的控制信道有物理下行共享信道（PDSCH）和物理随机接入信道（PRACH），常用的数据信道有物理上行共享信道（PUSCH）和物理下行共享信道（PDSCH）。

3.链路层协议：3.1链路建立链路建立过程中，UE（User Equipment，用户设备）与eNodeB （Evolved Node B，演进基站）进行协商，建立信道的分配与配置。

3.2链路保持链路保持过程中，UE与eNodeB之间的数据传输保持稳定。

3.3链路释放链路释放过程中，UE与eNodeB之间的连接被终止。

4.网络层协议：4.1 移动接入层协议（Mobile Access Layer Protocol，MAP）MAP协议用于LTE终端设备与核心网络之间进行通信，包括位置管理、移动性管理和呼叫控制等功能。

4.2 会话管理协议（Session Management Protocol，SMP）SMP协议用于建立和维护终端设备之间的会话，包括会话建立、会话维持和会话释放等功能。

LTE网络结构协议栈及物理层LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，为了满足日益增长的数据需求和提供更高的速率、更低的时延，LTE采用了全新的网络结构和协议栈。

本文将介绍LTE网络的结构、协议栈及物理层。

一、LTE网络结构LTE网络结构包括用户终端设备（UE）、基站（eNodeB）、核心网（EPC）和公共网（Internet）四个部分。

UE是移动设备，eNodeB是用于无线接入的基站，EPC则是支持核心网络功能的节点。

UE与eNodeB之间通过无线接口建立连接，提供无线接入服务。

eNodeB负责对无线资源进行管理和调度，以及用户数据的传输。

而EPC则是核心网络，包括MME（Mobility Management Entity）、SGW （Serving Gateway）和PGW（Packet Data Network Gateway）等网络节点，负责用户移动性管理、用户数据传输和连接到公共网。

二、LTE协议栈LTE协议栈分为两个层次：控制面协议栈（CP）和用户面协议栈（UP）。

CP负责控制信令的传输和处理，UP处理用户数据的传输。

协议栈分为PHY（物理层）、MAC（介质访问控制层）、RLC（无线链路控制层）、PDCP（包隧道协议层）和RRC（无线资源控制层）五个层次。

- 物理层（PHY）：是协议栈的最底层，负责将用户数据以比特流的形式传输到空中介质中，并接收从空中介质中接收到的数据。

物理层对数据进行编码、调制和解调，实现无线传输。

- 介质访问控制层（MAC）：负责管理无线资源，包括分配资源、管理调度和处理数据的传输。

MAC层通过无线帧的分配来实现用户数据的传输控制。

- 无线链路控制层（RLC）：负责对用户数据进行分段、确认和相关的传输协议。

RLC层提供不同的服务质量，如可靠传输和非可靠传输。

- 包隧道协议层（PDCP）：负责对用户数据进行压缩和解压缩，以减小无线传输时的带宽占用。