LTE帧结构
帧结构分为三种:FDD、TDD、FDD与TDD结合。
不同帧结构的目的:灵活、多种用途。如:公网多下行,专网或私网多上行。
LTE定义了一个基本的时间单位:
在时域上,上下行都被组织成10ms的系统帧。
一、FDD:
FDD中,上下行数据在不同的频率内传输,使用成对的频谱,支持全双工和半双工。在一个10ms内,各有十个子帧可用于DL及UL。一个帧的周期为:
一个系统帧由十个子帧组成。每个子帧1ms,包含两个slot,每个slot为0.5ms。一个子帧为两个连续的slot。
二、TDD:
一个系统帧的周期为10ms,有两个长达5ms的子帧(half-frame)组成,每个半帧由5个长达1ms的子帧组成,TDD 中的子帧包括正常子帧和特殊子帧。对于 TDD 而言,上下行传输是通过时域区分开的。TDD 支持 7 种不同的上下行配置(uplink-downlink configuration),对应不同的上下行配比,具 体见 36.211 的 Table 4.2-2。其中“D”对应一个下行子帧,“U”对应一个上行子帧,“S”对应一个特殊子 帧。与特殊子帧相对应,我们将“D”和“U”对应的子帧称为正常子帧。TDD 上下行配置是通过 RRC 消息中的 TDD-Config -> subframeAssignment 字段来设置的。
TDD 上下行配置支持 5 ms 和 10 ms 的下行到上行的切换周 期。在 5 ms 的切换周期中,在 2 个半帧都存在特殊子帧;在 10 ms 的切换周期中,只有第一个半帧 存在特殊子帧。
TDD 下的正常子帧结构与 FDD 下的子帧结构是相同。特殊子帧包含 3 个域:DwPTS、GP 和 UpPTS,这 3 个域的时长相加等于 1 ms。特殊子帧有 9 种不同的配置,对应不同的 DwPTS 和 UpPTS 长度,见 36.211 的 Table 4.2-1。特殊子帧配置是通过 RRC 消息中的 TDD-Config -> specialSubframePatterns 字段来设置的。
与 FDD 类似,TDD 下的每个子帧(包括特殊子帧)长达 1 ms,由 2 个连续的 slot 组成,每个 slot长达0.5ms(Tslot ????15360????Ts ????0.5ms)。子帧 0、5 以及 DwPTS 总是用于下行传输;UpPTS 以及紧随特殊子帧之后的子帧总是用于上行 传输。
一个 slot 由多个符号(symbol)组成,每个符号(用 l 表示)由循环前缀(Cyclic Prefix,简称 CP)和可用的符号时间组成。上行使用 SC-FDMA 符号(SC-FDMA symbol),下行使用 OFDM 符 号(OFDM symbol)。一个 slot 由多个符号(symbol)组成,每个符号(用 l 表示)由循环前缀(Cyclic Prefix,简称 CP)和可用的符号时间组成。上行使用 SC-FDMA 符号(SC-FDMA symbol),下行使用 OFDM 符 号(OFDM symbol)。
DwPTS 可被当作正常的下行子帧来看待,即可用于 PDSCH 传输。但由于 DwPTS 的长度(所占 的符号数)小于正常的下行子帧,所以其携带的数据量要更少。对于正常循环前缀下的特殊子帧配置 0 和 5,或扩展的循环前缀下的特殊子帧配置 0 和 4 来 说,其 DwPTS 只占 3 个符号,长度太短,所以不能用于 PDSCH 传输。
UpPTS 由于长度太短,不能用于 PUSCH 传输,而只能用于 SRS 或 PRACH 传输。
循环前缀
除了 TDD 中的特殊子帧,当正常子帧(包括 FDD 和 TDD)使用正常的循环 前缀(normal cyclic prefix,简称为 normal CP)时,每个 slot 由 7 个符号( l ???? 0 ~ 6 )组成;当正 常子帧使用扩展的循环前缀(extended cyclic prefix,简称为 extended CP)时,每个 slot 由 6 个符号 ( l ???? 0 ~ 5 )组成。OFDM 系统中可以插入一段空白符号作为保护间隔,这样做虽然能消除 ISI(Inter Symbol Interference,符号间干扰),但不能消除 ICI(Inter Carrier Interference,子载波间干扰)。循环前 缀是将 OFDM 信号的最后一定长度内的部分提取出来放在 OFDM 信号的头部,将加入了循环前缀 后变长了的 OFDM 信号作为新的 OFDM 信号,这样就可以完全消除 ISI 和 ICI。循环前缀有正常的循环前缀和扩展的循环前缀之分,其区别在于长度的不同。
UE 是在小区搜索过程中确定下行的循环前缀长度的,并通过接收 RRC 消息中的 UL- CyclicPrefixLength 字段确定上行的循环前缀长度。对于正常的循环前缀,每个 slot 的第一个符号的循环前缀长度比其它的符号要大。这是因为 0.5 ms 的 slot 长度(对应 15360 个 Ts ),是不能被 7 整除的,所以第一 个符号的循环前缀要长一些。对于扩展的循环前缀,就不存在这个问题(15360 能被 6 整除)。
定义 2 个循环前缀长度的原因在于:(1)一个更长的循环前缀,虽然从循环前缀的开销角度来 说效率更低,但在某些带有广泛的传输延迟的特定场景下,如非常大的小区,可能会带来好处。但 需要注意的是,一个更长的循环前缀并不一定会对大型的小区带来好处,即使这种情况下延迟传播 是非常广泛的。如果在大型小区中,链路的性能主要受限于噪声,而不是受限于循环前缀不能覆盖 剩余的时间弥散所导致的信号损坏,此时使用更长的循环前缀所带来的额外的无线信道时间弥散的 可靠性,可能无法证明使用更长的循环前缀所需要的额外能量开销是合理的;(2)在基于 MBSFN 的多播/广播传输中,需要使用扩展的循环前缀。
需要注意的是,同一个系统帧内的不同子帧可能使用不同的循环前缀长度。例如:基于 MBSFN 的多播/广播传输只会配置在有限的子帧上,在这些子帧上会使用扩展的循环前缀。而系统帧内的 其它子帧可能使用正常的循环前缀。
三、flexible frame structure for more efficient LBT:FDD与TDD相结合。
极大地提高了LTE的性能表现,且打破了UL与DL的界限。