Описание физического уровня LTE

Стандарт LTE на физическом уровне использует технологию Orthogonal Freuency Division Multiplexing (OFDM). Отметим, что эта технология решает проблему устранения межсимвольной интерференции, которая возникает при высокоскоростной передаче данных из-за многолучевого распространения сигнала.
В спецификации для указания различных длительностей по оси времени используется понятие временной единицы T_S = 1/(15000x2048) с. Передача по радиоканалу осуществляется кадрами (frame) длиной T_f = 307200xT_S = 10 мс. При этом поддерживаются две структуры кадров. Одна для случая частотного дуплекса (Frequency Division Duplex, FDD), другая - для временного дуплекса (Time Division Duplex, TDD).

Структура кадров

Сначала рассмотрим кадр для случая FDD. Каждый кадр состоит из 20 слотов длиной T_slot = 15360xT_S = 0.5 мс, которые пронумерованы от 0 до 19. Кроме этого, выделяется понятие подкадра (subframe), который состоит из двух соседних слотов, то есть подкадр с номером i включает в себя слоты с номерами 2i и 2i+1.
В случае FDD нисходящий (downlink) и восходящий (uplink) каналы передаются на разных частотах, поэтому в каждом 10 мс интервале времени имеется 10 подкадров для передачи "вниз" и 10 подкадров для передачи "вверх".
На рисунке ниже изображена структура кадра для случая FDD.



Теперь рассмотрим кадр для случая TDD. В данном случае кадр так же состоит из 10 подкадров длиной 1 мс. Однако, в отличие от FDD случая, в TDD случае в некоторых подкадрах идет передача "вниз", а в некоторых "вверх". Кроме этого, существуют специальные подкадры, которые состоят из трех частей: DwPTS - поля передачи "вниз", GP - защитного интевала и UpPTS - поля передачи "вверх". Поддерживаются две возможные конфигурации периодичности передключения с периодом переключения 5 мс и 10 мс. В случае переключения с периодом 10 мс специальный подкадр присутствует только в первой половине кадра. В случае же с 5 мс перключением специальный подкадр существует в обоих половинах кадра. Именно этот случай и представлен на следующем рисунке.



Ниже в таблице представлены все возможные конфигурации при TDD.



В таблице буквой "D" обозначены подкадры, в которых осуществляется передача "вниз", "U" - подкадры, в которых осуществляется передача "вверх", а "S" - специальные подкадры. Как видно из таблицы, в подкадрах 0 и 5 всегда осуществляется передача "вниз", а в подкадре, следующим за специальным, всегда осуществляется переда "вверх".

Характеристики канального ресурса

При использовании технологии OFDM передача данных осуществляется на множестве частотных поднесущих (subcarrier). При расстоянии между поднесущими ΔF = 15 кГц (опционально возможен еще вариант с 7.5 кГц) длительность OFDM символа составляет 1/ΔF = 66.7 мкс. В каждом слоте (0.5 мс) передают 6 или 7 OFDM символов в зависимости от длительности циклического префикса (Cyclic Prefix, CP). Длительность циклического префикса равна T_CP = 160xT_S = 5.2 мкс перед первым символом и T_CP = 144xT_S = 4.7 мкс перед остальными символами. Также есть возможность использования расширенного циклического префикса длительностью T_CP = 512xT_S = 16.7 мкс. В этом случае в одном слоте передаются 6 OFDM символов. На рисунке ниже представлены оба варианта структуры слота.



Весь канальный ресурс разбивается на ресурсные блоки (РБ, Resource Block, RB). Один блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц, и одного временного слота (6 или 7 OFDM символов общей длительностью 0.5 мс). Каждый OFDM символ на каждой из поднесущих образует ресурсный элемент (РЭ, Resource Element, RE), который характеризуется парой значений {k, l}, где k - номер поднесущей, l - номер символа в ресурсном блоке. При обычной конфигурации (со стандартной длительностью циклического префикса и, следовательно, с 7-ю OFDM символами в одном слоте) в нисходящем канале каждый ресурсный блок включает в себя 12x7 = 84 ресурсных элемента.

Часть из ресурсных элементов используется для передачи пилотного (опорного, reference) сигнала, который используется для синхронизации и оценки состояния радиоканала. Эти сигналы передаются в первом и пятом OFDM символе каждого слота при стандартной длине циклического префикса и в первом и четвертом - при расширенной длине циклического префикса. При этом, в частотной области эти сигналы разносятся на фиксированную величину. Ниже на рисунке приводится схема ресурсного блока с указанием ресурсных элементов, в которых передаются пилотные сигналы при стандартной длине циклического префикса.



При восходящей передаче используют те же понятия ресурсного блока и подкадра. При этом выделение ресурса пользовательским устроствам происходит на всю длительность подкадра.



Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на alexey.anisimov86@gmail.com. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.