LTE空口资源

前言

LTE空口资源具有时间、频率、空间三个维度，如图1所示。时域上，LTE空口资源被划分为无线帧（Radio Frame，或称为系统帧，System Frame）、子帧（Subframe）、时隙（Slot）、符号（Symbol）（对于下行传输而言，其为OFDM符号；对于上行传输而言，其为SC-FDMA符号）等不同的时间颗粒度；频域上，LTE空口资源被划分为资源块（Resource Block）和子载波（Subcarrier）等不同的频率颗粒度；空间域上，LTE利用多天线传输和接收技术实现同一时频资源块在不同天线端口（Antenna Port）/层（Layer）上的空分复用。

图1. LTE空口资源示意图（信道带宽1.4 MHz，正常循环前缀） [1]

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注释：

1. 本文不考虑7.5 kHz的子载波间隔。该子载波间隔配置专用于MBSFN（Multimedia Broadcast multicast service Single Frequency Network）的多播/广播传输
2. 若无特别说明，下文相关内容同时适用于LTE下行传输和LTE上行传输，FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）和TDD（Time Division Duplexing，时分双工）
3. 本文内容主要基于Rel-10

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1. 时域

无线帧、子帧、时隙、符号的时间尺度和相互关系如图2所示，并总结如下：

时域资源	时间尺度	相互关系
无线帧	$T_{\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{e}}=307200T_{\mathrm{s}}=10\mathrm{m}\mathrm{s}$	一个无线帧由10个子帧组成
子帧	$T_{\mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{b}\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{e}}=30720T_{\mathrm{s}}=1\mathrm{m}\mathrm{s}$	一个子帧由2个时隙组成
时隙	$T_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{t}}=15360T_{\mathrm{s}}=0.5\mathrm{m}\mathrm{s}$	一个时隙由6个或7个符号组成
符号	\	一个符号由循环前缀（Cyclic Prefix，CP）和可用的符号时间组成

其中，$T_{\mathrm{s}}$是LTE定义的一个基本的时间单位，其值为$$T_{\mathrm{s}}=1/(15000\times 2048)=1/30720000秒$$15000表示子载波的间隔是15 kHz，2048表示采样点个数。因此，该时间单位可以看作是基于FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）且FFT大小等于2048的发射机/接收机的采样时间 [2]。

图2. 时域结构（以LTE下行传输为例） [2]

 

1.1 无线帧

• 一个无线帧长度为10 ms（$307200T_{\mathrm{s}}$），是LTE空口资源在时域上的最大时间单位。LTE上下行传输都被组织成无线帧。
• 每个无线帧由10个子帧组成 。
• 无线帧的编号（System Frame Number，SFN）范围为0~1023，用$n_f$表示 。

1.2 子帧

• 一个子帧的长度为1 ms（$30720T_{\mathrm{s}}$）。
• 每个子帧由2个时隙组成（不包括特殊子帧）。
• 一个无线帧内，子帧的编号范围为0~9，用$\lfloor n_s/2\rfloor$。$n_s$为一个无线帧内时隙的编号。

1.3 时隙

• 一个时隙的长度为0.5 ms（$15360T_{\mathrm{s}}$）。
• 每个时隙由6个或7个符号组成，其取决于循环前缀（CP）的长度和子载波的间距（第2节会介绍子载波），我们用$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}$和$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{U}\mathrm{L}}$表示每个时隙包含的符号数。
• 一个无线帧内，时隙的编号范围为0~19，用$n_s$表示。

1.4 符号

• 每个符号由循环前缀（CP）和可用的符号时间组成（具体我们会在下面帧结构部分予以详细介绍）。
• 一个时隙内，符号的标号范围为0~5 或 0~6，用$l$表示。

下面，我们结合帧结构详细介绍上述概念。

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LTE支持2种无线帧结构：

(1) 帧结构类型1

帧结构类型1用于FDD：上下行数据在不同的频率内传输，使用成对频谱，支持全双工和半双工，如图3所示。

图3. 帧结构类型1 [2]

 
从上图3可以看出，FDD下，一个无线帧长度为10 ms（$307200T_{\mathrm{s}}$），其由10个子帧组成，而每个子帧又进一步由2个连续的时隙组成。

对于FDD而言，上下行传输是通过频域区分开的（图3并没有形象地显示帧结构类型1在频域上的结构）；在每个无线帧内，10个子帧都可用于上行传输和下行传输。

我们回到图2，每个时隙由6个（扩展循环前缀，extendedl cyclic prefix，简称extend CP）或7个（正常循环前缀，normal cyclic prefix，简称normal CP）符号组成（不考虑子载波间隔为7.5 kHz的情况）。对于正常循环前缀和扩展循环前缀而言，每个符号都由循环前缀和可用的符号时间（2048个 $T_{\mathrm{s}}$）组成，区别在于循环前缀的长度不同，如表1所示。

表1. 循环前缀长度 [2]

根据表1，我们来做个计算。对于正常循环前缀，有$[(160+2048)+(144+2048)\ast 6]T_{\mathrm{s}}=15360T_{\mathrm{s}}=0.5\text{ms}$；对于扩展循环前缀，有$[(512+2048)\ast 6]T_{\mathrm{s}}=15360T_{\mathrm{s}}=0.5\text{ms}$。可以看出，每个slot长度等于所有符号长度之和。

循环前缀的作用是消除符号间干扰（Inter Symbol Interference）和子载波间干扰（Inter Carrier Interference）。而定义两个循环前缀长度的原因在于：

• 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，如非常大的小区，可能会带来好处 [2]。
• 在基于MBSFN的多播/广播传输中，需要使用拓展的循环前缀。

另外需要注意的是，同一个无线帧内的不同子帧可能使用不同的循环前缀长度。

(b) 帧结构类型2

帧结构类型2用于TDD：上下行数据在同一频率内传输，使用非成对频谱，通过时域区分上下行传输，如图4所示。

图4. 帧结构类型2 [2]

 
从上图4可以看出，TDD下，一个无线帧长度为10 ms（$307200T_{\mathrm{s}}$），其由10个子帧组成（10个子帧又分为两个长达5 ms的半帧，half-frame），而每个子帧又进一步由2个连续的时隙（正常子帧）或者3个DwPTS、GP、UpPTS（特殊子帧）组成。和FDD有点区别的是，一是TDD中只有部分子帧用于上行传输，部分子帧用于下行传输，即通过时域区分上下行传输；二是TDD中的子帧包括正常子帧和特殊子帧（正常子帧和特殊子帧都是1 ms长度）。

TDD支持7种不同的上下行配置，对应不同的上下行配比，如表2所示。其中“D”表示一个下行子帧，"U"表示一个上行子帧，“S”表示一个特殊子帧。相应地，“D”和“U”对应的子帧也叫做正常子帧。

表2. TDD上下行配置 [2]

无论哪种上下行配置方式，子帧0、5只能用于下行传输，而紧随特殊子帧之后的子帧只能用于上行传输。此外，我们从表2的第2列可以看出，TDD上下行配置有5 ms和10 ms两种不同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。

我们再来看一下正常子帧和特殊子帧。TDD下的正常子帧结构与FDD下的子帧结构相同。TDD下的特殊子帧包含3个域：DwPTS、GP和UpPTS，三者长度相加等于1 ms，如图4所示。特殊子帧有9种不同的配置，对应不同的DwPTS和UpPTS长度（剩下的为GP长度），如表3所示。

表3. TDD下特殊子帧配置方式 [2]

DwPTS不可用作上行传输，但可用作下行传输，即可用于PDSCH的传输。但由于DwPTS的长度要小于正常子帧，所以其携带的数据量更少（约为正常下行子帧的0.75倍）。但需要注意的是，对于正常循环前缀下的特殊子帧配置0和5，和拓展循环前缀下的特殊子帧配置0和4来说，由于DwPTS长度太短，因此不能用于PDSCH的传输，如表3所示 [2]。

而UpPTS因为长度太短，不能用于PUSCH的传输，只能用于SRS或PRACH的传输 [2]。

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2. 频域

2.1 子载波

• 频域资源的基本单位。
• 上下行子载波间距均为15 kHz，即$\Delta f$=15 kHz（不考虑子载波间隔为7.5 kHz的MBSFN的情况）。
• 对应每个符号内可用的时间为2048 $T_{\mathrm{s}}$，近似为66.7 us。

2.2 RB

• 由12个子载波组成（这里的RB专指频域上的信息，和下面要介绍的资源网格中的RB含义不同，很多论文也是混着使用RB的概念）。
• 用$N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}$表示每个RB包含的子载波数。

2.3 系统带宽

• 所有可用的频域资源。
• 上下行系统带宽分别用$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{U}\mathrm{L}}$和$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}$表示，单位为RB。
• 其与信道带宽的关系如表4所示。
• eNodeB通过MIB告知UE小区所使用的下行系统带宽，通过SIB2告知UE小区所使用的上行系统带宽（对TDD而言，eNodeB无需通过SIB2中的相关字段告知UE小区所使用的上行系统带宽，因为其上下行的系统带宽是相同的）。

表4. 信道带宽与系统带宽的对应关系 [2]

从表4可用看出，LTE的带宽利用率在90%左右。例如，20 MHz信道带宽的情况下，传输带宽为100个RB，$100\ast 12\ast 15\text{kHz}/20\text{MHz}=0.9$。

下面，我们结合资源网格详细介绍上述概念。

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资源网格

一个时隙上传输的信号可以描述成一个或多个频域上包含$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}$（$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{U}\mathrm{L}}{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}$）个子载波，时域上包含$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}$（$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{U}\mathrm{L}}$）个符号的时频资源网格（Resource Grid）。如图5所示，LTE下行时频资源网格。

图5. 下行时频资源网格 [2]

资源网格上的每个元素称为一个RE（Resource Element）：

• RE是LTE中最小物理资源，其包含频域上一个子载波及时域上一个符号。
• 一个RE可存放一个调制符号（Modulation Symbol），该调制符号可使用QPSK（对应一个RE存放2比特数据）、16QAM（对应一个RE存放4比特数据）或64QAM（对应一个RE存放6比特数据）。另外需要注意的是，调制符号有时也称符号，其强调的是放在一个RE上的数据，而上面介绍的符号强调的是时域上的概念，而非数据。
• RE通过$(k,l)$唯一指定，其中$k=0,...,N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}-1$，对应频域上每个子载波的索引；$l=0,...,N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}-1$，如图5所示。
• 天线端口$p$上索引为$(k,l)$的RE对应的值用$a_{k,l}^{(p)}$表示。在没有指定天线端口或者不会引起误会的情况下，$p$可以省略。

时频资源块（RB）：

• 一个RB在频域上包含$N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}=12$个连续子载波，在时域上包含$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}$个连续的符号（即一个时隙长度），因此一个RB由$N_{\mathrm{s}\mathrm{y}\mathrm{m}\mathrm{b}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}\times N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}$个RE组成。具体地，对于正常循环前缀，每个RB包含$7\times 12=84$个RE；对于扩展循环前缀，每个RB包含$6\times 12=72$个RE。
• RB的索引范围为0~$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{D}\mathrm{L}}-1$。频域上RB索引$n_{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{B}}$与一个时隙上索引为$(k,l)$的RE的对应关系为$n_{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{B}}=\lfloor k/N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}\rfloor$。

需要注意的是，这里介绍的RB和上面时域部分介绍的RB不同：时域部分介绍的RB，专指频域上的信息，即1个RB包含12个子载波；而这里的RB即包含了频域上的信息（12个子载波），也包含了时域上的信息（1个时隙）。

另外需要注意的是，LTE中调度的基本单位是一个子帧（即1 ms，2个时隙），称为TTI。一个TTI内调度的最小单位实际上由同一子帧内在时间上连续的两个RB组成，称为RB对（RB Pair）。

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3. 空间域

LTE中，空间维度是以层来度量的，并使用多天线传输和接收技术实现。每层对应一条有效数据流，并映射到逻辑上的天线端口。每个天线端口对应一个时频资源网格（如图1所示），并对应一个参考信号（Reference Signal，RS），以便接收端进行信道估计 [2]。

通俗一点讲，每个时频资源上可以同时存在多层，即同时传输多条数据流。这种空间维度的时频资源的复用可以显著提高频谱资源的利用率。

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注释：
天线端口是一个逻辑概念，其与物理天线并非一一对应，而与LTE下行链路参考信号一一对应。一个天线端口可以是单个物理发射天线，也可以是多个物理天线的组合。例如，如果多个物理天线传输同一参考信号，那么这些物理天线对应同一个天线端口；而如果一个物理天线传输两个参考信号，那么这个物理天线就对应两个独立的天线端口 [3]。

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Reference

[1]: LTE - The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, 2nd Edition

[2]:《深入理解LTE-A》第二版

[3]: https://blog.csdn.net/m_052148/article/details/51360400