LTE物理传输资源（3）-时频资源

在博文《LTE物理传输资源（1）-帧结构和OFDM符号》里提到了LTE的帧结构和时域上的OFDM符号，本文继续这个话题，继续描述子帧和时隙结构里的其他内容。

1.资源粒度

为提高终端的功率效率，延长电池的续航时间，以及设备成本上的考虑，LTE上行链路采用SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access，单载波频分多址）技术。在时域上，最小的资源粒度是一个OFDM符号（上行是SC-FDMA符号。下文统一称为OFDM符号）。在频域上，最小的粒度是一个子载波。一个OFDM符号与一个子载波组成的一个时频资源单元，叫做RE（Resouce Element）。物理层在进行资源映射的时候，是以RE为基本单位的。一个时隙内所有的OFDM符号与频域上12个子载波组成的一个资源块，叫做RB（Resource Block），LTE资源调度就是以RB为基本单位的。

循环前缀（CP，Cyclic Prefix）的长度影响着一个时隙（Slot）内OFDM符号的个数。一个时隙内包括的OFDM符号总个数是N_symb个：CP类型为Normal时，N_symb=7；CP类型是Extended类型，N_symb=6。因此，如果是Normal CP类型，那么1个RB由12*7=84个RE组成；如果是Extended CP，那么1个RB由12*6=72个RE组成。

系统可以使用的子载波个数与信道带宽有关：带宽越大，包括的子载波个数就越多。带宽内包括的子载波总个数是（N_RB*N_RB_sc=12*N_RB）个，其中，N_RB_sc值固定等于12（见上面的表格），N_RB与带宽相关，取值如下：

对于整个带宽来说，如果当前带宽占用N_RB个RB块（RB从0开始标识，标识的范围是：0，1，2，...，N_RB-1），那么占用的子载波个数就是N_RB*N_RB_sc=12*N_RB个。比如20MHz带宽，能够传输数据的子载波个数=12*100=1200个。

下图是一个CP类型为Normal的上行时隙Tslot在整个带宽内的展开图（下行时隙的结构与上行相同）。

 

上图中的横坐标是时域，以SC-FDMA符号个数L为基本单位，每个时隙包括7个SC-FDMA符号。纵坐标是频域，以子载波个数K为基本单位。对于一个坐标为（k,l）的RE来说，它所属的RB号n_pRB等于（k/12）向下取整的值，比如k=13，那么该RE所属的RB号是（13/12）=1。

2.频域结构

还记得博文《LTE物理传输资源（2）-频带、信道带宽和频点号EARFCN》中载波中心频点Fc的概念吗？在那篇文章里并没有提及上行和下行载波中心频点的不同，这里尝试做下说明。

在LTE下行链路中，存在着一个不用的直流子载波，位于载波中心频率，所以下行载波个数实际上是（12*N_RB+1）个。之所以不用这个直流子载波承载用户数据，是因为无论收发哪一方，它的变频器件都存在着固有的本振泄漏，但终端一般采用的是零中频接收方案（结构简单成本低），因此无论基站侧的射频怎么发送，终端接收的时候都会在直流子载波处产生一个较强的噪声，因此该处不适合传输用户数据，故空出一个子载波。

在LTE上行链路中，因为上行采用的是SC-FDMA，需要使用连续的子载波承载用户数据，不能像下行链路那样跳过一个DC子载波，这就需要基站侧接收的时候不能采用零中频方案，而要采用非零中频方案。因此，上行链路不能也不会增加一个不用的直流子载波，故载波中心频率位于两个上行子载波之间，上行载波总个数是（12*N_RB）个。如下图所示。

既然子载波个数这么多，这里就有个代码实现的问题：UE在初始接入的时候，怎么来获取当前载波的中心频率？当然一个可能的方法是，让UE盲检测当前支持频段下的所有子载波，然后依次检测PSS和SSS，如果能找到PSS和SSS，则就找到了中心频点，但这样的缺点是扫频时间较长。还记得博文《LTE物理传输资源（2）-频带、信道带宽和频点号EARFCN》中提到的中心载波频率Fc与载波频点号EARFCN之间的固定关系吗？即：

这个公式隐式传达了一个信息：每个载波频率之间的间隔是0.1MHz即100KHz。也就是说，不是所有的子载波都可以用来做载波的。UE只需要对可能存在中心频点的子载波进行盲检测查找PSS和SSS就可以了。比如，初始接入时一个可能的方法是终端依次将EARFCN=0，1，2，...代入公式，得到若干个间隔为100KHz、可能是中心载波频率的备选集合，然后依次对这些备选频率进行检测，最后根据终端厂家自己的算法，获取真实的那个中心载波位置。对于曾经扫过频点的终端，则可以保留历史频点信息，后续优先对这些载波频点进行检测，这样就可以提高扫频速度。

3.下行子帧结构

下行的每个子帧分为控制区域和数据区域。控制区域位于每个下行子帧第一个时隙的前1~4个OFDM符号（注：一般是1-3个符号，只有在1.4MHz带宽的时候才可能出现4个OFDM符号），用于传输下行L1/L2控制信令。这些承载在控制区域的L1/L2控制信令，对应3种不同的物理信道类型：

（1）物理控制格式指示信道（PCFICH，Physical control format indicator channel），指示终端当前子帧的控制区域占据了几个OFDM符号，范围是1~4，不同的子帧该值可能不同。在相同的子帧时刻，小区内所有终端获取的该值是相同的。

（2）物理下行控制信道（PDCCH，Physical downlink control channel），用于传输上下行资源调度分配的信令。PDCCH信道既可以给1个终端，也可以给多个终端发送相关信令。比如，某个子帧时刻，eNB只给一个UE分配了资源，而下个子帧时刻给2个UE分配了资源。不同终端从PDCCH信道中获取的信息可能不同，也可能相同。比如，CRNTI加扰的信息，不同终端解码获取的信息不同，而用TPC-RNTI加扰或者RA-RNTI加扰的信息，不同终端获取的内容就可以是相同的。

（3）物理混合ARQ指示信道（PHICH，Physical hybrid-ARQ indicator channel），用于传输上行数据的HARQ确认信息。每个终端对应不同的PHICH位置，因此获取到的ACK应答内容也不同。

之所以将控制区域放在子帧的开始部分，一方面是终端可以尽快的解码出相关调度信息，从而可以在当前子帧还没有结束的时候就开始下行数据的解码工作，减少了下行数据传输的时延。另一方面，终端在子帧开始的几个符号就检测出调度信息，就可以知道本终端有没有在该子帧被eNB调度，如果没有被调度，或者说没有属于本终端的信息，就可以不需要在当前子帧接下来的时间内接收下行数据，或者直接关闭接收电路，以减少终端功率的消耗。

PCFICH、PDCCH、PHICH信道的位置如下示意图所示。接下来的几篇文章，将继续写这几个信道的相关内容。

FDD制式，1.4MHz带宽：

TDD制式，1.4MHz带宽：

参考文献： 

（1）3GPP TS 36.101 V10.21.0 (2016-1) User Equipment (UE) radio transmission and reception 

（2）《4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》

（3）http://dhagle.in/LTE