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  • 2020-01-03 11:02:06
    本文链接: https://blog.csdn.net/zzsfqiuyigui/article/details/9091363

      frame structure时就给出一个时间单元Ts=1/(15000*2048),这个值是根据什么给出来的?其中的15000和2048个有什么特定含义吗?首先确定子载波间隔为15000Hz,所以OFDM符号长度是1/15000秒,固定每子载波带宽为15K;20M带宽有效子载波为1200个,即有效带宽15k*1200=18M(20M是因为有2M的过度带);为了最近FFT点数的需要,离1200最近的2的n次方,就是2048点。其他带宽按照上述方法可以计算得到,15M为1024点,10M带宽为1024点,5M为512点

    所以FFT点数为2048,采样间隔=时间/点数=1/15000/2048=1/(15000*2048),直接从采样时间间隔来说明,也可以这样理解,从符号时间长度来推算:

    OFDM符号周期,即一个OFDM符号持续时间Tsymbol=1/15000s=66.7us,也可以这个计算:
    7个OFDM符号的持续时间=0.5ms(1个slot)-160*Ts-6*144*Ts
    所以,1个OFDM符号的持续时间Tsymbol=0.5ms(1个slot)-160*Ts-6*144*Ts=66.7us
    还有可以从另一个角度理解Ts的计算:
    Ts表示采样周期,即采样一次所用时间或采样时间间隔,1个subframe为1ms,1个slot包含7个OFDM符号,一个采样点为160的CP,6个采样点为144的CP。其中一个OFDM符号采样点为2048(20M带宽)那么:

     

    Ts=0.5ms/(2048*7+160+144*6)=1/30720(ms)

    按调制方法不同,每个re可以是2,4,6个bits,以20mhz带宽为例,每个符号1200个re,最多数据为1200*6bit,

    对于OFDM符号抽样的点数一般是2的n次个,便于计算机处理。理论上是频域的采样点数要大于或等于时域离散信号的个数才不会有信息的丢失。  
    2048点是IFFT的采样点数,为了便于计算机处理,要求点数必须是2的次幂,IFFT是将频域信号往时域信号变换,1200个子载波可以看成是连续的频域信号,通过IFFT变成时域信号,但是点数不是2的次幂,然而,要保证变换后不能有信息丢失,所以必须采用2048>1200点,其中1200点传输有用信息,剩下的点默认为零,就是2048点,即代表2048个子载波,在空口传输之前要经过滤波器,只将携带有用信息的信号发射出去,接收端收到已有再做还原,即将另外的点数补上(因为没有信息量,所以为确知信号)因此确定FFT采样信号带宽为30.72M;时域采样周期Ts=1/30.72M=32.55ns,通过FFT转换成频域信号再做检测。 30.72MHz是振荡器最常用的频率,在手机、石英钟常用的信号发生器抽样的频率。个人认为,是一种规范的统一。

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    版权声明:本文为博主原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。
    本文链接: https://blog.csdn.net/m_052148/article/details/51305338

    写完上一篇博文《LTE小区搜索-物理小区ID和同步信号PSS、SSS》之后,本想继续写系统信息相关内容的,但发现写的时候必不可少的要涉及PDCCH、PHICH等内容,而这些内容目前还没有系统的写。所以接下来的几篇博文,将写一些需要掌握的LTE背景知识。

    本文描述的是LTE的帧结构相关内容。

    关于帧结构,之前的博文里零散的提到过一些,比如博文《LTE-TDD随机接入过程(2)-前导码Preamble的格式与时频位置》,里面在讲解前导码格式的时候,提到了每个子帧的长度是30720Ts,以及不同的上下行子帧配置时,下行、特殊子帧、上行的配比。本文综合整理一下这些内容。

    1.基本时间单位

    在LTE里,无论是FDD还是TDD,它的时间基本单位都是采样周期Ts,值固定等于:


    其中,15000表示子载波的间隔是15KHz,2048表示采样点个数。除了15KHz的子载波间隔之外,3GPP协议实际上还定义了一个7.5KHz的载波间隔。这种降低的子载波间隔是专门针对MBSFN(Multimedia Broadcast multicast service Single Frequency Network)的多播/广播传输的,且在R9协议中只是部分给出了实现,因此本博客除非特别说明,都将默认子载波间隔是15KHz。

    2.FDD帧结构

    协议上对LTE-FDD的帧结构模式,一般又称为Frame structure type 1,这里为了指代明确,还是称呼为FDD帧结构。

    在FDD里,每个无线帧(radio frame)的长度Tf=307200*Ts=10ms,由20个时隙(slot)组成,每个时隙长度Tslot=15360*Ts=0.5ms,按照0到19进行周期循环编号。每个子帧(subframe)由2个连续的时隙组成,按照0到9进行周期循环编号,因此1个无线帧由10个子帧组成,无线帧的周期是1024。

    在FDD里,每个无线帧的10个子帧都可以传输下行,也都可以传输上行,上下行在不同的频域中分别进行。在半双工的FDD模式下,UE不能在同一个子帧里既发送数据又接收数据,而在全双工的FDD模式下,UE则没有这个限制,在同个子帧里可以同时发送和接收数据。

    下面是FDD制式的帧结构示意图。


    3.TDD帧结构

    协议上对LTE-TDD的帧结构模式,一般又称为Frame structure type 2,这里为了指代明确,还是称呼为TDD帧结构。

    在TDD里,每个无线帧的长度Tf=307200*Ts=10ms,由2个“半帧”组成,每个“半帧”的长度等于5ms,由5个连续的子帧组成,每个子帧长度等于1ms。除了特殊子帧,每个子帧由2个连续的时隙组成。特殊子帧固定在1、6号子帧,由DwPTS(下行导频时隙)、GP、UpPTS(上行导频时隙)组成。同样的,1个无线帧由10个子帧组成,无线帧的周期是1024。

    下面是TDD制式的帧结构示意图。



    相同的子帧在不同的上下行配置(Uplink-downlink configuration)时,可能会发送不同方向的数据。下图是各种上下行子帧配置下,所有子帧发送数据的方向。D表示该子帧只能发送下行数据,U表示该子帧只能发送上行数据,S表示特殊子帧,一般用作下行数据发送。UL/DL configuration参数来自于RRC层的SIB1消息(36331协议),具体参数路径是:SystemInformationBlockType1->tdd-Config->TDD-Config->subframeAssignment,详见博文《LTE-TDD随机接入过程(2)-前导码Preamble的格式与时频位置》。


    下行-上行切换周期与10ms内特殊子帧的个数有关,计算方式参考下图。

    本质上DwPTS可作为一个常规的下行子帧使用,只是调度的时候有效的RB仅为普通下行子帧的0.75倍,因此传输的数据量较小。一般在讲上下行子帧配比的时候,是将特殊子帧作为下行子帧考虑的。下图所示的就是TDD制式下,各种子帧上下行配比关系。而UpPTS由于时间太短,不用于数据传输,可用作随机接入PRACH(还记得随机接入的DCI格式4吗?请再看一遍文章《LTE-TDD随机接入过程(2)-前导码Preamble的格式与时频位置》)。


    特殊子帧的时长与特殊子帧配置相关,如下图所示。关于特殊子帧配置(Special subframe configuration参数),参考博文《LTE-TDD随机接入过程(2)-前导码Preamble的格式与时频位置》。下文会结合OFDM符号长度再说这个表格。


    4.OFDM符号

    LTE的每个时隙由包括循环前缀CP)在内的一定数量的OFDM符号组成。除了CP之外的OFDM符号时间称为有用的OFDM符号时间,时长为Tu=2048*Ts=66.7us。若系统是Normal CP类型(普通CP类型),则每个时隙包括7个OFDM符号,若是Extended CP类型(扩展CP类型),则每个时隙包括6个OFDM符号。对于Normal CP类型,每个时隙第一个OFDM符号前部的CP长度是160*Ts,其他的CP长度是144*Ts,第一个符号长度不同的原因仅仅在于为了填满0.5ms的时隙。对于Extended CP类型,每个CP的长度是512*Ts。如下图所示。


    我在博文《LTE小区搜索-物理小区ID和同步信号PSS、SSS》的末尾给出了2张PSS和SSS的位置图,从图中可以看到,下行CP类型是Normal CP类型。从该博文中,也可以知道,检测到PSS/SSS同步信号之后,UE就获知了下行CP类型,而上行CP类型是RRC的ul-CyclicPrefixLength字段下发给UE的,如下图所示。

    5.特殊子帧占用的OFDM符号个数

    结合前文特殊子帧中DwPTS、UpPTS的长度以及每个OFDM符号的长度,可以得到特殊子帧中各部分占用的OFDM符号个数,如下图所示(只列出部分配置,其他配置类似可以画出)。



    关于特殊子帧中UpPTS占用OFDM符号个数的计算:

    对于上下行都是Normal CP来说,因为UpPTS肯定不在时隙的第一个符号,因此对于UpPTS来说,每个OFDM符号占用的时长是2192Ts(2048+144)。所以:对于时长是2192Ts的UpPTS,那么只需要1个OFDM符号即可传输;对于时长是4384Ts的UpPTS,那么需要2个OFDM符号即可传输。同样的,对于上下行都是Extended CP来说,对于时长是2560Ts的UpPTS,那么只需要1个OFDM符号即可传输;对于时长是5120Ts的UpPTS,那么需要2个OFDM符号即可传输。

    6.PSS所处的OFDM符号位置

    协议36213提到:如果特殊子帧配置是0、5,且下行CP类型是Normal,或者特殊子帧配置是0、4,且下行CP类型是Extended,那么不能在该特殊子帧中发送PDSCH数据。

    For the special subframe configurations 0 and with normal downlink CP or configurations 0 and 4 with extended downlink CP, there shall be no PDSCH transmission in  DwPTS of the special subframe.

    下面分析一下为什么会有这个结论,原因是什么。

    下图是同步信号PSS和SSS的一种位置示意图。从图中可以看到,这是个TDD制式,且下行CP类型是Normal CP类型。SSS位于子帧0、5的最后一个OFDM符号,无论是哪种上下行子帧配置,0、5子帧始终是下行子帧。PSS位于子帧1、6的第三个符号,而1、6子帧始终是特殊子帧,那么这里需要确保PSS不会落到GP甚至UpPTS中。

    从前文的“特殊子帧时间长度”表格中可以看到,DwPTS的长度是由特殊子帧配置(Special subframe configuration)决定的,范围从6592Ts26336Ts不等。而对于Normal CP时,每个时隙前三个OFDM符号的总长度(含循环前缀CP)=(160+2048+144+2048+144+2048)Ts=6592Ts。也就是说,无论是哪种特殊子帧配置,位于特殊子帧第三个符号上的PSS,总会落在DwPTS中,而不会落到GP甚至UpPTS中。

    那么问题来了,如果特殊子帧配置是0或5,且下行是普通CP类型时,DwPTS的时长就是6592Ts(见前文表格),那么这个时候就没有办法在特殊子帧中发送下行数据了。所以,有时候更换了特殊子帧配置,也会影响下行的流量(还记得GAP配置也会影响下行流量吗?参考《LTE-TDD资源调度(3)-测量GAP》)。

    再来看看扩展CP的情况。当下行CP是扩展CP时,DwPTS的长度范围从7680Ts25600Ts不等。每个时隙前三个OFDM符号的总长度(含循环前缀CP)=(512+2048)*3Ts=7680Ts。同样的,此时无论是哪种特殊子帧配置,位于特殊子帧第三个符号上的PSS,也总会落在DwPTS中,而不会落到GP甚至UpPTS中。同理,如果特殊子帧配置是0或4,且下行是扩展CP类型时,DwPTS的时长是7680Ts(见前文表格),这个时候是没有办法在特殊子帧中发送下行数据的。

    参考文献:

    (1)3GPP TS 36.211 V9.1.0 (2010-03) Physical Channels and Modulation

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

    (3)http://www.sharetechnote.com/

    (4)3GPP TS 36.213 V9.3.0 (2010-09) Physical layer procedures

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    一个OFDM符号到底含有多少bit数据?
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    对于LTE来说,资源的最小调度单位是RB,频率上每个RB有12个Carrier组成,时域上每个RB有1个Slot,Normal CP(常规CP)下,1个Slot由7个Symbol组成。
    一个ODFM符号所承载的信息量=Sum(各个子载波上调制符号承载的信息量),每个子载波的调制方式可以不同,也就是调制符号承载的比特数是不同的。以调制效率最高的64QAM为例,20M带宽有1200个子载波,一个ODFM符号最高可承载7200比特的信息。其他情况就自己推算吧。
    按资源块分,再乘以调制方式
    一个符号对应多少bit,取决于采用哪种调制方式(无线环境决定调制方式)。
    如果采用QPSK,每个符号对应2bit;
    如果采用16QAM,每个符号对应4bit;
    如果采用64QAM,每个符号对应6bit;

    1个RB在频域上对应12个子载波
    OFDM技术中,符号依然很重要,这时引入了一个新的符号类型:OFDM符号。OFDM符号是IFFT变换后的结果,不光代表着不同幅值,而且代表着一段波形,在CDMA中,符号代表着信号的不同幅值
    如果一个OFDM符号有M个子载波,mi是第i个子载波在一个OFDM符号周期内传送的比特数,那么,一个OFDM符号周期内总的比特数为:M乘以mi ,mi由各子载波根据频率选择性信道的特点采用不同的调制方式来决定。
    OFDM符号,从时域角度讲,一个时隙下有7个OFDM符号(常规CP),或6个OFDM符号,如果在MBSFN情况下,有3个OFDM符号。
    LTE在20M带宽情况下减去2M的隔离带即18M
    每个RE上承载的bit数目取决于调制方式:
    调制方式: 64QAM 16QAM QPSK BPSK
    bit数目: 6 4 2 1
    RB数目取决于带宽:
    带宽[MHz] 1.4 3 5 10 15 20
    RB数 6 15 25 50 75 100

    LTE使用了OFDMA技术,在使用OFDMA技术的系统中,用户在下行方向相互隔离,每个用户拥有自己的时域和频域资源,这些资源被称为调度块。
    你这里说的保护间隔应该是循环前缀吧,可以避免符号间串扰。首先,OFDM在频域上有N个子载波组成,将这N个子载波数据经过IFFT变换转换成时域的数据(实际传输是在时域的波形);为了避免符号间串扰,在每个时域波形前增加一小段波形,这一小段波形就是之前时域波形末尾的一段(由于复制了时域波形并放在前面,所以称为循环前缀CP)。

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    % sequence1为频域数据,PN5120为长度为5120的有效数据,总长度为8192 
    sequence1 = [zeros(1,1536), PN5120.', zeros(1,1536)];
    % 频域搬移,使得有效信号处于低频部分
    sequence1_ifftshift = ifftshift(sequence1);
    % IFFT变换和变换后能量放缩
    sequence1_ifft = ifft(sequence1_ifftshift,8192)*sqrt(8192);
    

    2、OFDM系统 LS信道估计

    Matlab示例

    % rainsequence1 为接收时域训练符号,RX_UW1_为接收频域训练符号
    RX_UW1_=fft(trainsequence1.',8192)/sqrt(8192); 
    % 频带搬移
    RX_UW1 = fftshift(RX_UW1_);
    % UW为本地时域训练符号,up_sampling为系统上采样函数,sampling_mult(上采样倍数)设置为1则对信号无操作;TX_UW_为本地频域训练符号
    TX_UW_=fft(up_sampling(UW,sampling_mult).',8192)/sqrt(8192);
    % 频带搬移
    TX_UW = fftshift(TX_UW_);
    % LS估计出的信道频域特性,[537:6656]为一倍上采样位置,其它上采样倍数对应频域中间5120个频点
    H_esti1=RX_UW1(1537:6656)./TX_UW(1537:6656);
    % 信道冲击响应
    h_estiMean=ifft(H_esti1,5120);
    

    微信公众号:通信随笔XIDIAN

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