07 TM51177EN02GLA01 LTE Physical Channels Part2
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huawei...
Description
LTE Physical Channels and Procedures
LTE Phy Physi sical cal Chann Channeels and Pro rocedur cedurees
Contents 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 10 10.1 10.2 10.3 10.4
148
LTE UL Transmission LTE Uplink Transmission Overview Physical UL Control Channel Physical UL Shared Channel UL Demodulation Signal UL Sounding Reference Signal PHlCH Physical HARQ Indicator Channel TDD Physical Channels Cell Search – TDD mode Initial Access for TDD mode DL Dransmission for TDD Mode UL Transmission for TDD Mode
150 153 157 173 176 193 204 209 221 225 229 232
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LTE Physical Channels and Procedures
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LTE Physical Channels and Procedures
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LTE Physical Channels and Procedures
9
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LTE UL Transmissio Transmis sionn
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LTE Physical Channels and Procedures
The mapping of transport channels and UL control information (UCI) to physical channels is a task of the physical layer (PHY). Furthermore reference signals are provided by the physical layer which do not transfer any higher layer information. Logical channel mapping is provided by the MAC layer. Physical channel for data and signalling from higher layers: - Physical Uplink Shared Channel, PUSCH. - Physical Random Access Channel, PRACH. Physical channels with UL control - related signalling: - Physical Uplink Control Channel, PUCCH. and signals with no information of higher layers: - Demodulation Reference Signals (DRS). - Sounding Reference Signal (SRS).
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LTE Physical Channels and Procedures
Upper Layers
RLC H C C C
H C C D
H C T D
MAC H C S L U
H C A R
U C I
PHY H C A R P
H C C U P
H C S U P
D R S
S R S
Air interface
Fig. 91UL Physical Channels
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LTE Physical Channels and Procedures
9.1
LTE Uplink Transmission Overview
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LTE Physical Channels and Procedures
Differences from DL Transmission (1/2)
• Questions: • What are the main differences •
P U C C H P U S C H
from the DL transmission ??
• Why?
UE eNodeB
• Answers (1/2): • No UL signalling indicating the transport format (like on PDCCH)
• This is because the UE always follows the NodeB scheduling • eNode-B has exact knowledge of the UL transport format
Fig. 92Differences from DL Transmission (1/2)
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LTE Physical Channels and Procedures
Differences from DL Transmission (2/2)
• Answers (2/2): • UL L1/L2 signalling is divided: • Control signalling in the absence of the UL user data -> sent on PUCCH (Physical UL Control Channel) • Control signalling in the presence of UL user data -> sent on PUSCH (Physical UL Shared Channel) •
→
Not possible to send PUCCH and PUSCH at the same time
• This
is because UL SC-FDMA is using single carrier
To
separate PUCCH and PUSCH in frequency -> destroy the single carrier feature
To
separate PUCCH and PUSCH in time -> impact on coverage (low coverage for both PUCCH and PUSCH)
Fig. 93Differences from DL Transmission (2/2)
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LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH and PUSCH Multiplexing
PUCCH
y c n e u q e r F
h t i w d n a B L U l a t o T
PUSCH
s r e i r r a c b u s 2 1
PUCCH
1 subframe = 1ms Time
Fig. 94PUCCH and PUSCH Multiplexing
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LTE Physical Channels and Procedures
9.2
Physical UL Control Channel
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LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Design (1)
• Challenge 1: Where should be PUCCH placed? Why? •
Achieve frequency diversity by using frequency hopping from one edge of the bandwidth to the other edge
•
PUCCH as a kind of guard band for the UL transmission (defining the maximum UL Transmission Bandwith)
•
Maximize the available PUSCH region for user data
• Solution:?? •
→
Placed at edge of the UL Bandwidth P U C C H UE eNodeB
Fig. 95PUCCH Design (1)
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LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Design (1)
PUCCH h t i w d n a B L U l a t o T
y c n e u q e r F
PUSCH
s r e i r r a c b u s 2 1
PUCCH
1 subframe = 1ms
Fig. 96PUCCH Design (1)
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LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Design (2)
• Challenge 2: Distinguish between different information on PUCCH •
PUCCH contains UCI = UL Control Information
•
UCI could indicate:
• Scheduling requests • HARQ ACK/NACK for DL transmission • CQI = Channel Quality Indicator •
How to distinguish between the different information on PUCCH? P U C C H
• Solution:?? •
Use several formats
→
UE eNodeB
Fig. 97PUCCH Design (2)
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Formats
PUCCH format
Modulation scheme
Number of bits per subframe
Type of information
1
N/A
N/A
Scheduling Request (SR)
1a
BPSK
1
ACK/ NACK
1b
QPSK
2
ACK/ NACK
2
QPSK
20
CQI
2a
QPSK+BPSK
21
CQI + 1 bit ACK/ NACK
2b
QPSK+BPSK
22
CQI + 2 bits ACK/ NACK
P U C C H
( SR , AC K , C Q I )
UE
eNodeB
Fig. 98PUCCH Formats
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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LTE Physical Channels and Procedures
Scheduling Request Indicator (SRI) on PUCCH Random
access like contention based mechanism Used
for UEs in connected mode Challenge: The Node-B cannot know when the UE like to sent one scheduling request The resource allocation could not be forseen
Solution -> use a contention based mechanism Procedure: 1.UE transmits a SRI (Scheduling Request Indicator) 2.eNodeB answers with an UL Scheduling Grant for a minimum assignment (e.g. 1 Resource Block) 3.UE sends the actual Scheduling Request and possibly some data Fig. 99Scheduling Request Indicator (SRI) on PUCCH
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
ACK/NACK on PUCCH
• The ACK/ NACK is used to acknowledge the Downlink Transport Blocks on the PDSCH • ACK/ NACK frequency and resource allocation could be foreseen based on the Node-B DL scheduling decisions (big resource allocation on PDSCH -> high frequency probability for ACK/NACK) • If nothing is received by the UE on PDSCH -> nothing is transmitted (DTX = Discontinuous Transmission) • ACK or NACK as information is using only 1 bit transmitted in 1 ms (subframe) – This bit could be either BPSK or QPSK modulated • ACK could be sent using: • Format 1a/1b – standalone (better P U C C H
PUCCH coverage with this option)
( AC K )
• Format 2a/ 2b – together with CQI
UE eNodeB
Fig. 100ACK/NACK on PUCCH
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LTE Physical Channels and Procedures
CQI on PUCCH
• One CQI has 10 bits (transmitted in one subframe = 1ms) • QPSK is used -> 20 bits in total are sent • PUCCH format 1 has only 2 bits maximum -> PUCCH format 2 should be used to transmit the CQI • CQI could be transmitted: • Standalone (format 2) • Together with ACK/NACK (format 2a/2b) P U C C H ( CQ I ) UE eNodeB
Fig. 101CQI on PUCCH
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Mapping of PUCCH Formats to the Physical Resources
The logical resources are noted with m as can be seen on the figure nPRB
UL
=
N RB
−
m
1
m
nPRB
=
0
=
=
1
m
=
0
3
m
=
2
m
=
2
m
m
=
0
m
=
=
m = 0 and 1 may contain formats 2/2a or 2b which are placed at the outermost resource blocks of the system bandwidth m = 2 and 3 may contain formats 1/1a or 1b
3 1
It can be seen that PUCCH defines the UL system bandwidth (in the figure the system bandwidth is shown as the maximum number of resource blocks)
Fig. 102Mapping of PUCCH Formats to the Physical Resources
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LTE Physical Channels and Procedures
Format 2/2a/2b
Format 2/2a/2b 2/2a/2b Format
Format 1/1a/1b
Format 1/1a/1b
PUCCH
y c n e u q e r F
L h t U i l w a d t n o a T B s r e i r r a c b u s 2 1
PUSCH
PUCCH 1 subframe = 1ms Time Format 1/1a/1b Format 2/2a/2b
Format 1/1a/1b Format 2/2a/2b
Fig. 103Mapping of PUCCH Formats to the Physical Resources
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH
• Challenge: There are scenarios in which the UE should sent SRI or ACK or CQI at the same time
• Solution: Multiplexing or dropping signalling data • Possible Scenarios for multiplexing • 1. SRI and CQI simultaneously – The scheduling request indicator SRI has higher priority -> only SRI will be sent so the CQI is dropped • 2. SRI and ACK/NACK and CQI simultaneously – The HARQ ACK will be sent on the SRI resources and the CQI will be dropped • 3. ACK/NACK and CQI simultaneously – It is possible to multiplex them together on the same subframe (1 ms)
Fig. 104SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH
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LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH L h t U i l w a d t n o a T B s r e i r r a c b u s 2 1
y c n e u q e r F
PUSCH
PUCCH 1 subframe = 1ms Time
ACK
ACK
DRS
DRS
DRS
ACK
ACK
ACK
ACK
DRS
DRS
DRS
ACK
ACK
CQI
DRS
CQI
CQI
CQI
DRS
CQI
CQI
DRS
CQI
CQI
CQI
DRS
CQI
1
2
3
4
1
2
4
5
0
5
0
6
ACK = Acknowledgment
3
6
Simbol number (normal CP)
CQI = Channel Quality Indicator DRS = Demodulation Reference Signals
Fig. 105SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Design (3)
• Challenge 3: What is the size in frequency of the overall PUCCH region? •
The size of the overall PUCCH region is dependent on:
•
1. For CQI (periodic) the resources are reserved in advance and depend on the number of UL scheduled UEs
•
2. For ACK/ NACK the number of resources is directly related with the size of the Downlink PDCCH region (1,2,3 symbols) which in turn is dependent on the number of the DL scheduled users
•
3. For SRI Scheduling Request Indicator the ressources are allocated on the need basis
• Solution:?? •
Variable dependening on available bandwith and amount of signalling →
Fig. 106PUCCH Design (3)
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169
LTE Physical Channels and Procedures
Size in Frequency of the Overall PUCCH Region
• The overal number of the Resource Blocks used in UL is configured by higher layer parameters • The UE knows the parameters from the system information • Main parameters used: • 1. Maximum Resource Blocks used in one time slot (0,5 ms) – The actual size is dependent on the cell load (scheduling decision) • 2. Number of Resource Blocks reserved for CQI periodic reporting • 3. Number of cyclic shifts reserved for the formats 1/1a/1b – – This parameter is used with shared PUCCH resource blocks between formats 1/1a/1b and 2/2a/2b
Fig. 107Size in Frequency of the Overall PUCCH Region
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH Design (4)
• Challenge 4: The resource allocation for PUCCH is too big for only one UE •
The resource allocation for one user = 1 resource block (12 subcarriers in 1 ms)
•
This may be too big for the transmission of the signalling associated to only one UE (ACK/ Resource Request/ CQI)
•
Multiple UEs could be multiplexed on the same resource block
•
This in turn brings a new challenge: How can multiple terminals share the same PUCCH resource block??
• Solution:?? •
P U C C H
Multiple UEs may share the same
→
• resource block
UE eNodeB
Fig. 108PUCCH Design (4)
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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171
LTE Physical Channels and Procedures
Multiplexing of UEs on PUCCH How to separate multiple UEs on PUCCH ??
Solution? UE1
UE2
UE3
1. FDM – frequency division multiplexing • This is because one UE may take one resource block and other users ma y take different resource blocks • Naturally happening because of the PUCCH structure 2. CDM – code division multiplexing • Using CAZAC = Constant Amplitude Zero Autocorrelation Codes • Orthogonal codes (cell specific length 12 sequence used) • Used to multiplex multiple users on the same resou rce block • Code orthogonality may be affected by the “near-far” problem
Fig. 109Multiplexing of UEs on PUCCH
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172
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
9.3
Physical UL Shared Channel
TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
173
LTE Physical Channels and Procedures
PUSCH Physical Uplink Shared Channel
• Content: • User data from UL-SCH
P U S C H
• L1/L2 control information:
• ACK/NACK for HARQ
U E
eNode B
• CQI • Precoding Matrix Indicator (PMI) • Rank Indicator (RI)
• Challenge: How to multiplex UL user data and different control fields?
Fig. 110PUSCH Physical Uplink Shared Channel
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
1ms subframe
PUSCH
Slot 0
Slot 1
UL-SCH CQI/PMI
M , A K Q S 4 P 6 Q / 6 1
X U M
RI
A M D F C S r o f T F D
ACK
s r e i r r a c b u s 6 3
CQI = Channel Quality Indication PMI = Precoding Matrix Indicator
0 1
RI = Rank Indicator
2 3
CQI/PMI
PUSCH
4
5 6
0 1
2 3 4
5
6
SC-FDMA symbols
ACK = Acknowledgment used for HARQ
RI
PUSCH RS
ACK
Fig. 111PUSCH
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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175
LTE Physical Channels and Procedures
9.4
176
UL Demodulation Signal
TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Uplink Reference Signals
UE
eNodeB
Fig. 112Uplink Reference Signals
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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177
LTE Physical Channels and Procedures
Demodulation Reference Signals DRS
• Associated with PUCCH and PUSCH data transmission – Basically the same structure for both PUCCH DRS and PUSCH DRS – The main differences are the allocated bandwidth and the timing • Used for channel estimation: – For coherent detection and demodulation
D R S
– Power control in UL – Timing estimation
U E
eNode B
• Like DPCCH (Dedicated Physical Control Cha nnel) in UL in UMTS
Fig. 113Demodulation Reference Signals
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178
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (1)
•
Challenge 1: Is it possibile to use the same structure for the reference signals like in DL?
• •
Remember the “grid-like” structure of the reference signals in the DL But in UL there are some other issues to consider: – The variations in UL transmission power should be kept as low as possibile – Maximise the power available for data transmission (for coverage reasons) Therefore:
•
– It is not suitable to multiplex in time and frequency the user data and the reference signals – Some SC-FDMA symbols will be reserved for the transmission of the UL reference signals
•
Solution:??
•
In UL the reference signals are time multiplexed with the data transmission of the same terminal →
Fig. 114Design of Demodulation Reference Signals DRS (1)
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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179
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (2) • Challenge 2: What should be the position of the DRS? •
Time domain:
•
For PUCCH: the number and the exact position of the DRS is dependent on the format (1/1a/1b or 2/2a/2b) used
•
For PUSCH: every 4th symbol in every time slot (the 3rd symbol for the extended cyclic
•
prefix) •
Frequency domain:
•
DRS has the same bandwidth like
•
the UL transmission of the terminal
c e o u r R e s c k B l o
Fig. 115Design of Demodulation Reference Signals DRS (2)
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180
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Subframe 1
Subframe 0 Slot 1
Slot 2
No DFT spreading ! 0 0
X0RS X1RS
Frequency-domain reference signal
r o t a l u d o M M D F O
Sequence M = sequence length
XM-1RS
s r e i r r a c b u S 6 3
0 0
SC-FDMA symbol
PUSCH transmission
number
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 Normal CP
Demodulation reference signal
Fig. 116Uplink DRS Multiplexed with PUSCH
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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181
LTE Physical Channels and Procedures
PUCCH L h t U i l w a d t n o a T B s r e i r r a c b u s 2 1
y c n e u q e r F
PUSCH
PUCCH 1 subframe = 1ms Time
ACK
ACK
DRS
DRS
DRS
ACK
ACK
ACK
ACK
DRS
DRS
DRS
ACK
ACK
CQI
DRS
CQI
CQI
CQI
DRS
CQI
CQI
DRS
CQI
CQI
CQI
DRS
CQI
1
2
3
4
1
2
4
5
0
5
0
6
ACK = Acknowledgment
3
6
Simbol number (normal CP)
CQI = Channel Quality Indicator DRS = Demodulation Reference Signals
Fig. 117Uplink DRS Multiplexed with PUCCH
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182
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (3)
• Challenge 3: What should be the length of the DRS? •
Since the DRS is sent on the UL transmission bandwidth then the length should be variable
•
The minimum length should be 12 (minimum number of subcarriers in one resource block)
•
The length should be variable and support all the allowed number of resource blocks in UL
•
There are sequences of different length: – For BW = 12, 24, … 60 subcarriers – For BW > 60 subcarriers D R S
• Solution:?? •
→
UE
variable, multiple of 12
eNodeB
Fig. 118Design of Demodulation Reference Signals DRS (3)
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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183
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (4)
• Challenge 4: How many sequences for DRS? •
As many DRS sequences as possibile for every length to make as easy as possibile their allocation (network planning)
•
One limitation is commimg from the usage of the Zadoff-Chu sequences: the number of sequences should s hould be an integer number which should be a prime number relative to the sequence length – Example: for a sequence of length 36 there are 31 sequences (prime number)
•
For every length at least 30 sequences should be available (for bandwith bigger than 72 subcarriers more sequences could be available)
• Solution:?? •
→
at least 30 sequences available for every length
Fig. 119Design of Demodulation Reference Signals DRS (4)
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184
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (5)
• Challenge 5: How to separate the UEs in the same cell? •
Please note that in UL the transmission on PUSCH is orthogonal so normally there is no need to separate the DRS
•
coming from different terminals on the same cell
•
Scenarios where separation is needed:
1. UEs within the same cell simultaneously transmit •
on the uplink using the same frequency resource
•
→
•
UE1
UE2
interferences in PUCCH transmissions
UE3
2. Uplink multi-user MIMO
• Solution:?? •
apply different cyclic shifts to the same basic reference signal sequence →
Fig. 120Design of Demodulation Reference Signals DRS (5)
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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185
LTE Physical Channels and Procedures
The cyclic time shift is providing orthogonal sequences ! UE
0
e jα·0
X0RS
Basic
The
0
e j
·1
α
Sequence of length M
XM-1RS
e j
·(M-1)
α
0
shift is in time domain
Solve
r o t a l u d o M M D F O
X1RS
reference signal
specific cyclic shifts intra-cell interference!
The
parameters for the shift could be learned from the system information
0 Cyclic shifted reference signal sequences
Basic sequence
-α = kπ /6 (phase rotation parameter), where k ranges from 0 to 11 → up to 12 orthogonal reference signals could be generated
Cyclic shift of 1
Cyclic shift of 2
Fig. 121Cyclic Shifted Reference Signal Sequences
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186
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Design of Demodulation Reference Signals DRS (6)
• Challenge 6: How to separate the UEs in neighbour cells?
Simultaneous UL allocation in different cells may have the same bandwidth because of the independent independent allocation
This complicates the optimisation of the cross-correlat ion between cells eNodeB 1
eNodeB 2
Sequence group hopping UE1
UE33
UE2
UE4
Sequence group planning
UE63 UE5
Cyclic shift hopping
• Solution: •
based on sequence groups
→
Sequence hopping
Fig. 122Design of Demodulation Reference Signals DRS (6)
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LTE Physical Channels and Procedures
Parameters for the DRS Planning
1.
Sequence length (12, 24, … ) • Given by the UL allocation -> dependent on the allocated bandwidth • For PUCCH is 12 or 24 typically • For PUSCH could be much higher 2. Cyclic shift: 12 options • The cyclic shift in time of one sequence is generating another orthogonal sequence • -> UE and cell specific parameter • In practice 6 or more shifts could be used to avoid detection errors 3. The base sequence: 2 options • Multiple sequences could be derived from the base sequence (with the cyclic shift) • One base sequence per group if BW < 60 subcarriers • 2 base sequences per group if BW > 60 subcarriers • -> cell specific parameter 4. The sequence group: 30 options • This is the number of sequences available for every sequence length • -> cell specific parameter
Fig. 123Parameters for the DRS Planning
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LTE Physical Channels and Procedures
Cyclic Shift Hopping
• A cell specific cyclic shift is applied on top of the UE specific cyclic shift • Always used • Several possibilities -> different hopping pattern (based on the cell id 1..504) • PUSCH -> cyclic shift in every slot • PUCCH -> cyclic shift in every symbol
Fig. 124Cyclic Shift Hopping
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LTE Physical Channels and Procedures
Sequence Group Hopping
• A group hopping pattern defined • Same group hopping pattern to 30 cells in a cluster • 30 groups • 504 cell IDs • 504/30 = 17 sequence groups hopping patterns • Minimise the probability to use the same group at the same time in 2 neighbour cells
Fig. 125Sequence Group Hopping
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LTE Physical Channels and Procedures
Sequence Group Planning
Different
colours – Different root sequences D1,
D2, D3 – Different cyclic shifts of one root sequence
Fig. 126Sequence Group Planning
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LTE Physical Channels and Procedures
Sequence Hopping
• Hopping between the 2 base sequences • Only for resource allocation with Bandwidth > 60 subcarriers • Could be switched on/off • Used when the sequence group hopping is off
Fig. 127Sequence Hopping
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LTE Physical Channels and Procedures
9.5
UL Sounding Reference Signal
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193
LTE Physical Channels and Procedures
The SRS can be used for: initial Modulation and Coding Scheme (MCS) selection initial power control for data transmissions timing advance Frequency dependent scheduling for the UL
194
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LTE Physical Channels and Procedures
Why Demodulation References Signals cannot be used instead of SRS? The demodulation reference signals are only sent on the transmitted bandwidth! We need an estimation of the whole spectrum so the SRS may cover a different, often larger, frequency span than for example PUSCH (if they are transmitted together). The SRS is not necessarily transmitted together with any physical channel
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195
LTE Physical Channels and Procedures
Sounding Reference Signals Structure Subframe 0 Slot 0
Slot 1
No DFT spreading ! 0 0
Cyclic extension of Zadoff-Chu
X0SRS
0
X1SRS
sequence of prime length M
r o t a l u d o M M D F O
0
(frequency domain)
0
XM-1SRS
s r e i r r a c b u S 6 3
0 0 PUSCH transmission Demodulation reference signal SC-FDMA symbol
Sounding reference signal
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6
number
Normal CP
Fig. 128Sounding Reference Signals Structure
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LTE Physical Channels and Procedures
Subframe 0 Slot 1
Slot 2
Subframe configuration • The subframes in which SRS are transmitted by any UE within the cell are indicated by cell-specific broadcast signalling.
PUSCH
DM RS
s r e i r r a c b u S 6 3
Position • The SRS transmissions are always in the last SC-FDMA symbol in the configured subframes
SRS 0 1 2 3 4 5
6 0 1 2 3 4 5 6
Normal CP Fig. 129SRS Subframe Configuration and Position
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197
LTE Physical Channels and Procedures
2 ms (SRS minimum transmission periodicity) The
eNodeB in LTE may either request:
Subframe 0
Subframe 1
Subframe 2
• an individual SRS transmission from a UE s B R 6 1
•periodically transmission from a UE If
periodic SRS transmissions are configured for a UE, the periodicity may be any of 2, 5, 10, 20, 40, 80, 160 or 320 ms
Fig. 130Duration and Periodicity of SRS Transmissions
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198
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Comb-like spectrum • Interleaved
FDMA (IFDMA) is used in the SRS SCFDMA symbol, with a Repetition Factor (RPF) of 2.
Interleaved FDMA
0 0
• implies that the signal occupies every 2nd subcarrier within the allocated sounding bandwidth with a comb-like spectrum
X0SRS
r o t a l u d o M M D F O
0
X1SRS
0 XM-1SRS
0 0 0
• a UE is assigned, as part of its configurable SRS parameters, the ‘transmissionComb’ index (0 or 1) on which to transmit the SRS.
Fig. 131SRS Symbol Structure
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199
LTE Physical Channels and Procedures
SRS Bandwidths
• Challenges •
UE far from eNodeB cannot increase it’s transmit power to maintain the transmission across the full bandwidth
•
Full bandwidth transmission limits the number of simultaneous UEs whose channels can be sounded, due to the limited number of cyclic time shifts
• Solution? •
up to 4 SRS bandwidths can be simultaneously supported in LTE depending on the system bandwidth → improve the SNR and support a larger number of SRS
•
8 sets of four SRS bandwidths are defined for each possible system bandwidth → provide flexibility with the values for the SRS bandwidths
Fig. 132SRS Bandwidths
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200
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Wideband SRS Transmission
Narrowband SRS Transmission
(Non Frequency hopping SRS )
(Frequency hopping SRS )
System bandwidths 40–60 RBs.
Subframe 0Subframe 1Subframe 2 Subframe 0Subframe 1Subframe 2
SRS BW config.
More
SRS BW 0
SRS BW 1
SRS BW 2
SR S BW 3
0
48
24
12
4
1
48
16
8
4
2
40
20
4
4
3
36
12
4
4
4
32
16
8
4
5
24
4
4
4
6
20
4
4
4
7
16
4
4
4
wideband
s B R 6 1
SRS bandwidth = 4 RBs × 3 = 12 RBs
Minimum Narow SRS bandwidth
Sounding reference signal
= 4 RBs
Fig. 133SRS Bandwidths
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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201
LTE Physical Channels and Procedures
Multiplexing of SRS • Challenge: How can be transmitted simultaneous • SRS from multiple UEs using the same RBs? • Solution: •
UE1
UE2
UE3
using different cyclic time shifts of the same base sequence to achieve orthogonal separation →
•
- multiple UEs share the same RB and the same offset of the comb
•
- eight (evenly-spaced) cyclic time shifts per SRS-comb are supported with the cyclic shift being configured individually for each UE
•
- reference signals must span the same frequency band
Through frequency multiplexing by assigning different UEs to different frequency shifts or ‘ combs ’.
•
→
•
- Transmission doesn’t cover identical frequency bands
Fig. 134Multiplexing of SRS
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202
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
Cyclic time shifts multiplexing
Frequency multiplexing UE1 SRS
UE2 SRS
UE3 SRS
UE4 SRS
UE1 phase rotation 1
UE2 phase rotation 2
s r e i r r a c b u S 6 3
UE3 phase rotation 3
UE4 phase rotation 4
36 Subcarriers
Slot 1
Slot 0
Fig. 135Multiplexing of SRS
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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203
LTE Physical Channels and Procedures
9.6
204
PHlCH Physical HARQ Indicator Channel
TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
PHICH Structure
PHICH carries the HARQ ACK/NACK, which indicates whether the eNodeB has correctly received a transmission on the PUSCH
HARQ Indicator
+1
spreading
-1
+1
1
Reference symbols PHICH resource elements
Repetition coding
Walsh
PCFICH resource elements
1
-1
1
+1
-1
1
+1
-1
+1
-1
+1
-1
D.C. 72 subcarriers Fig. 136PHICH Structure
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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205
LTE Physical Channels and Procedures
PHICH Physical HARQ Indicator Channel
• How to differentiate different cells?? • Cell specific scrambling applied
• How to differentiate the UEs? • PHICH groups (multiple PHICH on the same resource elements) • Different PHICH in a PHICH group are separated using complex Walsh sequences • Walsh sequence length is 4 (2 for extended CP) • BPSK modulation is used for PHICH • Thus an individual PHICH can be uniquely represented by the number of the PHICH group, the number of the orthogonal sequence within the group, and information whether the I or the Q branch is used • The number of PHICH in a group is thus up to twice the sequence length (max 8 UEs receiving their acknowledgements on the same set of downlink resource elements)
Fig. 137PHICH Physical HARQ Indicator Channel
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206
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LTE Physical Channels and Procedures
PHICH Physical HARQ Indicator Channel • Subframe configuration •
an uplink transport block received in subfra me n should be acknowledged on the PHICH in subframe n + 4.
• Position in time •
PHICH is transmitted in the first OFDM symbol only of each subframe → allows UE to attempt to decode the PHICH even if it failed decoding of the PCFICH.
•
To improve the coverage it is possible to semi-statically configur e a PHICH duration of three OFDM symbols
• Position in frequency •
Each PHICH group is mapped to three resource-element groups, separated by approximately one-third of the downlink cell bandwidth → obtain good frequency diversity.
Fig. 138PHICH Physical HARQ Indicator Channel
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LTE Physical Channels and Procedures
PHICH Physical HARQ Indicator Channel
• Challenge: How can I know what is my PHICH group and my PHICH inside the group?? • Solution: •
→
•
PHICH group number indicated in PBCH
PHICH inside the group based on index
• 1 to 1 mapping PUSCH index – PHICH index • PUSCH index = the index of the lowest UL resource block that has been used for the UL transmission • In the case of uplink multi-user MIMO → the same cyclic shift index as for demodulation reference signals is used to shift the PHICH allocations in the downlink → each UE will receive its ACK or NACK on a different PHICH.
Fig. 139PHICH Physical HARQ Indicator Channel
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208
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LTE Physical Channels and Procedures
10 TDD Physical Channels
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LTE Physical Channels and Procedures
Due to special frame structure, the placement of critical control channels is different for LTE TDD than for FDD. As it will be shown in the next slide there is the same placement in frequency domain but only the time domain allocation is slightly different. The exact placement of control channels depends on which UL/DL configuration is active in the cell and it is thus the key information for the UE to set up its connection with the network. For FDD operation, where UL and DL are in separate frequencies with continuous transmission and reception on its dedicated frequency, the shared control channel design is straightforward due to 1 to 1 association of UL and DL frames. On the other hand for the TDD mode operation UL and DL share the same frequency for transmission and reception but alternate the direction in time, physical channels design is slightly modified. Those modifications are shown in the next slides
210
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LTE Physical Channels and Procedures
FDD and TDD Modes
FDD and TDD modes Harmonisation (commonalities)
FDD and TDD modes differences FDD developed in the paired 3GPP spectrum
FDD and TDD mode included together in the same specification
TDD developed in the unpaired 3GPP spectrum
Same radio interface schemes for both uplink and downlink
Small differences in the physical channels design
Same subframe formats
Different frame formats
Same network architecture
FDD mode has commonalities with 3G UMTS
Same air interface protocols
TDD mode has commonalities with TD-SCDMA (developed in China)
Same physical channels procedures
Most physical channels and procedures are the same in FDD and TDD. Only the differences are shown in this section Fig. 140FDD and TDD Modes
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LTE Physical Channels and Procedures
Question: What are the main differences between the FDD and TDD mode physical channels design? Answers: TDD needs specific cell synchronization due to potential misalignment of the subframes Channel reciprocity could be used in TDD mode Asymmetric UL/DL Capacity allocation is possible in TDD to meet the traffic characteristics of the cell Small difference in the design of the design of the physical channels coming mostly from different frame structure These differences are discussed in this section
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LTE Physical Channels and Procedures
•
Interference scenario Cell 1
Cell 2 UE2
eNodeB1
eNodeB2
UE1
eNodeB1 – Tx, UE1 - Rx
eNodeB2 – Tx, UE2 - Rx
•
Cell 1
eNodeB1 – Rx, UE1 - Tx
Cell 2
eNodeB2 – Rx, UE2 - Tx
Interference from UE 1 to UE 2 and viceversa, due to the misalignment betwe subframes • Interference is severe, especially if UE1 and UE2 are close to each other
Fig. 141TDD Cell Synchronization (1/3)
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LTE Physical Channels and Procedures
•
Solution: synchronize all DL & UL subframes in cells among the network
•
They must have the same time reference
•
Common GPS signal Cell 1
Cell 2 UE2
eNodeB1
eNodeB2
UE1
eNodeB1 – Tx, UE1 - Rx
eNodeB1 – Rx, UE1 - Tx
Cell 1
eNodeB2 – Tx, UE2 - Rx
eNodeB2 – Rx, UE2 - Tx
Cell 2
Fig. 142TDD Cell Synchronization (2/3)
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LTE Physical Channels and Procedures
E-UTRA standard provides several means of time synchronization between cells: Same frame configuration (0…6) is used in all cells among the network Frame structure is chosen so that interference between LTE systems and TDSCDMA is avoided Carrier using both TD-SCDMA and LTE TDD can avoid interference between systems
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LTE Physical Channels and Procedures
•
FDD channel response in frequency is different in UL and DL, due to the
different occupied bands
Downlink Uplink band band Same indexed subcarriers may experience totally different channel conditions
•
TDD radio channel is reciprocal, i.e. DL & UL experience the same channel response, since they occupy the same band
Downlink band
Uplink band Same indexed subcarriers experience identical channel conditions
Fig. 143Reciprocity in TDD (1/3)
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•
How can we make use of reciprocity?
•
Use UL measurements in order to evaluate DL channel conditions!
•
If reciprocity is assumed, UL and DL measurements should be the same…
•
Save resources & time needed for sending DL feedback!
•
Sending feedback asks for some latency… measurement results might be obsolete, especially if channel is mobile. Channel has already changed
1 subframe
Channel frequency response
Measurement is done
Results are sent
Results are taken into account
Results are decoded
Fig. 144Rceiprocity in TDD (2/3)
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LTE Physical Channels and Procedures
•
Use feedback for:
-
Downlink scheduling - Measure channel over uplink for a specific UE - Identify “good subcarriers” and “bad subcarriers” - Use “good subcarriers” with high SNR to schedule over downlink
-
Low SNR – “Bad” subcarriers
High SNR – “Good subcarriers”
Do not use for DL scheduling
May use for DL scheduling
Modulation and rate adaptation - Use DL modulation and coding suitable for link conditions, as measured over uplink
-
MIMO precoding - Use precoding matrix / codebook according to feedback measured over uplink
Fig. 145Reciprocity in TDD (3/3)
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LTE Physical Channels and Procedures
Reciprocity however is limited for scheduling and adaptation. Channel response is not the only criteria to take into account. Interference may be different over UL and DL… SNR may be degraded by two factors: Fading over the channel This is almost the same for UL and DL => reciprocity can be used in scheduling and adaptation. Interference This is likely to be different for DL and UL. Reciprocity in scheduling can be used only in interference-limited scenarios.
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219
LTE Physical Channels and Procedures
Closed-loop MIMO precoding takes only the channel into account.. Reciprocity can be used. Precoding in FDD over downlink: UE receiver measures the channel over downlink UE computes the optimum precoding matrix UE sends the feedback to the eNodeB, including optimum precoding matrix, in PUCCH eNodeB uses this feedback as a recommendation for its next transmission
220
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LTE Physical Channels and Procedures
10.1
Cell Search – TDD mode
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LTE Physical Channels and Procedures
•
FDD positioning of synchronization signals (reminder)
•
PSS detection Subframe 1 or 6 Slot 0
•
Slot 1
Slot timing
PSS => PHY CELL ID
SSS detection
Cyclic prefix length detection Subframe 1 or 6
PSS- Prymary Synchronisation Signal SSS- Secondary Synchronisation Signal
Frame timing
SSS => Cell ID + subframe (1 or 6)
Fig. 146Initial Cell Search in FDD (reminder)
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LTE Physical Channels and Procedures
•
UEs must also blindly detect if system uses TDD or FDD
•
Information can be hidden in SSS without introducing new sequences
•
Distance between SSS and PSS in the frame is varied according to
duplexing method •
1 symbol for FDD and 3 symbols for TDD
•
4 positions to check for SSS after PSS detection Start of detected PSS 3 long symbols = 249.9us 2 short symbols + 1 special symbol = 214.5us 1 long symbol = 83.3us 1 short symbol = 71.3us
FDD with short CP
TDD with short CP TDD with extended CP
FDD with extended CP
Fig. 147Initial Search in TDD (1/2)
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LTE Physical Channels and Procedures
•
SSS is the one placed at the slot boundary, not PSS
•
Slot timing is achieved along with frame timing, after decoding SSS 1 frame = 10ms
0
1
2
3
4
5
6
S S S DwPTS: Downlink Pilot time Slot
•
8
9
Coherent detection of SSS assumes channel does not vary too much between SSS and PSS (3 symbols)
P S S
Slot 1
UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
7
Slot 0
PSS is always placed in the special switching subframe, within DwPTS
Fig. 148Initial Search in TDD (2/2)
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
10.2
Initial Access for TDD mode
TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
225
LTE Physical Channels and Procedures
•
There is no major difference between RACH in FDD and TDD, except
for a minor addition. •
Remember that RACH allocation for FDD includes a GP (Guard Period) to accommodate RTD (Round Trip Delay) RACH preamble
Close UEs
GP
RACH preamble
GP
UEs at the cell edge
RACH allocation start
•
GP is wasted bandwidth and can go up to 700us (!) for cell radius of 100km.
•
In FDD, only one RACH allocation per frame is allowed
•
TDD already has a GP in the special frames used for Tx/Rx switching
which is supposed to accommodate RTD •
We can include this GP in a RACH allocation!
Fig. 149Random Access Channel (1/3)
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LTE Physical Channels and Procedures
•
In UpPTS, a Short RACH (S-RACH) can be scheduled, making use of the already existent GP.
•
S-RACH has the length of the UpPTS, i.e. 2 symbols, 157us (usual RACH
has 800us or 1600us) • Suitable for small cells (< 1.5km) DwPTS
GP
UpPTS
RACH allocation RACH 0 RACH 1
Max 6 RACH channels
GP DwPTS: Downlink Pilot time Slot
RACH 5
UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
UpPTS = 2 symbols
Fig. 150Random Access Channel (2/3)
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227
LTE Physical Channels and Procedures
•
Conclusions
•
FDD frames can have up to 1 RACH channel per frame, in which UEs can transmit one of 4 possible RACH prembles
•
TDD frames can have up to 6 RACH channels per frame, either long RACH preambles or S-RACH preambles sent in UpPTS
•
S-RACH can cover small cells due to small CP (max. 1.5km), while RACHs cover cells up to 100km
•
RACH allocation in TDD systems is: time first, then frequency
0
Subframe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RACH 0 RACH 1 RACH 2
RACH 0 RACH 1 RACH 2
RACH 3 RACH 4
RACH 3 RACH 4
Fig. 151Random Access Channel (3/3)
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
10.3
DL Dransmission for TDD Mode
TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
229
LTE Physical Channels and Procedures
•
Primary BCH (PBCH) is sent just as in FDD case.
•
Dynamic BCH (DBCH) is sent as in FDD case, but it is decoded differently
•
SIB 1 in DBCH specifies DL/UL ratio (i.e. Frame Configuration: 0…6).
•
However, UE cannot decode DBCH unless it already knows its position
in frame. •
Position in frame depends on Frame Configuration … so which comes first? 1. Assume each of the 3 possible values for CCH size
DBCH
CCH size
2. Try to decode DBCH 3. DBCH has been correctly decoded
Frame Configuration
=> frame configuration
Fig. 152Broadcast Channel (BCH)
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230
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TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
•
PCH is mapped onto PDSCH physical channel
•
There is no change in concept versus FDD
•
Only different frames in which paging can be done Subframe
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
FDD
Subframe TDD
Special frame -> PDCCH in DwPTS
Potential special frame -> PDCCH in DwPTS
DwPTS: Downlink Pilot time Slot UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
Fig. 153Paging in TDD
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TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks
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LTE Physical Channels and Procedures
10.4
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UL Transmission for TDD Mode
TM5117EN02GLA01 © 2010 Nokia Siemens Networks
LTE Physical Channels and Procedures
•
In FDD
•
SRS always are present in the last symbol of the subframe
•
In TDD
•
Same concept – last symbol of specially configured subframes
•
In special switching subframes, no data are transmitted
•
Control resources in UpPTS can be used for SRS as well • These are the primary resources for TDD SRS
•
SRS is mandatory for TDD (more sensitive to interference) RACH channel RACH channel GP
DwPTS: Downlink Pilot time Slot UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
SRS
UpPTS = 2 symbols Fig. 154Sounding Reference Signal SRS
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LTE Physical Channels and Procedures
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