07 TM51177EN02GLA01 LTE Physical Channels Part2

8/12/2019 07 TM51177EN02GLA01 LTE Physical Channels Part2

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LTE Physical Channels and Procedures


Contents

9 LTE UL Transmission 150

9.1

LTE Uplink Transmission Overview 153

9.2 Physical UL Control Channel 157

9.3 Physical UL Shared Channel 173

9.4 UL Demodulation Signal 176

9.5 UL Sounding Reference Signal 193

9.6 PHlCH Physical HARQ Indicator Channel 204

10 TDD Physical Channels 209

10.1 Cell Search – TDD mode 221

10.2 Initial Access for TDD mode 225

10.3 DL Dransmission for TDD Mode 229

10.4 UL Transmission for TDD Mode 232

TM5117EN02GLA01

© 2010 Nokia Siemens Networks148




TM5117 LTE AIR INTERFACE





9 LTE UL Transmission

TM5117EN02GLA01





The mapping of transport channels and UL control information (UCI) to physicalchannels is a task of the physical layer (PHY). Furthermore reference signals areprovided 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).






Upper Layers

RLC

MAC

PHY

R A C H

C C C H

D C C H

D T C H

Air interface

P R A C H

P U S C H

U L - S C H

P U C C H

U C I

DR S

S R S

Fig. 91UL Physical Channels

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TM5117EN02GLA01





9.1 LTE Uplink Transmission Overview






• Questions:

• What are the main differences

• from the DL transmission ??

• Why?

• Answers (1/2):

• No UL signalling indicating the transport format (like on

PDCCH)

• This is because the UE always follows the Node-

B scheduling

• eNode-B has exact knowledge of the UL transport format

Differences from DL Transmission (1/2)

eNodeB

UE

P U C C H P U S C H

Fig. 92Differences from DL Transmission (1/2)

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• 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)

Differences from DL Transmission (2/2)

Fig. 93Differences from DL Transmission (2/2)

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PUCCH and PUSCH Multiplexing

Time

T o t a l U L B a n d w i t h

PUCCH

PUCCH

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PUSCH

1 subframe = 1ms

F r e q u e n c y

1 2 s u b c a r r i e r s

Fig. 94PUCCH and PUSCH Multiplexing

TM5117EN02GLA01





9.2 Physical UL Control Channel






• 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

PUCCH Design (1)

eNodeB

UE

P U C C H

Fig. 95PUCCH Design (1)

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TM5117EN02GLA01





PUCCH Design (1)

T o t a l U L B a n d w i t h

PUCCH

PUCCH

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PUSCH

1 subframe = 1ms

F r e

q u e n c y








• 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?

• Solution:??

• →Use several formats

PUCCH Design (2)

eNodeB

UE

P U C C H


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TM5117EN02GLA01





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

eNodeB

UE

P U C C H ( S R , AC K , C Q I )

Fig. 98PUCCH Formats

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Scheduling Request Indicator (SRI) on PUCCH

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

Random access

like contention based

mechanism

Used for UEs in

connected mode

Fig. 99Scheduling Request Indicator (SRI) on PUCCH

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TM5117EN02GLA01





• 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

PUCCH coverage with this option)

• Format 2a/ 2b – together with CQI

ACK/NACK on PUCCH

eNodeB

UE

P U C C H ( AC K )

Fig. 100ACK/NACK on PUCCH

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• 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)

CQI on PUCCH

eNodeB

UE

P U C C H ( C Q I )

Fig. 101CQI on PUCCH

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TM5117EN02GLA01





Mapping of PUCCH Formats to the Physical Resources

0=m

0=m1=m

1=m

2=m

2=m3=m

3=m

0PRB

=n

1UL

RBPRB −= N n

The logical resources are noted with

m as can be seen on the figure

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

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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Time

T o t a l U L

B a n d w i t h

Format 2/2a/2b

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PUCCH

PUCCH

PUSCH

1 subframe = 1ms

F r e q

u e n c y


Format

2/2a/2b

Format 2/2a/2b

Format

1/1a/1b

Format 1/1a/1b

Format 2/2a/2b

Format

1/1a/1bFormat 1/1a/1b

Format 2/2a/2b

Fig. 103Mapping of PUCCH Formats to the Physical Resources

TM5117EN02GLA01





• 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)

SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH

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Fig. 104SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH

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Time

T o t a l U L

B a n d w i t h

PUCCH

PUCCH

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PUSCH

1 subframe =

1ms

F r e q u e n c y


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

0

Simbol number (normal CP)

1 2 3 4 5 6 63210 54ACK = Acknowledgment

CQI = Channel Quality Indicator

DRS = Demodulation Reference Signals

Fig. 105SRI/ ACK/ CQI Multiplexed on PUCCH

TM5117EN02GLA01





• 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

PUCCH Design (3)


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• 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

Size in Frequency of the Overall PUCCH Region

Fig. 107Size in Frequency of the Overall PUCCH Region

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• 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:??

• →Multiple UEs may share the same

• resource block

PUCCH Design (4)

eNodeB

UE

P U C C H


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Multiplexing of UEs on PUCCH

UE1UE2

UE3

How to separate multiple UEs on PUCCH ??

Solution?

1. FDM – frequency division multiplexing

• This is because one UE may take one resource block and other users may

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 resource block

• Code orthogonality may be affected by the “near-far” problem

Fig. 109Multiplexing of UEs on PUCCH

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9.3 Physical UL Shared Channel






• Content:

• User data from UL-SCH

• L1/L2 control information:

• ACK/NACK for HARQ

• CQI

• Precoding Matrix Indicator (PMI)• Rank Indicator (RI)

• Challenge: How to multiplex UL user data and different

control fields?

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

eNode

B

U

E

P U S C H

Fig. 110PUSCH Physical Uplink Shared Channel

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PUSCH

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Q P S K ,

1 6 / 6 4 Q A M

D F T f o r S C - F D M A

UL-SCH

M U X

CQI/PMI

RI

ACK

1ms subframe

Slot 0 Slot 1

PUSCH PUSCH RSCQI/PMI ACKRI


SC-FDMA symbols

CQI = Channel Quality Indication

PMI = Precoding Matrix Indicator

RI = Rank Indicator

ACK = Acknowledgment used for HARQ

Fig. 111PUSCH

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9.4 UL Demodulation Signal

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Uplink Reference Signals

UE

eNodeB

Fig. 112Uplink Reference Signals

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• 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

– Power control in UL

– Timing estimation

• Like DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) in UL in UMTS

Demodulation Reference Signals DRS

eNode

B

U

E

D R S

Fig. 113Demodulation Reference Signals

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TM5117EN02GLA01





• 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

Design of Demodulation Reference Signals DRS (1)

Fig. 114Design of Demodulation Reference Signals DRS (1)

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• 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 R e s

o u r c e

B l o c k



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TM5117EN02GLA01





O F D

M M

o d u l a t o r

0

0

0

0

XM-1RS

X1RS

X0RS

Frequency-domain

reference signal

Sequence

M = sequence length

No DFT

spreading !

PUSCH transmission

Demodulation reference signal

Subframe 0

3 6 S

u b c a r r i e r s

SC-FDMA symbol

number 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Slot 1 Slot 2

Normal CP

Subframe 1

Fig. 116Uplink DRS Multiplexed with PUSCH

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Time

T o t a l U L

B a n d w i t h

PUCCH

PUCCH

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PUSCH

1 subframe =

1ms

F r e q u e n c y


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

0

Simbol number (normal CP)

1 2 3 4 5 6 63210 54ACK = Acknowledgment

CQI = Channel Quality Indicator

DRS = Demodulation Reference Signals

Fig. 117Uplink DRS Multiplexed with PUCCH

TM5117EN02GLA01





• 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

• Solution:??

• → variable, multiple of 12


eNodeB

UE

D R S


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• 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 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 (primenumber)

• 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



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TM5117EN02GLA01





• 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• → interferences in PUCCH transmissions

• 2. Uplink multi-user MIMO

• Solution:??

• → apply different cyclic shifts to the same basic reference

signal sequence


UE1UE2

UE3


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O F D M

M o d u l a t o r

0

0

0

0

XM-1RS

X1RS

X0RS

Basic

reference

signal

Sequence

of length

M

e jα·0

e jα·1

e jα·(M-1)

Cyclic shifted reference

signal sequences

-α = kπ /6 (phase rotation

parameter), where k ranges

from 0 to 11

→ up to 12 orthogonal

reference signals could be

generated

Basic sequence

Cyclic shift of 1

Cyclic shift of 2

The cyclic time shift is providingorthogonal sequences !

UE specific cyclic shifts

The shift is in time domain

Solve intra-cell interference!

The parameters for the shift could be

learned from the system information

Fig. 121Cyclic Shifted Reference Signal Sequences

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TM5117EN02GLA01





• 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 allocation

This complicates the optimisation of the cross-correlation between cells

• Solution:

• →based on sequence groups

UE1UE2

UE33 UE4UE5

UE63

eNodeB 1 eNodeB 2

Sequence group hopping

Sequence group

planning

Cyclic shift hopping

Sequence hopping



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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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TM5117EN02GLA01





• 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

Cyclic Shift Hopping

Fig. 124Cyclic Shift Hopping

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• 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

Sequence Group Hopping

Fig. 125Sequence Group Hopping

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Different colours – Different

root sequences

D1, D2, D3 – Different cyclicshifts of one root sequence

Sequence Group Planning

Fig. 126Sequence Group Planning

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• 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

Sequence Hopping

Fig. 127Sequence Hopping

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9.5 UL Sounding Reference Signal






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

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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 transmittedtogether).

The SRS is not necessarily transmitted together with any physical channel






PUSCH transmission

Demodulation reference signal

Sounding reference signal

Sounding Reference Signals Structure

O F

D M

M o d u l a t o r

00

0

0

XM-1SRS

X1SRS

X0SRSCyclic extension

of Zadoff-Chu

sequence of

prime length M

(frequency

domain)

No DFT

spreading !

0

0

0

3 6 S u

b c a r r i e r s

SC-FDMA symbol

number 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Slot 0 Slot 1

Normal CP

Subframe 0

Fig. 128Sounding Reference Signals Structure

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3 6 S u b c

a r r i e r s

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6

Slot 1 Slot 2

Normal CP

PUSCH DM RS

SRS

Subframe configuration

• The subframes in which SRS are

transmitted by any UE within the

cell are indicated by cell-specific

broadcast signalling.

Position

• The SRS transmissions are always

in the last SC-FDMA symbol in the

configured subframes

Subframe 0

Fig. 129SRS Subframe Configuration and Position

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1 6 R B s

Subframe 0 Subframe 1 Subframe 2

2 ms (SRS minimumtransmission periodicity)

The eNodeB in LTE may either

request:

• an individual SRS

transmission from a UE

•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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TM5117EN02GLA01





O F

D M

M o d u l a t o r

00

0

0

XM-1SRS

X1SRS

X0SRS

0

0

0

Interleaved FDMA

Comb-like

spectrum

• Interleaved FDMA (IFDMA) is

used in the SRS SCFDMA symbol,

with a Repetition Factor (RPF) of 2.

• implies that the signal occupies

every 2nd subcarrier within the

allocated sounding bandwidth

with a comb-like spectrum

• 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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• 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

SRS Bandwidths

Fig. 132SRS Bandwidths

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TM5117EN02GLA01





Wideband SRS Transmission(Non Frequency hopping SRS )

Sounding reference signal

1 6 R B s

Subframe 0Subframe 1Subframe 2 Subframe 0Subframe 1Subframe 2

Narrowband SRS Transmission(Frequency hopping SRS )

Minimum Narow

SRS bandwidth

= 4 RBs

More

wideband

SRS

bandwidth

= 4 RBs × 3

= 12 RBs

SRS BW

config.

SRS

BW 0

SRS

BW 1

SRS

BW 2

SR

SBW

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

System bandwidths 40–60 RBs.

Fig. 133SRS Bandwidths

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• Challenge: How can be transmitted simultaneous

• SRS from multiple UEs using the same RBs?

• Solution:

• → using different cyclic time shifts of the same base

sequence to achieve orthogonal separation

• - multiple UEs share the same RB and the same offset ofthe 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

UE1UE2

UE3

Multiplexing of SRS

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Fig. 134Multiplexing of SRS

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TM5117EN02GLA01





UE1 SRS UE2 SRS

UE3 SRS UE4 SRSUE1

phase rotation 1

UE2

phase rotation 2

UE3

phase rotation 3

UE4

phase rotation 4

Frequency multiplexingCyclic time shifts

multiplexing

3 6 S u b c a r r i e r s

36 SubcarriersSlot 0 Slot 1

Fig. 135Multiplexing of SRS

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9.6 PHlCH Physical HARQ Indicator Channel

TM5117EN02GLA01





1

1 1 1

+1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1+1+1-1

HARQ Indicator

Repetition coding

Walsh

spreading

72 subcarriers

D.C.

PCFICH resource elements

Reference symbols

PHICH resource elements

PHICH Structure PHICH carries the HARQ ACK/NACK, whichindicates whether the eNodeB has correctly

received a transmission on the PUSCH

Fig. 136PHICH Structure

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• 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)

PHICH Physical HARQ Indicator Channel

Fig. 137PHICH Physical HARQ Indicator Channel

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TM5117EN02GLA01





• Subframe configuration

• an uplink transport block received in subframe 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 configure 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.



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• 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.



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10 TDD Physical Channels






Due to special frame structure, the placement of critical control channels is differentfor LTE TDD than for FDD. As it will be shown in the next slide there is the sameplacement in frequency domain but only the time domain allocation is slightly different.

The exact placement of control channels depends on which UL/DL configuration isactive in the cell and it is thus the key information for the UE to set up its connectionwith the network.

For FDD operation, where UL and DL are in separate frequencies with continuoustransmission and reception on its dedicated frequency, the shared control channeldesign 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 frequencyfor transmission and reception but alternate the direction in time, physical channelsdesign is slightly modified.

Those modifications are shown in the next slides

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FDD and TDD Modes

FDD and TDD modes Harmonisation

(commonalities)FDD and TDD modes

differences

FDD and TDD mode included

together in the same

specification

Same radio interface

schemes for both uplink and

downlink

Same subframe formats

Same network architecture

Same air interface protocols

Same physical channels

procedures

FDD developed in the paired

3GPP spectrum

TDD developed in the unpaired

3GPP spectrum

Small differences in the

physical channels design

Different frame formats

FDD mode has commonalities

with 3G UMTS

TDD mode has commonalities

with TD-SCDMA (developed in

China)

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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Question:

What are the main differences between the FDD and TDD mode physical channelsdesign?

Answers:

TDD needs specific cell synchronization due to potential misalignment of thesubframes

Channel reciprocity could be used in TDD mode

Asymmetric UL/DL Capacity allocation is possible in TDD to meet the trafficcharacteristics of the cell

Small difference in the design of the design of the physical channels coming mostlyfrom different frame structure

These differences are discussed in this section

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• Interference scenario

• 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

eNodeB1 eNodeB2UE1

UE2

eNodeB1 – Tx, UE1 - Rx eNodeB1 – Rx, UE1 - Tx


Cell 1 Cell 2

Cell 1

Cell 2

Fig. 141TDD Cell Synchronization (1/3)

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• Solution: synchronize all DL & UL subframes in cells among the network

• They must have the same time reference

• Common GPS signal

eNodeB1 eNodeB2UE1

UE2

Cell 1 Cell 2



Cell 1

Cell 2

Fig. 142TDD Cell Synchronization (2/3)

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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 TD-SCDMA is avoided

Carrier using both TD-SCDMA and LTE TDD can avoid interference betweensystems






• FDD channel response in frequency is different in UL and DL, due to thedifferent occupied bands

• 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 may experience

totally different channel conditions

Downlink

band

Uplink bandSame 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.

Measurement

is done

Results are

sent

Results are

decoded

Results are

taken into

account

Channel has

already changed1 subframeChannelfrequency

response

Fig. 144Rceiprocity in TDD (2/3)

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• 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

- 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

Low SNR – “Bad” subcarriers

Do not use for DL scheduling

High SNR – “Good subcarriers”

May use for DL scheduling

Fig. 145Reciprocity in TDD (3/3)

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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 andadaptation.

Interference

This is likely to be different for DL and UL.

Reciprocity in scheduling can be used only in interference-limited scenarios.






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, inPUCCH

eNodeB uses this feedback as a recommendation for its next transmission

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10.1 Cell Search – TDD mode






• FDD positioning of synchronization signals (reminder)

• PSS detection

• SSS detection PSS => PHY CELL IDSlot timing

Slot 0 Slot 1

Subframe 1 or 6

SSS => Cell ID + subframe (1 or 6)

Subframe 1 or 6

Cyclic prefix

length detection

Frame timingPSS- Prymary Synchronisation Signal

SSS- Secondary Synchronisation Signal

Fig. 146Initial Cell Search in FDD (reminder)

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• 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

1 long symbol = 83.3us

2 short symbols + 1 special symbol = 214.5us

3 long symbols = 249.9us

FDD with short CP

1 short symbol = 71.3us

FDD with extended CP

TDD with short CP

TDD with extended CP

Fig. 147Initial Search in TDD (1/2)

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• SSS is the one placed at the slot boundary, not PSS

• Slot timing is achieved along with frame timing, after decoding SSS

• PSS is always placed in the special switching subframe, within DwPTS

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Slot 0Slot 1

P

S

S

S

S

S

1 frame = 10ms

Coherent detection of

SSS assumes channeldoes not vary too much

between SSS and PSS

(3 symbols)

DwPTS: Downlink Pilot time Slot

UpPSS: Uplink Pilot Time Slot

Fig. 148Initial Search in TDD (2/2)

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10.2 Initial Access for TDD mode






• 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)

• 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!

Close UEsRACH preamble

RACH preamble UEs at the cell edge

RACH allocation start

GP

GP

Fig. 149Random Access Channel (1/3)

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• 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

GP

RACH 0

RACH 1

RACH 5

UpPTS = 2 symbols

Max 6

RACH

channelsDwPTS: Downlink Pilot time Slot



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• 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9

RACH 0 RACH 1 RACH 2

RACH 3 RACH 4

RACH 0 RACH 1 RACH 2

RACH 3 RACH 4

Subframe


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10.3 DL Dransmission for TDD Mode






• 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?

DBCHCCH size

Frame

Configuration

1. Assume each of the 3possible values for CCH size

2. Try to decode DBCH

3. DBCH has been correctly

decoded

=> frame configuration

Fig. 152Broadcast Channel (BCH)

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• PCH is mapped onto PDSCH physical channel

• There is no change in concept versus FDD

• Only different frames in which paging can be done

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Subframe

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Subframe

Special frame ->

PDCCH in DwPTSPotential special frame ->

PDCCH in DwPTS

FDD

TDD



Fig. 153Paging in TDD

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10.4 UL Transmission for TDD Mode

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• 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)

GP

RACH channel

RACH channel

SRS

UpPTS = 2 symbols



Fig. 154Sounding Reference Signal SRS

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TM5117EN02GLA01





Documents

07 TM51177EN02GLA01 LTE Physical Channels Part2