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LTE Physical Channels and Procedures
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
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LTE Physical Channels and Procedures
TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
9 LTE UL Transmission
TM5117EN02GLA01
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LTE Physical Channels and Procedures
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).
TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
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
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LTE Physical Channels and Procedures
9.1 LTE Uplink Transmission Overview
TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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TM5117EN02GLA01
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
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
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LTE Physical Channels and Procedures
9.2 Physical UL Control Channel
TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
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LTE Physical Channels and Procedures
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
1 2 s u b c a r r i e r s
Fig. 96PUCCH Design (1)
TM5117 LTE AIR INTERFACE
© 2010 Nokia Siemens Networks159
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Fig. 97PUCCH Design (2)
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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
eNodeB
UE
P U C C H ( S R , AC K , C Q I )
Fig. 98PUCCH Formats
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LTE Physical Channels and Procedures
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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• 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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
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
1 2 s u b c a r r i e r s
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
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
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
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
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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)
Fig. 106PUCCH Design (3)
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Fig. 108PUCCH Design (4)
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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
9.3 Physical UL Shared Channel
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
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
3 6 s u b c a r r i e r s
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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TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
9.4 UL Demodulation Signal
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LTE Physical Channels and Procedures
Uplink Reference Signals
UE
eNodeB
Fig. 112Uplink Reference Signals
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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TM5117 LTE AIR INTERFACE
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Design of Demodulation Reference Signals DRS (2)
Fig. 115Design of Demodulation Reference Signals DRS (2)
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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
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
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
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Design of Demodulation Reference Signals DRS (3)
eNodeB
UE
D R S
Fig. 118Design of Demodulation Reference Signals DRS (3)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Design of Demodulation Reference Signals DRS (4)
Fig. 119Design of Demodulation Reference Signals DRS (4)
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TM5117EN02GLA01
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Design of Demodulation Reference Signals DRS (5)
UE1UE2
UE3
Fig. 120Design of Demodulation Reference Signals DRS (5)
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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
Design of Demodulation Reference Signals DRS (6)
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
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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TM5117EN02GLA01
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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
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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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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 transmittedtogether).
The SRS is not necessarily transmitted together with any physical channel
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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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
9.6 PHlCH Physical HARQ Indicator Channel
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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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.
PHICH Physical HARQ Indicator Channel
Fig. 138PHICH Physical HARQ Indicator Channel
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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.
PHICH Physical HARQ Indicator Channel
Fig. 139PHICH Physical HARQ Indicator Channel
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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 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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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
eNodeB2 – Tx, UE2 - Rx eNodeB2 – Rx, UE2 - Tx
Cell 1 Cell 2
Cell 1
Cell 2
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
eNodeB1 eNodeB2UE1
UE2
Cell 1 Cell 2
eNodeB1 – Tx, UE1 - Rx eNodeB1 – Rx, UE1 - Tx
eNodeB2 – Tx, UE2 - Rx eNodeB2 – Rx, UE2 - Tx
Cell 1
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 TD-SCDMA is avoided
Carrier using both TD-SCDMA and LTE TDD can avoid interference betweensystems
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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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LTE Physical Channels and Procedures
• 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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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
- 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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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 andadaptation.
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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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, inPUCCH
eNodeB uses this feedback as a recommendation for its next transmission
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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
• 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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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
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
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• 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
UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
Fig. 150Random Access Channel (2/3)
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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 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
Fig. 151Random Access Channel (3/3)
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10.3 DL Dransmission for TDD Mode
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• 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
DwPTS: Downlink Pilot time Slot
UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
Fig. 153Paging in TDD
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10.4 UL Transmission for TDD Mode
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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)
GP
RACH channel
RACH channel
SRS
UpPTS = 2 symbols
DwPTS: Downlink Pilot time Slot
UpPSS: Uplink Pilot Time Slot
Fig. 154Sounding Reference Signal SRS
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