2026·06·28 ·

LTE物理层帧结构FDDTDD资源块CPOFDM同步信号特殊子帧

LTE物理层帧结构详解

一、LTE帧结构概述

LTE物理层帧结构是理解LTE空口资源调度、时间同步和信号设计的基础。LTE支持两种双工模式，对应两种帧结构：

帧结构类型	双工模式	适用场景
Type 1	FDD（频分双工）	上下行使用不同频率，同时收发
Type 2	TDD（时分双工）	上下行使用同一频率，通过时间区分收发

两种帧结构的高层时间框架一致：10ms无线帧 = 10个1ms子帧。

二、FDD帧结构（Type 1）

2.1 时间层级结构

graph TD
    RF[无线帧 Radio Frame<br/>10ms, SFN 0~1023] --> SF0[子帧0 1ms]
    RF --> SF1[子帧1 1ms]
    RF --> SF2[... 1ms]
    RF --> SF9[子帧9 1ms]
    
    SF0 --> SLOT0[时隙0 0.5ms]
    SF0 --> SLOT1[时隙1 0.5ms]
    
    SLOT0 --> SYM0[OFDM符号0]
    SLOT0 --> SYM1[... 共7个/常规CP]
    SLOT0 --> SYM6[OFDM符号6]
    
    style RF fill:#ffaaaa
    style SF0 fill:#aaffaa
    style SLOT0 fill:#aaaaff

2.2 FDD时间参数

时间单元	长度	说明
无线帧 (Radio Frame)	10ms	SFN(System Frame Number)范围0~1023，周期10.24秒
子帧 (Subframe)	1ms	每个子帧包含2个时隙，是LTE基本调度周期(TTI)
时隙 (Slot)	0.5ms	常规CP下包含7个OFDM符号；扩展CP下包含6个OFDM符号
OFDM符号 (Symbol)	~66.7μs(常规CP)	最小时间单位，承载调制符号

FDD上下行在不同频率上传输，每个子帧既可用于上行也可用于下行（频率区分）。

三、TDD帧结构（Type 2）

3.1 基本结构

TDD帧结构与FDD一样，10ms无线帧分为10个1ms子帧。但TDD中存在特殊子帧，用于上下行切换的保护间隔。

graph LR
    subgraph 一个无线帧 10ms
        D0[DwPTS<br/>下行] --- GP[GP<br/>保护间隔] --- U0[UpPTS<br/>上行]
        D0 & GP & U0 --> SP[特殊子帧<br/>1ms]
        SF1[子帧1<br/>上行或下行]
        SF2[...]
    end

3.2 特殊子帧构成

每个特殊子帧（Subframe 1 和 Subframe 6，在5ms切换周期下）分为三部分：

特殊子帧域	功能	长度可配置
DwPTS (Downlink Pilot Time Slot)	下行导频时隙，可传输下行数据	3~12个OFDM符号
GP (Guard Period)	保护间隔，上下行切换过渡时间，不传输数据	1~10个OFDM符号
UpPTS (Uplink Pilot Time Slot)	上行导频时隙，用于PRACH和SRS	1~2个OFDM符号

三者总长度固定为1ms（14个OFDM符号，常规CP）。

3.3 TDD上下行配置

TDD支持7种上下行配置（0~6），决定每个子帧的方向：

配置	切换周期	子帧0	子帧1	子帧2	子帧3	子帧4	子帧5	子帧6	子帧7	子帧8	子帧9	上下行比例
0	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U	1:3
1	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U	2:2
2	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U	3:1
3	10ms	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D	7:3
4	10ms	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D	8:2
5	10ms	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D	9:1
6	5ms	D	S	U	U	U	D	S	U	U	D	3:5（特殊）

其中D=下行，U=上行，S=特殊子帧。

3.4 特殊子帧配置（常规CP，常规CP下）

配置	DwPTS符号数	GP符号数	UpPTS符号数
0	3	10	1
1	9	4	1
2	10	3	1
3	11	2	1
4	12	1	1
5	3	9	2
6	9	3	2
7	10	2	2
8	11	1	2

GP长度决定了最大覆盖距离：GP越长，支持的小区半径越大（因为电磁波往返需要时间）。

四、循环前缀（CP, Cyclic Prefix）

4.1 CP的作用

CP是OFDM符号前插入的循环冗余部分，核心作用是对抗多径时延扩展造成的符号间干扰(ISI)。

graph LR
    CP[CP<br/>复制尾部] --> SYMBOL[OFDM符号主体<br/>有用数据]

4.2 两种CP类型

CP类型	长度	每时隙符号数	适用场景	开销
常规CP (Normal CP)	~~4.7μs（第一个符号~~5.2μs）	7个	大部分场景，城区宏站、小站	~7%
扩展CP (Extended CP)	~16.7μs	6个	大覆盖、多径严重场景（海面、山区、MBSFN）	~25%

第一个OFDM符号的CP略长，因为需要容纳定时偏差。

五、资源块与资源网格

5.1 资源块(Resource Block, RB)定义

资源块是LTE频域资源调度的基本单位：

$\text{1个RB} = 12个连续子载波 × 1个时隙(0.5ms)$

参数	值
子载波间隔	15kHz
1个RB子载波数	12个
1个RB带宽	12 × 15kHz = 180kHz
1个时隙RB内符号数	7个(常规CP) / 6个(扩展CP)

5.2 带宽与RB数对应关系

LTE带宽	RB数	占用带宽	保护带
1.4MHz	6 RB	1.08MHz	~0.32MHz
3MHz	15 RB	2.7MHz	~0.3MHz
5MHz	25 RB	4.5MHz	~0.5MHz
10MHz	50 RB	9MHz	~1MHz
15MHz	75 RB	13.5MHz	~1.5MHz
20MHz	100 RB	18MHz	~2MHz

5.3 资源单元(Resource Element, RE)

RE是最小的时频资源单位： $\text{1个RE} = 1个OFDM符号 × 1个子载波$

每个RE可承载一个调制符号（QPSK/16QAM/64QAM/256QAM）。

graph TD
    subgraph 资源网格(时频二维)
        RE[RE<br/>1符号×1子载波]
        RB[RB<br/>7符号×12子载波 = 84 RE]
        SUBFRAME[子帧<br/>1ms = 2个时隙 × N个RB]
    end
    
    RE --> RB
    RB --> SUBFRAME

六、同步信号位置

UE开机时通过检测同步信号完成小区搜索和时频同步。

6.1 PSS（主同步信号）

位置：FDD/TDD均位于子帧0和子帧5的第1个时隙的最后1个OFDM符号（常规CP下为符号6）
频域：占用中心72个子载波（6个RB带宽）
序列：3条Zadoff-Chu序列，对应PCI(物理小区标识) mod 3 = 0/1/2

6.2 SSS（辅同步信号）

位置：
- FDD：子帧0和子帧5的第0个时隙的倒数第2个OFDM符号（符号5）
- TDD：子帧0和子帧5的第1个时隙的第3个OFDM符号（符号2）
频域：与PSS相同，占用中心72个子载波
序列：168种组合，对应PCI组号，与PSS共同确定504个PCI

graph TD
    subgraph FDD帧结构中同步信号位置
        S0[子帧0<br/>1ms] --> SLOT0A[时隙0]
        S0 --> SLOT1A[时隙1]
        SLOT0A --> SYMS0[符号0-4]
        SLOT0A --> SYMS_SSS[符号5<br/>SSS]
        SLOT0A --> SYMS_PSS[符号6<br/>PSS]
    end
    
    style SYMS_PSS fill:#ffaaaa
    style SYMS_SSS fill:#aaaaff

6.3 PBCH（物理广播信道）

位置：子帧0的时隙1，前4个OFDM符号，频域中心72个子载波
内容：MIB（Master Information Block），包含系统带宽、PHICH配置、SFN等

七、物理信道与信号时频位置概览

信道/信号	位置	功能
PSS	子帧0/5，时隙0符号6(FDD)	下行同步，PCI模3识别
SSS	子帧0/5，时隙0符号5(FDD)	无线帧同步，PCI识别
PBCH	子帧0，时隙1符号0~3	广播MIB系统信息
PCFICH	每个子帧第1个符号	指示PDCCH占用符号数
PHICH	前1~3个符号（与PDCCH混传）	上行ACK/NACK反馈
PDCCH	每个子帧前1~3个符号（大带宽可4个）	下行控制信息(DCI)
PDSCH	PDCCH之后	下行用户数据、SIB、寻呼
PUCCH	频域两端RB	上行控制信息(UCI)
PUSCH	频域中间RB	上行用户数据
PRACH	配置的时频资源	随机接入前导
DMRS	与数据/PUCCH伴随	解调参考信号
CRS	全带宽分布	小区专有参考信号，用于测量/解调

八、FDD与TDD帧结构对比

对比项	FDD (Type 1)	TDD (Type 2)
上下行频率	分离频段	同频段
上下行时间	同时收发	分时间收发
特殊子帧	无	有（含DwPTS/GP/UpPTS）
同步信号位置	子帧0/5符号5~6	子帧0/5符号2和6
GP保护间隔	不需要（频率隔离）	需要，决定覆盖
信道互易性	无	有（上下行同频便于波束赋形）
终端射频	需双工器	无需双工器（但需快速切换）
部署	成对频谱	非成对频谱
主流应用	广域覆盖（国内主要）	中国移动5G之前的TD-LTE、热点部署

九、帧结构设计思想总结

1ms子帧作为基本TTI：在调度灵活性和信令开销之间取得平衡
10ms无线帧框架统一：FDD/TDD共享相同高层时间结构，减少标准复杂度
时隙而非子帧作为物理层最小单元：便于支持短TTI等增强
15kHz子载波间隔：平衡频偏敏感度（低速移动）和CP开销
特殊子帧设计(TDD)：通过可配置GP灵活支持不同覆盖半径，DwPTS可传数据提升频谱利用率
同步信号固定在子帧0/5：UE无需预先知道带宽即可检测信号，降低小区搜索复杂度

参考标准：3GPP TS 36.211 (LTE物理信道与调制)

← 返回笔墨札记