LTE?A系統(tǒng)中E?PDCCH設(shè)計(jì)及性能研究

尤雅　朱宇霞　張?jiān)?/p>

摘 要： 隨著LTE?A系統(tǒng)中新技術(shù)的引入，PDCCH的容量和同頻干擾逐漸成為制約系統(tǒng)性能的瓶頸。3GPP在Release 11中引入了E?PDCCH，對(duì)于E?PDCCH，這里詳細(xì)研究其發(fā)送端的資源映射設(shè)計(jì)和接收端的盲檢測(cè)算法，并在Matlab平臺(tái)上對(duì)PDCCH和E?PDCCH的性能進(jìn)行仿真比較。結(jié)果表明，在相同的配置條件下，E?PDCCH相對(duì)于PDCCH具有更低的誤碼率，更好的抗衰落性能。

關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)物理下行控制信道； LTE?A系統(tǒng)； E?PDCCH資源映射； E?PDCCH盲檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911.22?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0054?04

Design and performance research of E?PDCCH in LTE?A system

YOU Ya1， 2， ZHU Yu?xia1， 2， ZHANG Yuan?yu2

（1. Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications， Wuhan 430074， China；

2. Beijing Northern FiberHome Technologies Co.， Ltd.， Beijing 100085， China）

Abstract： With the introduction of new technologies in LTE?A system， the capacity and same frequency interference of PDCCH has become the bottleneck of system performance. E?PDCCH is introduced into 3GPP in Release 11. The design of resource mapping in the transmitter and the blind detection algorithm in the receiver are studied in detail in this paper， and then the performances of PDCCH and EPDCCH were compared by simulation on downlink platform of Matlab. The results show that E?PDCCH has lower error rate and better anti?fading performance than PDCCH with the same configuration.

Keywords： E?PDCCH； LTE?A system； resource mapping of E?PDCCH； blind detection of E?PDCCH

0 引 言

在LTE R10及之前，PDCCH用以承載上、下行數(shù)據(jù)的調(diào)度信息和一組用戶的上行功率控制命令信息。由于PDCCH采用全帶寬發(fā)送、分集傳輸，無(wú)法進(jìn)一步獲得頻率選擇性增益。同時(shí)，在同頻組網(wǎng)下，不同小區(qū)之間PDCCH會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。在異構(gòu)網(wǎng)下，Macro和Pico基站之間也會(huì)產(chǎn)生干擾。此外，LTE?A系統(tǒng)中引入了新的技術(shù)——上、下行MIMO增強(qiáng)、COMP等，新技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)導(dǎo)致控制信令需求的激增。PDCCH的容量和干擾成為阻礙系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的瓶頸之一。

由于PDCCH的局限性，在R11中引入了增強(qiáng)的物理控制信道（E?PDCCH）。在3GPP RAN1 69?71次會(huì)議上，眾多公司就E?PDCCH技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究與設(shè)計(jì)方向達(dá)成以下共識(shí)：考慮后向兼容性，盡量延續(xù)PDCCH的傳輸與接收機(jī)制；增加控制信道容量；支持頻域干擾協(xié)調(diào)與消除；資源可以靈活分配，帶來(lái)頻域選擇調(diào)度增益；支持波束賦形和分集傳輸模式；能兼容低版本UE等。

1 發(fā)送端資源設(shè)計(jì)

E?PDCCH和PDCCH一樣用以承載DCI信息，可支持除DCI format 1C和format 3以外的所有格式。相比于在全帶寬下一個(gè)子幀內(nèi)僅占用前幾個(gè)OFDM符號(hào)的PDCCH，E?PDCCH占用數(shù)據(jù)區(qū)域的資源，并且與PDSCH是頻分的，因此在資源分配上有了更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

E?PDCCH在一個(gè)子幀的數(shù)據(jù)區(qū)占用資源的起始符號(hào)位置，這與PDSCH所使用的傳輸模式有關(guān)。如果PDSCH使用傳輸模式1～9且高層給UE配置了參數(shù)epdcch?StartSymbol?r11，或者如果PDSCH使用傳輸模式10，且高層給UE配置參數(shù)pdsch?Start?r11，則E?PDCCH的起始位置[lEPDCHStart]由高層參數(shù)[l′EPDCHStart]獲得，否則根據(jù)CFI獲得。

對(duì)于一個(gè)下行子幀，在時(shí)域上確定E?PDCCH的起始符號(hào)后，還需要進(jìn)一步確定其占用的頻域位置。通過(guò)高層配置可獲取E?PDCCH的PRB集合數(shù)和對(duì)應(yīng)位置。其中參數(shù)numberPRB?Pairs?r11指示該EPDCCH?PRB集合里PRB對(duì)數(shù)，resourceBlockAssignment?r11指示PRB對(duì)索引合并后指示[r]的二進(jìn)制比特，通過(guò)[r]可以得到每個(gè)PRB對(duì)的索引[Ki，]具體計(jì)算如下式所示：

[r=i=0NXpRB-1NDLRB-kiNXpRB-i]

其中：[kiNXpRB-1i=0，1≤ki≤NDLRB，ki

[xy=xy，x≥y0，x

在時(shí)域上，E?PDCCH要避開(kāi)控制區(qū)域占用的OFDM符號(hào)；在頻域上，其要避開(kāi)PSS/SSS和PBCH所在PRB對(duì)。在E?PDCCH的可使用PRB對(duì)內(nèi)，并非所有的資源單元都能為E?PDCCH所使用，還需要扣除CRS、DMRS、CSI?RS占用的RE。

PDCCH的傳輸以CCE為單位進(jìn)行編排，每個(gè)CCE固定由9個(gè)REG組成，每個(gè)REG包括4個(gè)RE，即一個(gè)CCE由固定的36個(gè)RE資源組成。不同格式的DCI，傳輸信息bit數(shù)目的大小有所不同；根據(jù)無(wú)線信道的質(zhì)量，可以選用不同的PDCCH格式，對(duì)應(yīng)不同聚合等級(jí)的CCE承載傳輸DCI消息。

由于E?PDCCH與PDSCH在數(shù)據(jù)區(qū)是頻分復(fù)用的，每個(gè)子幀控制區(qū)占用的OFDM符號(hào)數(shù)和參考信號(hào)占用的RE數(shù)都是變動(dòng)的，所以不同子幀上的PRB對(duì)可用于E?PDCCH的資源是變化的。如果采用固定大小的eCCE設(shè)計(jì)，可能存在一個(gè)PRB對(duì)中可用資源無(wú)法提供整數(shù)個(gè)eCCE的情況。這意味著浪費(fèi)部分可用資源或者一個(gè)eCCE會(huì)分布在兩個(gè)或多個(gè)PRB對(duì)中，這樣會(huì)使UE對(duì)DCI的盲檢復(fù)雜度增加。因此在eCCE的設(shè)計(jì)中，R11采用了非固定eCCE/eREG大小的設(shè)計(jì)。協(xié)議規(guī)定每個(gè)eCCE由4個(gè)或者8個(gè)增強(qiáng)的資源單元組eREG組成，且每個(gè)PRB pair在扣除DMRS后分配給16個(gè)eREG，索引按照先頻域后時(shí)域的順序從#0～#15依次編號(hào)。如圖1所示為一個(gè)PRB對(duì)中常規(guī)CP、普通下行子幀中的RE編號(hào)情況。圖2為一個(gè)PRB對(duì)中擴(kuò)展CP、普通下行子幀中的RE編號(hào)情況。其中綠色的方格代表DM?RS，編號(hào)為[N]的RE共同組成編號(hào)為[N]的eREG。

在一個(gè)E?PDCCH set中，[NECCEEREG]可根據(jù)子幀的配置分為以下兩種情況：選擇1，一個(gè)eCCE是4個(gè)eREG的組合，即eREGgroup#0 {eREG#0，4，8，12}， eREG group #1{eREG#1，5，9，13}， eREG group #2{eREG#2，6，10，14}，eREG group #3{eREG#3，7，11，15}；選擇2，一個(gè)eCCE是8個(gè)eREG的組合，eREGgroup#0 {eREG#0，2，4，6，8，10，12，14}， eREG group #1 {eREG#1， 3， 5， 7， 9，11，13，15}。對(duì)當(dāng)前用戶所有可用PRB對(duì)中的eCCE依次進(jìn)行編號(hào)，按照集中式或分布式傳輸方式進(jìn)行資源映射。從資源利用的角度分析，集中式和分布式發(fā)送定義有相同的eREG，是為了保證集中式和分布式發(fā)送能復(fù)用在相同的PRB對(duì)上。

常規(guī)子幀下的RE編號(hào)

集中式傳輸方式下，每個(gè)用戶的E?PDCCH集中在一塊連續(xù)的資源上，主要被用于獲取控制信道的頻率選擇性調(diào)度和預(yù)編碼的增益，也較容易進(jìn)行頻域上的干擾協(xié)調(diào)，多用于eCCE聚合等級(jí)較低的情形；而分布式傳輸方式下每個(gè)用戶的E?PDCCH則要遍歷所有的PRB對(duì)，可獲得較好的頻率分集增益，主要被用在CQI/PMI反饋不準(zhǔn)確的環(huán)境下，此時(shí)eCCE聚合等級(jí)較高[1]。

一個(gè)UE可配置1～2個(gè)E?PDCCH set，每個(gè)E?PDCCH set下的所有E?PDCCH采用一種傳輸方式，所有的組合方式如表1所示。

2 接收端盲檢測(cè)算法

在接收端，為了方便UE找到PDCCH相應(yīng)的CCE位置，設(shè)計(jì)有公共搜索空間和用戶專用搜索空間。R11中，E?PDCCH僅支持用戶專用搜索空間。

如果在E?PDCCH中引入公共搜索空間，優(yōu)點(diǎn)是可以支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，增加搜索空間的容量，減少用 CRS 估計(jì)信道的開(kāi)銷，可以用于一些小帶寬的機(jī)器間通信。但其會(huì)和PDCCH 帶來(lái)雙倍開(kāi)銷，在無(wú)線資源控制（RRC）重配時(shí)需要回退測(cè)量，從標(biāo)準(zhǔn)上和終端實(shí)現(xiàn)上都增加了復(fù)雜度。為了減少PDCCH和E?PDCCH的功能重疊，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)于某一個(gè)特定的載波分量：如果一個(gè)終端在一個(gè)子幀上監(jiān)聽(tīng)了E?PDCCH的用戶專用搜索空間，那么不再監(jiān)聽(tīng)PDCCH的用戶專用搜索空間，但是仍然監(jiān)聽(tīng)公共搜索空間；反之，需要監(jiān)聽(tīng)PDCCH的公共搜索空間和用戶專用搜索空間，這樣是為了兼容R10中的用戶終端。

監(jiān)聽(tīng)E?PDCCH的用戶專用搜索空間，極限情況下需要遍歷所有的情況，最多需進(jìn)行32次盲檢測(cè)計(jì)算。接收端的處理流程如圖3所示。

具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1） 在每個(gè)下行子幀上，UE根據(jù)高層參數(shù)指示的PRB對(duì)依次進(jìn)行均衡、解QPSK、解擾。

（2） 將分配給E?PDCCH的PRB對(duì)扣除CRS、DM?RS、CSI?RS、控制信道占用的RE，可知一個(gè)PRB對(duì)中E?PDCCH可用的RE數(shù)。結(jié)合[NRBECCE=16NECCEEREG]可以計(jì)算出每個(gè)eCCE包含的RE數(shù)。

（3） 用解擾后的符號(hào)數(shù)除以每個(gè)eCCE包含的RE數(shù)，即可得到總的eCCE數(shù)[NECCE，p，k，]將得到的eCCE按照0～[NECCE，p，k-1]進(jìn)行編號(hào)，其中[p]表示E?PDCCH集合，[k]表示當(dāng)前子幀號(hào)。

（4） 根據(jù)UE的RNTI確定待檢測(cè)的DCI格式，確定聚合等級(jí)、候選空間和候選的信道數(shù)。

（5） 根據(jù)哈希函數(shù)：

[LYp，k+m?NECCE，p，kL?M（L）p+bmodNECCE，p，kL+i]

確定待檢測(cè)數(shù)據(jù)的起始位置。

在PDCCH的搜索空間中，哈希函數(shù)用來(lái)對(duì)CCE搜索空間進(jìn)行隨機(jī)化，可以減小調(diào)度擁塞的概率。即使哈希函數(shù)會(huì)使CCE搜索空間彼此連續(xù)也影響不大，因?yàn)樵诎l(fā)送端經(jīng)過(guò)交織器進(jìn)行了充分的隨機(jī)化。而對(duì)于E?PDCCH的發(fā)送端并沒(méi)有交織處理這一步，如果繼續(xù)使用PDCCH搜索空間的哈希函數(shù)，會(huì)導(dǎo)致資源過(guò)分集中，不能充分發(fā)揮頻率選擇和波束賦形的作用，因此對(duì)PDCCH的搜索空間進(jìn)行了改進(jìn)。

（6） 從起始位置開(kāi)始，讀取[L]個(gè)eCCE的數(shù)據(jù)，即一個(gè)候選信道取出依次進(jìn)行解速率匹配、維特比譯碼、CRC校驗(yàn)。由于UE端不知道信道格式，只能對(duì)聚合等級(jí)一一進(jìn)行嘗試，如按照[L]從小到大的順序做檢測(cè)，逐一檢測(cè)每個(gè)聚合等級(jí)下的每個(gè)候選信道，如果檢驗(yàn)成功則讀取信息，否則放棄此次檢測(cè)。一直重復(fù)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，直到找到期待的DCI信息，或者遍歷所有的情況檢測(cè)結(jié)束。

3 仿真與分析

根據(jù)R11中規(guī)定的E?PDCCH處理流程，搭建了整個(gè)E?PDCCH發(fā)送端和接收端，并在各個(gè)信噪比值條件下統(tǒng)計(jì)性能。其中具體的參數(shù)配置條件如表2所示，仿真圖如圖4所示。

從表2和圖4中可以看出，對(duì)于AWGN信道模型，E?PDCCH集中式傳輸?shù)腂LER約在-0.5 dB處降到10-2，分布式傳輸方式的BLER約在-1.5 dB處降到10-2。在BLER降到10-2時(shí)，集中式傳輸方式下E?PDCCH的性能優(yōu)于PDCCH約3 dB。

圖5所示即為在EPA信道模型下，PDCCH和兩種傳輸方式下E?PDCCH的BLER仿真圖，仿真條件配置見(jiàn)表3?？梢钥闯?，E?PDCCH的性能優(yōu)于PDCCH 0.5～4.5 dB；E?PDCCH資源映射過(guò)程中分布的PRB對(duì)數(shù)越多，就能獲取更好的分集增益，相應(yīng)的BLER越低，性能更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)R11中新引入的E?PDCCH，重點(diǎn)研究了發(fā)送端的資源映射處理和接收端的盲檢測(cè)算法設(shè)計(jì)，并在Matlab仿真平臺(tái)上搭建其發(fā)送端和接送端的代碼，統(tǒng)計(jì)PDCCH和E?PDCCH在各種配置環(huán)境下的誤碼率。從標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和仿真結(jié)果可知，E?PDCCH的設(shè)計(jì)在兼容原有版本的基礎(chǔ)上增大了控制信道的容量，也可獲取更好的頻率分集增益，仿真出比PDCCH更好的性能，更有利于實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

在后期的研究中，針對(duì)發(fā)送端的資源映射碎片和接收端的盲檢測(cè)算法還可以做出進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化。

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