［丁月友 陳發(fā)堂］

LTE-A系統(tǒng)中EPDCCH的資源映射與性能分析

［丁月友 陳發(fā)堂］

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)逐漸被引進(jìn)，因此極大地增加了物理層控制信道的載荷。由于PDCCH的局限性，在3GPP Release 11中加入了新的控制信道EPDCCH。且EPDCCH在資源映射以及發(fā)送方式上與PDCCH有很大差異。為了驗(yàn)證EPDCCH比PDCCH有更好的性能，文章分析了EPDCCH在不同發(fā)送方式下的資源映射以及對(duì)比分析了EPDCCH與PDCCH的性能。仿真結(jié)果顯示，EPDCCH在阻塞率以及誤比特性能方面都要明顯優(yōu)于PDCCH。

LTE-A 增強(qiáng)型物理下行控制信道 資源映射 阻塞率

丁月友

男，碩士研究生，重慶郵電大學(xué)，重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向：LTE-A系統(tǒng)物理層算法。

陳發(fā)堂

男，研究員，碩士生導(dǎo)師，重慶郵電大學(xué)，重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向：移動(dòng)通信和LTE-A系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

1　引言

在LTE（Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn)）系統(tǒng)中，支持頻率選擇性調(diào)度，自適應(yīng)編碼和調(diào)制以及MIMO（Multiple Input Multiple Output）等技術(shù)。其中下行傳輸采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)［1］［2］。在LTE物理層下行信道中，PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）發(fā)送DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）來(lái)指示上下行的資源配置。PDCCH與PDSCH（Physical Downlink Share Channel，物理下行共享信道）時(shí)域復(fù)用，PDCCH占用每個(gè)子幀的前幾個(gè)OFDM符號(hào)。由于PDCCH信道占用整個(gè)頻域位置，且在發(fā)送端采用發(fā)射分集方案，因此，PDCCH不能很好地獲得頻率選擇性調(diào)度增益以及波束賦形增益。

在3GPP的R11以及后續(xù)版本中，LTE繼續(xù)演進(jìn)到LTE-A（Long Term Evolution Advanced，長(zhǎng)期演進(jìn)增強(qiáng)）［3］［4］。在LTE-A系統(tǒng)中，越來(lái)越多的傳輸方案和技術(shù)被引進(jìn)。例如，多用戶MIMO，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)CoMP（Coordinated Multiple Points Transmission），小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)ICIC（Inter-Cell Interference Coordination）等。這些新的傳輸方案和技術(shù)在很大程度上依賴于物理層的控制信令，而PDCCH在容量上嚴(yán)重受限。由于PDCCH的局限性，3GPP在Release 11中引進(jìn)了EPDCCH（Enhanced Physical Downlink Control Channel，增強(qiáng)型物理下行控制信道）。EPDCCH信道的優(yōu)勢(shì)在于：利用頻域調(diào)度和波束賦形增益可以達(dá)到更高的頻譜效率，可以實(shí)現(xiàn)更高的控制信道容量以及更大的下行控制信道分配的靈活性。因此，EPDCCH相比PDCCH，在性能上得到了很大地提升。本文主要分析了EPDCCH信道的資源映射方案以及對(duì)比了EPDCCH和PDCCH的誤比特性能。

文章的結(jié)構(gòu)如下，第二部分闡述了EPDCCH的資源映射方案，主要針對(duì)EPDCCH在集中式和分布式兩種不同的傳輸方案下資源映射的研究分析；第三部分通過(guò)仿真分析了EPDCCH的性能，以及與PDCCH的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2　EPDCCH資源映射

EPDCCH只被用于監(jiān)聽(tīng)UE專用搜索空間，而公共搜索空間使用PDCCH監(jiān)聽(tīng)。EPDCCH與PDSCH是頻分復(fù)用的，以獲得波束賦形和分集增益。EPDCCH的基本組成單元為EREG（Enhanced Resource Element Group，增強(qiáng)型資源粒子組），每個(gè)PRB包含16個(gè)EREG，從0到15進(jìn)行編號(hào)。在高層分配給EPDCCH 的PRB中，除去DMRS占用的RE（Resource Element，資源粒子），將剩余的RE從0到15進(jìn)行循環(huán)編號(hào)。如圖1所示了在10M帶寬、常規(guī)CP、2天線端口的小區(qū)參考信號(hào)所對(duì)應(yīng)的EPDCCH資源映射圖。圖中編號(hào)為i的RE共同組成了EREG #i。被PDCCH以及參考信號(hào)占用了的RE不能分配給EPDCCH發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

UE可以監(jiān)聽(tīng)一個(gè)或兩個(gè)EPDCCH PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）集合，每個(gè)PRB集合采用集中式或分布式傳輸方式來(lái)傳輸EPDCCH數(shù)據(jù)，高層給每個(gè)PRB集合分配個(gè)PRBs，其中可取值2、4或8。根據(jù)CP類型的不同，一個(gè)PRB對(duì)應(yīng)于不同的ECCE（Enhanced Control Channel Element，增強(qiáng)型控制信道單元）數(shù)，常規(guī)CP時(shí)為4，而擴(kuò)展CP時(shí)為2。故一個(gè)PRB集合可看作由多個(gè)ECCE組成，逐一編號(hào)0，1，...，其中為一個(gè)EPDCCH集合中的ECCE數(shù)。而一個(gè)EPDCCH使用其中的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的ECCE用于發(fā)送DCI信息。一個(gè)ECCE又對(duì)應(yīng)于多個(gè)EREG，常規(guī)CP時(shí)為4，而擴(kuò)展CP時(shí)為8。EPDCCH的映射方式根據(jù)傳輸類型的不同而不同，用于EPDCCH的傳輸類型有集中式和分布式傳輸方式。

圖1　EPDCCH資源映射

2.1 集中式傳輸方式下的資源映射

高層根據(jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)信息來(lái)指示EPDCCH的傳輸類型。當(dāng)信道環(huán)境較好時(shí)，就會(huì)采用集中式傳輸方式來(lái)發(fā)送EPDCCH數(shù)據(jù)信息。當(dāng)采用集中式傳輸方式時(shí)，高層會(huì)分配頻譜資源較好的PRBs給EPDCCH。從而可以獲得頻率選擇性調(diào)度增益以及波束賦形增益。根據(jù)3GPP TS 36.211可以得出用于EPDCCH集中式傳輸方式下EREG到ECCE的映射方式以及ECCE到PRB的映射方式，分別如式（1）、（2）所示：

根據(jù)公式（1）、（2）可將一個(gè)PRB中的EREG分成4 個(gè)EREG組：

（1）EREG #｛0，4，8，12｝組成EREG組#0；

（2）EREG #｛1，5，9，13｝組成EREG組#1；

（3）EREG #｛2，6，10，14｝組成EREG組#2；

（4）EREG #｛3，7，11，15｝組成EREG組#3；

由于CP類型或子幀類型的不同，一個(gè)ECCE對(duì)應(yīng)4個(gè)或8個(gè)EREG［5］。當(dāng)ECCE包含4個(gè)EREG時(shí)，一個(gè)ECCE對(duì)應(yīng)于一個(gè)EREG組；當(dāng)包含8個(gè)EREG時(shí)，則一個(gè)ECCE對(duì)應(yīng)于EREG組#〈0，2〉或組#〈1，3〉。

由式（1）可得，在集中式傳輸方式中，組成ECCE的所有的EREGs位于同一PRB中。如圖2，圖示了=4，集中式傳輸方式的ECCE映射關(guān)系對(duì)比圖，在=2或=8的情況下類同。其中，（a）、（b）分別表示常規(guī)CP與擴(kuò)展CP類型下的PRB索引與ECCE的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及各ECCE與EREG組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表格中0～15與0～7為ECCE的編號(hào)。在（a）中，PRB #0由ECCE0～ECCE3組成，ECCE0對(duì)應(yīng)于EREG 組#0，即由EREG#0、EREG#4、EREG#8、EREG#12組成，且該4個(gè)EREG位于同一PRB中。

圖2　集中式的ECCE映射關(guān)系對(duì)比

2.2 分布式傳輸方式下的資源映射

當(dāng)信道環(huán)境較差時(shí)，就會(huì)采用分布傳輸方式來(lái)發(fā)送EPDCCH數(shù)據(jù)信息。當(dāng)采用分布式傳輸方式時(shí)，組成每一個(gè)ECCE的EREG會(huì)盡可能的分布在不同的PRBs上，以獲得更多的頻率分集增益。根據(jù)3GPP TS 36.211可以得出用于EPDCCH分布式傳輸方式下EREG到ECCE的映射方式以及ECCE到PRB的映射方式，分別如式（3）、（4）。

其中，式（3）、（4）中的參數(shù)與式（1）、（2）中的相同。

根據(jù)公式（3）、（4）可以得到，分布式與集中式類同，根據(jù)CP類型或子幀類型的不同，一個(gè)ECCE對(duì)應(yīng)1個(gè)或2個(gè)EREG組。

組成分布式EPDCCH的每個(gè)ECCE的EREG會(huì)盡可能的分布在不同的PRBs上，以獲得更多的頻率分集增益。如圖3，圖示了，分布式傳輸?shù)腅CCE映射關(guān)系對(duì)比圖，在或的情況下類同。其中，（a）、（b）分別表示常規(guī)CP與擴(kuò)展CP類型下的PRB索引與ECCE的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及各ECCE與EREG組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表格中0～15與0～7為ECCE的編號(hào)。在（a）中，PRB#0中的EREG#0、PRB#1中的EREG#4、PRB#2中的EREG#8、PRB#3中的EREG#12組成一個(gè)EREG組，對(duì)應(yīng)于ECCE#0。即組成某ECCE的EREG分布在不同的PRBs上。

圖3　分布式的ECCE映射關(guān)系對(duì)比

3　EPDCCH的性能分析

對(duì)于集中式傳輸而言，主要是基于即時(shí)的信道條件來(lái)選擇物理資源以及天線預(yù)編碼來(lái)傳輸EPDCCH。即在小區(qū)能獲得足夠的下行信道狀態(tài)信息時(shí)，可以使用集中式傳輸，并將EPDCCH放置在頻譜資源較好的PRBs上傳輸，從而獲得頻率選擇性增益。

對(duì)于分布式傳輸而言，主要是當(dāng)小區(qū)無(wú)法獲得即時(shí)的信道條件時(shí)，最大化分集來(lái)提供頻率分集增益。即在小區(qū)無(wú)法獲取或只能獲取較少的信道狀態(tài)信息時(shí)，將EPDCCH離散地分布在了不同的PRBs上，以隨機(jī)化干擾，提高健壯性。

因此，在基站端，可以根據(jù)信道環(huán)境的變化，選擇不同的傳輸類型來(lái)發(fā)送EPDCCH。故與PDCCH相對(duì)比，EPDCCH更適用于不同的信道環(huán)境，即具有更好的性能。以下就阻塞率和誤比特性能兩方面來(lái)分析EPDCCH信道，并與PDCCH進(jìn)行對(duì)比。

3.1 阻塞率對(duì)比

在發(fā)送端，PDCCH與EPDCH資源映射時(shí)，均會(huì)映射到高層分配給控制域的某些時(shí)頻資源位置。而隨著信道環(huán)境的變化或者基站調(diào)度UE數(shù)的增加，不同UE的控制信息可能會(huì)出現(xiàn)阻塞。我們定義阻塞的概念為某個(gè)UE搜索空間被其他UE的搜索空間所覆蓋，其中搜索空間是可能映射該UE控制信息的時(shí)頻資源位置。當(dāng)控制域出現(xiàn)阻塞時(shí)，相應(yīng)的UE就無(wú)法盲檢出屬于它的控制信息，因此會(huì)在很大程度上影響到通信質(zhì)量與用戶體驗(yàn)。如圖4，對(duì)比分析了PDCCH與EPDCCH的阻塞率，總的來(lái)說(shuō)，EPDCCH的阻塞率要明顯低于PDCCH，這主要是因?yàn)镋PDCCH的資源映射是與PDSCH頻分復(fù)用的。其中，在阻塞率為10-2時(shí)，EPDCCH比PDCCH多調(diào)度大約5 個(gè)UE。而隨著調(diào)度UE數(shù)的增加，PDCCH與EPDCCH的阻塞率越趨相近，這是因?yàn)榭刂朴虻臅r(shí)頻資源有限，隨著調(diào)度UE數(shù)的增加，會(huì)逐步出現(xiàn)阻塞。

3.2 誤比特性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)10MHz帶寬的LTE-A系統(tǒng)進(jìn)行仿真來(lái)對(duì)比PDCCH與EPDCCH的性能。由于EPDCCH的集中式與分布式傳輸方式是根據(jù)信道環(huán)境來(lái)選擇的，則對(duì)EPDCCH進(jìn)行仿真時(shí)，對(duì)于SNR＜10的時(shí)候，采用分布式傳輸方式；對(duì)于SNR≥10時(shí)，采用集中式傳輸方式。PDCCH與EPDCCH的公共參數(shù)配置部分如表1。PDCCH與EPDCCH的性能仿真對(duì)比圖如圖5。

圖4　PDCCH與EPDCCH的阻塞率對(duì)比

表1　 PDCCH與EPDCCH的參數(shù)配置

圖5　AL=4時(shí)，PDCCH與EPDCCH的性能對(duì)比

圖5顯示了在聚合等級(jí)AL=4時(shí)，PDCCH與EPDCCH的性能對(duì)比圖。仿真結(jié)果表明，明顯地，與PDCCH相比較，EPDCCH具有更好的誤比特性能。由于在信噪比較低的信道環(huán)境下，EPDCCH采用分布式傳輸方式，以獲得頻率分集增益。所以在SNR〈10dB時(shí)，EPDCCH有比較明顯的誤比特性能。相比PDCCH，在誤比特率BER=10-1時(shí)，EPDCCH大約有4dB的性能優(yōu)越。當(dāng)SNR〉10dB時(shí)，EPDCCH采用集中式傳輸方式，以獲得頻率選擇性增益與波束賦形增益。由于在信噪比較高的信道環(huán)境下，PDCCH與EPDCCH均會(huì)放置在頻譜資源較好的位置。故如仿真圖所示，當(dāng)SNR〉10dB時(shí)，PDCCH逐漸接近于EPDCCH的性能。當(dāng)BER=10-2、BER=10-2.5時(shí)，EPDCCH分別有大約2dB和1dB的性能優(yōu)越。因此，EPDCCH相比PDCCH有更為明顯地性能。

4　總結(jié)

文章主要分析了EPDCCH在集中式和分布式情況下的的資源映射方式，以及與PDCCH相對(duì)比做了性能分析，其中包括控制域的阻塞率、不同信噪比環(huán)境下的誤比特性能。仿真結(jié)果表明，EPDCCH相比PDCCH而言，在性能上有大幅度提高。而下一代移動(dòng)通信相比LTE/LTE-A更加注重頻譜效率以及用戶體驗(yàn)，因此將EPDCCH用于下一代移動(dòng)通信中具有很好的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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