［邱斌 王正林］

LTE上行控制信道設計策略探討

［邱斌 王正林］

對LTE上行控制信道設計策略進行了探討，圍繞無線信道設計所遵循的可靠、高效原則，從健壯性、高效性和靈活性3個方面詳細分析了PUCCH信道設計時所采用的增強技術和實現(xiàn)方式，并探討了它們在發(fā)揮LTE網(wǎng)絡大容量、低時延和低成本組網(wǎng)優(yōu)勢方面所起的作用。

LTE 控制信道 PUCCH 設計策略

邱斌

工程師，本科畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)就職于廣東電信無線網(wǎng)絡優(yōu)化中心，10年移動通信優(yōu)化經(jīng)驗，主要研究方向為移動網(wǎng)技術演進和系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化。

王正林

工程師，本科畢業(yè)于西安電子科技大學，現(xiàn)就職于深圳市電信工程有限公司，11年移動通信優(yōu)化經(jīng)驗，主要研究方向為無線網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化。

1　引言

LTE（Long Term Evolution）作為準4G無線高速數(shù)據(jù)的承載技術，從2010年正式商用以來，得到了全球各大運營商、設備商、終端廠商和芯片廠商的高度支持和大力發(fā)展。根據(jù)GSA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2016年1月，全球已商用LTE網(wǎng)絡480個，用戶數(shù)突破6億，網(wǎng)絡部署之迅速超過以往任何一種移動通信技術。

在LTE架構中，高速率、低時延、多天線是其主要的技術特征，為了實現(xiàn)這些目標，上行控制信道PUCCH也必須采用新的設計方法和策略。在移動通信的信道中，上行控制信道作為輔助網(wǎng)絡完成業(yè)務信道的搭建、反饋信號質(zhì)量信息以輔助相干解調(diào)和系統(tǒng)調(diào)度、確認下行數(shù)據(jù)包等方面起著至關重要的作用，控制信道如果設計不好，將直接影響業(yè)務信道的性能。

在LTE空中接口技術中，上行控制信道與業(yè)務信道共用時頻資源，因此在設計時，需要平衡控制信道與業(yè)務信道的資源占用。既要保證控制信息的充分和承載更多的用戶，又要保證寶貴的空口資源不受到過分的擠占，提高業(yè)務信道的承載量；同時，與業(yè)務信道不同的是，控制信道本身沒有HARQ機制，因此，在健壯性能方面存在天然的不足，需要通過冗余編碼等其他方式來彌補。

2　PUCCH信道結構

2.1上行信道結構

LTE上行物理信道有3個，PUCCH作為唯一的公共控制信道，用來承載下行信道質(zhì)量指示、MIMO方式指示、下行數(shù)據(jù)包反饋等多項內(nèi)容。與3G不同的是，LTE在考慮上行控制信息的承載時，并沒有針對這些不同類別的信息而采用不同的控制信道來分別承載，而是采用單一的PUCCH統(tǒng)一來承載控制信息。這樣做的好處是簡化了系統(tǒng)設計的程序、降低了信道設計的復雜度，但由于大量信息在單一信道里傳輸，增加了信息處理和系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，如圖1所示。

圖1　LTE上行信道結構

2.2承載信息構成

根據(jù)信息傳遞的目的，可以將PUCCH承載的信息分成三大類：

（1）與信號質(zhì)量類相關的信息

（2）與下行數(shù)據(jù)包相關的信息

（3）與調(diào)度請求類相關的信息

如圖2所示。

圖2　PUCCH承載信息分類

PUCCH承載的信號質(zhì)量類信息包括兩部分，一部分是指CQI、PMI、RI等下行信道質(zhì)量相關信息，是終端測量下行參考信號得到的信道質(zhì)量反映，包括信道強度、相關性、預編碼矩陣等；而另一部分是指上行信道質(zhì)量信息是DM_RS，這些信息攜帶了上行信道的質(zhì)量，能夠幫助基站正確地解調(diào)對應的PUCCH；

下行數(shù)據(jù)包信息主要是指終端對下行數(shù)據(jù)包解調(diào)正確與否的反饋，即HARQ；

調(diào)度類信息是指終端向網(wǎng)絡申請上行資源前發(fā)送的調(diào)度申請，因為基站掌握著上下行資源的調(diào)度權限，因此，終端要發(fā)送數(shù)據(jù)必須先向基站申請空口資源，這就必須用到調(diào)度類信息，即SR。

可以看到，PUCCH上承載的控制信息種類廣、含量多、作用大，在系統(tǒng)資源調(diào)度、數(shù)據(jù)包確認和上行資源申請等多方面都非常重要，因此，在系統(tǒng)設計時需考慮各個方面的需求，如表1所示。

表1　PUCCH格式及其承載內(nèi)容

3　PUCCH健壯性設計

PUCCH作為控制信道，對健壯性要求非常嚴格，因為如果控制信道解調(diào)失敗，將直接影響業(yè)務信道的性能，比如，如果基站沒有正確收到終端反饋的信號質(zhì)量指示，那么在調(diào)度時就可能選用不合適的MCS，從而導致終端誤碼率升高，重傳增加。為此，健壯性是我們首先要考慮的因素。通常，在移動通信系統(tǒng)設計時，控制信道的健壯性需要重點考慮2個方面：

（1）邊緣覆蓋需求：小區(qū)邊緣路損大，信號差，傳遞信息所需的功率大，控制信道設計時需考慮功率分配或控制機制；

（2）容錯糾錯需求：不同于業(yè)務信道，控制信道自身沒有HARQ機制，因此在容錯方面需要通過其他方式進行彌補。

3.1參考導頻實現(xiàn)相干解調(diào)

通信系統(tǒng)中對于信號的調(diào)制解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式，相干解調(diào)由于引入了可參考的振幅和相位信息，基站解調(diào)更加容易和準確，終端所需要的功率也較小，因此，從3G開始，反向信道均采用了相干解調(diào)方式，PUCCH也不例外，在每個時隙的OFDM符號中選擇性插入?yún)⒖夹盘?，既能起到相干解調(diào)作用，又不占用過多的符號，在性能與負荷兩者間取得良好的平衡，如圖3所示。

圖3　PUCCH格式1、格式2 RS時域分布

3.2跳頻方式實現(xiàn)頻率增益

在時頻資源的放置上，PUCCH被設計放在頻帶的最邊緣，并且在相同子幀的2個時隙間采用跳頻的方式，這樣相同的信息在跨越大帶寬后（LTE最大支持帶寬為20MHz）重傳2次，可以充分利用頻率分集的增益，提高PUCCH的健壯性能。

如圖4所示，在20M帶寬下，用戶1的PUCCH信息在slot0時放在RB0中，而在slot1中則被放置在RB99中，相差了20M帶寬，而LTE中設計的最小帶寬為1.4MHz，遠大于相干帶寬，因此可以認為，slot0和slot1中m=0的信息經(jīng)歷了不同的信道衰落特性，具備良好的頻率選擇性增益。

3.3冗余編碼提高信道增益

PUCCH在對信息位進行編碼時進行了冗余編碼的方式，以多個符號表達1個信息位，從而增加了信道的健壯性能。以forma1為例，攜帶的信息為HARQ，信息量只有1位，而在物理資源上卻安排了2個RB共96個RE進行高冗余度編碼，96倍的增益大大提升了信道的抗干擾性能。

3.4功率控制補償信道衰落

功率控制是PUCCH提高健壯性的另一大有力武器。在移動通信中，由于無線環(huán)境的時變性，信號衰落呈現(xiàn)瑞麗分布和高斯分布的雙重特性，這時，如果沒有良好的功率控制機制，信號的起伏波動將非常大，甚至導致無法正確檢測出信號。在LTE系統(tǒng)中，PUCCH采取了功率控制的方式，基站設置期望接收到的標稱功率P0_PUCCH，通過比較實際的接收功率和標稱功率，對PUCCH發(fā)出降低或提高功率的指示，從而改善PUCCH的健壯性能。

終端的實際發(fā)射功率受到最大允許發(fā)射功率、路徑損耗、基站期望接收功率、PUCCH格式、以及功控比特的共同影響，終端離基站越遠（路損越大）、需要發(fā)送的信息位數(shù)越多，發(fā)射功率越大。

4　PUCCH高效性設計

PUCCH作為控制信道，其目的是為業(yè)務信道服務的，因此在設計時必須考慮到對業(yè)務信道資源的占用比例，高效性是其追求的一大目標。LTE在上行控制信道設計時采用了多種技術來節(jié)約時頻資源的占用，正常情況下，PUCCH對整體資源的占用率不超過10%，是較為理想的。

4.1碼分復用減少資源獨占

盡管LTE主要采用OFDM多址方式區(qū)分不同的用戶，但在PUCCH信道的設計上還是引入了碼分復用的方式，相較于OFDM獨占資源的方式，CDMA能夠共用資源，最大化減小控制信道對有限資源的占用，如表2所示。

以Format1/1a/1b為例，在頻域上占用12個子載波，通過頻域上的位移，最多可以復用12個不同的用戶；在時域上占用3個OFDM符號，最多可以復用3個用戶；綜合頻域和時域，則最多可以復用36個用戶，也既是說在當Format1占用1個RB時，其可以復用的用戶數(shù)最多可以達到36個。

表2　PUCCH頻分復用方式

4.2周期性發(fā)送減少資源消耗

終端通過PUCCH向基站反饋信息時，可以采用連續(xù)性反饋方式，但這會占用較多的RB資源，這樣留給PUSCH的RB數(shù)將減少，業(yè)務速率也會下降?；诖耍琍UCCH被設計成周期性發(fā)送的方式，以減少對RB資源的占用，提高上行業(yè)務信道速率。

在周期時長方面，如果周期過長，則不能夠及時反映信道質(zhì)量，導致基站不能恰當?shù)剡x擇相應的MCS，造成編碼效率低下或誤碼升高；周期過短，則會過多占用業(yè)務信道的資源。

在PUCCH攜帶的信息中，CQI和SR信息都是以周期性的方式進行發(fā)送的，在優(yōu)化這些周期時要考慮2個因素：

（1）信道的相干時間

信道的相干時間決定了CQI最大周期，如果CQI上報周期超出相干時間，則意味著終端上報的CQI已經(jīng)不能完全體現(xiàn)當前的信道質(zhì)量了。

（2）用戶面時延

根據(jù)LTE系統(tǒng)設計需求，用戶面雙向時延目標為100ms，因此，SR周期也必須參照該要求進行設置。

4.3基于包的反饋機制節(jié)約資源

與3G技術不同的是，LTED的HARQ機制中，并沒有采用傳統(tǒng)的基于用戶的確認，而是采用了基于數(shù)據(jù)包的確認。一個簡單的例子可以說明這種做法對于節(jié)約資源方面所帶來的好處。假設某個子幀中，同時存在100個連接，但只有10個連接產(chǎn)生了數(shù)據(jù)包，按傳統(tǒng)的基于用戶的HARQ機制，需要為這100個連接都分配并預留HARQ資源，但如果僅僅對當前子幀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包進行確認，則只需要10個HARQ資源，兩者對資源的消耗差距明顯。

4.4層次化調(diào)度申請減少了資源消耗

由于基站掌握了上行資源的調(diào)度權，因此終端要發(fā)送數(shù)據(jù)包時必須先向基站申請，通?？梢杂袃煞N實現(xiàn)方法：

終端根據(jù)緩存數(shù)據(jù)量大小，向基站申請最大可用資源；

終端先報告基站有數(shù)據(jù)發(fā)送，之后再通過PUSCH申請具體的資源需求。

方法1的缺點在于每個終端都通過PUCCH向基站申請最大所需資源，一方面會導致PUCCH承載的信息位數(shù)急劇增長，另一方面是基站在分配資源時并不單純根據(jù)終端的申請，而是會綜合考慮負荷程度、信號質(zhì)量、承載類別等因素，這種方式會造成信息的浪費，因此，在控制信道上承載過多不必要的信息是不可取的。

LTE中采用遞增式的資源請求方法，剛開始時在PUCCH上發(fā)送SR請求，作用是請求基站為UE分配上行資源（基站會給UE發(fā)送一個UL grant），SR只代表1 bit的信息，即指明UE是否有數(shù)據(jù)要發(fā)，但具體需要發(fā)送多少數(shù)據(jù)，這是通過后續(xù)的BSR來指定的，BSR在PUSCH上傳送，不會占用PUCCH的資源。

5　PUCCH靈活性設計

5.1資源的按需配置

PUCCH占用的RB數(shù)是可以靈活配置的，根據(jù)當前的連接數(shù)而按需配置，基站只需要在系統(tǒng)消息sib2中下發(fā)給終端即可；當用戶數(shù)減少時，系統(tǒng)可以按需減少PUCCH的資源，將結余的資源分配給PUSCH。

5.2信息的復用

為了進一步節(jié)省資源，PUCCH可以將原本獨立的信息進行復用，主要有2種形式。

（1）CQI與HARQ復用

對于擴展CP而言，由于可用的符號位較普通CP少，

因此用HARQ去調(diào)制CQI的參考信號，可以節(jié)省HARQ比特位。

（2）SR與HARQ復用

用HARQ去調(diào)制SR信道。由于SR本身不攜帶信息位，基站僅根據(jù)SR信道的能量來實現(xiàn)終端調(diào)度請求的判斷，因此當HARQ和SR同時出現(xiàn)時，可以將HARQ調(diào)制在SR信道上，達到信息復用、節(jié)省開銷的目的。

6　總結

總而言之，移動通信中控制信道作為幫助業(yè)務信道建立、維系和拆除的角色，在業(yè)務的整個生命周期中起到至關重要的作用，如果控制信道性能不佳，將直接影響業(yè)務信道的質(zhì)量和效率。LTE系統(tǒng)在PUCCH上行控制信道設計時充分考慮了健壯性、高效性和靈活度需求，能夠在系統(tǒng)開銷、網(wǎng)絡性能和用戶感知之間取得良好的平衡。

1 13GPP TS 36.213 Technical Specification Group Radio Access Network ；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Physical layer procedures， Version 10.12.0 Release 10

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3 Ghosh A，Zhang J，Andrews G J，et al. LTE權威指南. 李莉，孫成功，王向云譯. 北京：人民郵電出版社，2012

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10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.003

（2016-04-26）