TDLTE系统中下行控制信道容量分析
电信工程技术与标准化
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TD—LTE系统中下行控制信道容量分析
董江波,李楠,高鹏
(中国移动通信集团设计院有限公司,北京100080)
摘要本文主要针对TD-LTE系统中下行控制信道,特别是能够影响小区用户数的PHICH信道和PDCCH信道,分
析影响其信道容量的因素,并给出信道容量的计算公式,为将来进行TD—LTE网络规划与网络参数配置提供
技术参考。
关键词PHICH;PDCCH;信道容量l同时调度用户数中图分类号TN929.5
文献标识码A
文章编号
1008—5599(2011)09-0009—05
1
前言
LTE系统中OFDM/MIMO/AMC/快速调度等技
就将主要针对TD-LTE系统中下行控制信道的容量特
性进行分析,特别给出将会影响和限制下行小区容量的
PHICH信道以及PDCCH信道容量的计算公式,为实
际TD-LTE网络规划以及网络参数配置提供技术参考。
术的应用,使得LTE在系统峰值数据速率、小区边缘
速率、频谱利用率以及降低运营和建网成本方面都有进
一步的改进,同时扁平化的网络架构进一步降低了控制和用户面的时延,为用户提供“AlwaysOnline”的体验。
在2007年9月,中国移动牵头联合若干国际运营商以及设备制造商推动了TD帧结构的进一步融合,从
而带来了TD—LTE系统标准的快速发展,不断缩小了与LTEFDD系统的差距,目前已经进入了全国6城市TD—LTE规模试验。
2下行控制信道特点
2.1概述
下行控制信道用于承载下行控制信令,在LTE系
统中主要包含用于下行数据传输的调度信息(例如资源分配信息、调制编码方式等)、上行数据传输的HARQ应答信息、上行功率控制命令等,这些控制信令由物理层或者MAC产生,即所谓的“层l/层2控制信令”。
与其他2G以及3G系统类似,在TD-LTE网络规划与建设中,覆盖与容量性能实际运营商最为关心的
问题。而对于业务信道的容量性能,通常作为网络规划设计的指标,并且需要结合实际无线环境场景,应用规划软件进行分析。而实际上,在网络运营过程中,控制信道的容量特性也会制约和影响着实际网络性能。本文
收稿日期:201
1-08—02
根据动态调度用户的需求,每个子帧中控制区域占用的OFDM符号数是动态可变的,并且由当前子帧中
PCFICH信道指示。由于采用了控制在前数据在后的设
计方式,如图l所示(TD-LTE系统的子帧l和子帧6控制区域只能占用1个或2个OFDM符号),容许终端
墨雹曩墨互■●一________lI___l
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先接收和处理控制信令,而后根据控制信令中包含的调度信息(例如数据的调制编方式、资源位置等)处理下行数据信号,有效降低了调度和处理延时;同时也在没有数据传输的时候可以不处理数据区域,从而降低功耗。
NACK比特构成一个PHICH组,每个ACK/NACK
比特经过3倍重复、BPSK调制后与长度为4的正交扩
展序列相称,而后将一组内的多路信号进行叠加并加扰,
映射至控制区域中3个离散的REG上,即12个RE。
因此,PHICH信道具有如下特点:(1)PHICH组内IQ两路复用;(2)PHICH组内码分复用,频域扩频;
一
在TD—LTE系统中,下行信道包括PBCH,P/
S—SCH,PCFICH,PHICH,PDCCH,PDSCH等几种。
(3)PHICH组问通过频分复用l(4)PHICH信道仅仅在用户发送上行数据时才会用到。
PHIcH在控制区域映射在PCFICH未使用的PEG
上,其在时域映射的持续符号数,决定了其覆盖范围的大小;而一个小区中可以获得PHICH组数决定了能够支持的用户数。但在TD—LTE系统中当上下行子帧配
置不对称时,uL—SCH传输子帧和PHICH反馈子帧
之间不能建立象FDD一样的一一对应关系。TDD系统中一个下行子帧需要反馈多个上行子帧中UL—SCH传输的ACK/NACK信息,因此不同子帧之间需要配置
PHICH资源有差异。
下一章将具体分析,PHICH信道能够支持的用户
数与各参数的关系。
2
3
其中PBCH和P/S—SCH信道是小区中所有用户均需要进行接收的,而且这些信道的时频域位置固定,属于广播信道,不会限制小区容量。同样,PCFICH信道用
于指示本子帧PDCCH信道占用的OFDM符号数,所
PDCCH信道特点
PDCCH承载下行控制信息(DCI,Downlink
Control
Information),包括用于下行和上行数据传输
的调度信息和上行功率控制信息等。根据用途和信息内容的不同,DCI被封为不同的格式(DCIFormat),主要是上行PUSCH调度的DCI格式;下行PDSCH调度
的DCI格式,调度公共控制信息的DCI格式以及调度
有用户都需要接收,也不会限制到小区容量。因此在本文中,我们对于TD—LTE系统中下行控制信道容量的
分析主要是针对PHICH信道,PDCCH信道这两种。
22
PHjCH信道特点组播的功率控制信息的DCI格式。
具体处理过程与PHICH不同的是.PDCCH为多
用户共享资源。PDCCH的DCI信息通过终端C—RNTI
PHICH用于承载针对上行共享信道(UL—SCH)的数据包的HARQ应答(ACK/NACK)信息。UE根据该应答信息决定是否进行uL—SCH数据包的重传,因此PHICH的检测性能要求较高。ACK/NACK信息由lbit信令表示,信息长度较短,LTE系统中采用了蕾复编码、低阶调制(BPSK)、正交扩展、加扰和时频分集映射等方式保证ACK/NACK的传输性能。
具体处理过程为:在常规CP情况下,8个ACK/
加扰,来表示该DCI发送的目标用户。在一个下行子帧内,多个DCI并行进行编码和速率匹配,将编码比特复用后共同进行加扰、调制和交织等操作。
PDCCH占用的资源以CCE为单位,基站可以选
择使用1、2、4、8等不同的聚合度等级。PDCCH信
道能够占用的资源决定小区能够支持的同时调度的用户
电信工程技术与标准化
。。蛐耐__■誓誓——______I
数。下面,我们将仔细分析一个TD-LTE小区可以支宽,上下行子帧配置,CP类型有关。假设在常规CP
条件下,系统带宽为20MHz,TDD子帧配置采用格式
持的用户数与各参数的关系。
2,那么在不同Ⅳg配置时,可以支持的PHICH信道组
3下行控制信道容量分析
3.1
数与PHICH信道数如表2所示。
TD-LTE系统容量特点
在LTE系统中,多用户从时域、频域、空域和码
{百厂———~孚帧旃
表1
配置
0l234
————
TD-LTE系统中PHICH组数目
O
————L——
l2
——
34
JL
52O
一
6l
l
7
——
8
——
9
————
域等多个维度共享系统资源,因此系统容量的评估指标
也需要更加多维化,不仅要有可以支持小区用户数指标,
2
0
llO
O
——
l
l
0
l
——
0l00l
O0
O00
J——
l
0
O
1
也要有小区吞吐量(平均,峰值)等指标。而且对于小区用户数也需要区分同时调度用户数以及同时在线用户
数。
11l
0O1
——
——
00
O
0
0
O
l
0
5O0
对于本文要研究的PHICH信道与PDCCH信道,其信道容量的大小也会影响到TD-LTE系统小区容量的指标。例如,PHICH信道数配置的不足会影响上行
数据的传输,从而降低小区吞吐量;PDCCH信道资源
611l
表2Ⅳg
1/6
TD-LTE系统中PHICH信道容量(带宽20MHz。
子帧配置2,常规cP)PHICH组数
371325
PHICH信道数
2456104200
配置的不足会影响到同时调度的用户数指标等等。
3.2
I/2
l2
PHICH信道容量分析
PHICH信道用于承载为上行数据传输所反馈的下
行ACK/NACK信息。因此本文定义TD-LTE系统中
能够获得PHICH信道数来表征PHICH信道容量。
由公式(1)与表2我们可以看到,在一定系统带宽条件下,TD-LTE系统可以提供的PHICH信道数与上
在LTEFDD系统中,所有子帧中的PHICH组数
目相同,由高层通过PBCH信道进行广播,在常规CP
下行配比与札的取值有关。
当需要进行上行传输的用户数以及数据包较多时,
条件下PHICH组数是总RB个数的1/48、1/16、1/8以及1/4;在扩展CP条件下PHICH组数是总RB个数的1/24、1/8、1/4、1/2。但在TD-LTE系统中,不同子帧中PHICH组数目不同,前述4种配置分别乘以0,1,2即为各子帧中的PHICH组数。具体各子帧
的PHICH组数目与上下行配比有关。如表1所示。
所以TD-LTE系统中各个子帧的PHICH组数为:
可以选择配置较高的札取值。
但在R8系统设计中,PHICH资源的预留是比较
充裕的。
.
在实际进行网络参数配置时需要结合考虑PDCCH
信道数的支持情况。
3.3
PDCCH信道容量分析
类似地,首先定义TD-LTE小区中能够支持的
嘲={£嚣‰=
1/2,l和2。脚,的取值见表l。
㈩
PDCCH信道数为表征PDCCH信道容量。
PDCCH信道放置在一个子帧的前n(N≤3)
其中帆由PBCH进行广播,可以配置为1/6,
因此TD-LTE系统中PHICH信道容量与系统带
OFDM符号,与下行数据采用TDM的复用方式,数据最早可以在PDCCH的最后一个OFDM符号开始。在TD-LTE系统中定义了相对较大的CCE,即9个
REG,来为PDCCH信道进行资源分配。一个子帧内不3给出在系统带宽为20MHz,常规CP条件下,控制区同用户的CCE是通过FDM方式进行复用。这样不同域符号数分别为l、2、3,TDD子帧配置为格式1时,PDCCH之间能够实现功率平衡,即通过eNodeB控制
非子帧0和子帧5条件下PDCCH信道可用CCE数目。
可以将链路质量较好的UE的PDCCH发射功率节省下
表3系统带宽20MHz.PDCCH信道可用CCE数目
来以分配给链路质量较差的UE。
天线端口I改2
天≥皂端口I&4
——
PDCCH信道影响的是同时调度用户数,因此在一舂.
天£毙端口;数1
k=lk=2k=3k=1k=2k=3k=1k=2k=3定配置条件下PDCCH信道容量定义为可以同时调度的
l/6
265993
20
5487204174——f
——
H_
用户数。PDCCH信道容量受限于PDCCH可用CCE
l/225589l19
528619
38
72
—‘——J
—
l
235689175084173468资源以及PDCCH聚合度。
219
52
85
13
46
80
13
26
60
因此计算在控制区域内除去PCFICH信道以及PHICH信道所占的无线资源后,剩下的资源为最大的
因此,可以得到在Ⅳg取值为1/6,PDCCH不同承载PDCCH信道的资源。因此在每个子帧分配k个
聚合度下,在非子帧0和5条件下可以同时调度用户数
OFDM符号给控制区域时,一个TTI内能够支持的最
最大为表4所示。
大调度用户数可以表示为:
表4
PDCCH信道容量
M=[(N啪DLrN…VCnC。“N…PrilC…H、191N…PDC。H]
(2)
\
天线端口数1
天线端口数2
天线端口数4
PDCNCNN,
k=lk=2k=3k=1{丘=2k=3七=l血=2丘=3其中P晒,饿.。为下行控制区域内可用REG数,1265993
2054
87}2041}74P唧锘器尹为PCFICH信道占用的PEG数,尸c盯诺£器
2
13
29
46
10
2743102037为PHICH信道占用的REG数,P倒c…PttICH为一个
4
6
14
23
5
132l
5
‘10
18
L—‘1●——
‘——
837ll26
lO
25
9
PDCCH占用CCE个数。
PCFICH信道占用的REG数是固定的,2bit的需要说明的是在实际网络中PDCCH聚合度是自适应
CFI信息经过1/16编码为32bit,进行小区级加扰和
变化的。因此,可以根据现网中平均PDCCH占用CCE
QPSK调制后变成16个信息符号,映射到控制区域第
个数来进行网络所容许的最大同时调度用户数的估算。
一个OFDM符号的4个REG上。
由于PDCCH信道承载调度相关信息,因此
一个PHICH组占用的资源长度在PBCH信道中
PDCCH信道数只会限制同一TTI调度的用户数,但不
进行广播。一般来讲,经过扩频后的一个PHICH组信会限制同时在线用户数。但是当小区接入用户中如果绝
息符号经过小区级序列进行加扰、层映射及预编码之大部分用户速率都比较低,那么会限制小区峰值速率;后,映射到控制区域上第一个OFDM符号上,占用3
另外PDCCH配置的0FDM符号数目越多,相应的
个REG。
PDSCH信道可用的OFDM符号数就会越少,小区峰值
因此,在常规CP条件下,结合公式(I),PDCCH速率和平均速率就会越低,频谱效率下降。
信道容量公式可以变为:
M={(啦.。-4—3×Im×Ⅳg×Ⅳ嚣/8I)/9/NPccD:佣l(2)
4结论
由于在不同的天线端口数条件下参考信号RS的数
目有所变化,因此可用REG数P凹,dDEG,L。不仅与控制
经过前面对于PHICH以及PDCCH信道容量特点区域符号数k有关,还与天线端口的配置情况有关。表
的分析,我们可以得到如下几点结论:
(1)PHICH信道容量计算方法如公式(1)所示。与
参考文献
系统带宽和上下行子帧配比密切相关,与参数Ⅳg取值
【1】5GPP,TS
56.211
V.8.7.0,EvolvedUniversalTerrestrial
Radio
相关。Ng越大,小区中配置PHICH信道数就越多,
Access(E-UTRA);Physical
Channels
and
ModuIatjon(ReIease8)【s】.
能够支持的上行数据传输也越多。
2009,5.
【2】5GPP,TS
56.212
V.8.7.0,Evolved
UniversalTerrestrialRadio
(2)PDCCH信道容量计算方法如公式(3)所示,与
Access(E—UT趴);Multiplexing
andChannel
Coding[S】.2009,5.
系统带宽和上下行子帧配置密切相关。PDCCH资源的
【j】5GPP,TS
56.215V.8.7.0,Evolved
UniversalTerrestrialRadio
Access(E—UTRA);Physical
Layer
Procedures[S].2009,5.
聚合度越高,能够支持的同时调度用户数越少。
【4】王映民,孙韶辉.TD—LTE技术原4-b系统设计[M】.北京:人
(3)进行网络规划时需要根据小区中规划同时调度
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【5】沈嘉.5GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计【M】.北京:
用户数的具体情况选择适合的参数配置。
人民邮电出版社,2008.
CapacityanalysisofdownlinkcontrolchannelforTD-LTEsystem
DONGdiang-bo,LINan,GAOPeng
(ChinaMobile
GroupDesign
Institute,Beijing100080,China)
Abstract
Thechannelcapacityofdownlinkcontrolchannels,suchas,PHICHandPDCCH,isstudiedinthispaper.Theaspectswhichcan
affectthecapacity
are
analysizeddeeply.Intheend,theformulas
ofchannelcapacity
are
proposed,whichissignificantfortherealnetworkplanandrealnetwork
parameterassignment.
Keywords
PHICH;PDCCH;channelcapacity;numberofsimultaneous
users
TD—LTE
6城市规模试验网基本建成第一阶段测试进展顺利
由中国移动承担的国家重大专项重点项目“TD-LTE规模技术试验”取得重要进展,上海、杭州、南京、广州、深圳、
厦1"36城市核心网和无线网已基本建成,拟建基站规模超过1ooo个,大部分基站设备已安装并开通。同时,第一阶段(即针对单模终端)测试工作进展顺利,6月已完成核心网、传输、承载和安全方面的测试,并开始无线网络性能测试,9月底有望
完成工业和信息化部确定的第一阶段试验目标。
在国家有关部委的带领下,TD-LTE已经初步形成由中国企业主导、全球主流企业广泛参与,包括系统、终端、芯片、
测试仪表企业等在内的完整产业链。目前,已有24家国际运营商加人“TD-LTE全球发展倡议”,5家运营商启动商用网络
建设,10家国际运营商明确商用计划,32家国际运营商建立了试验网。在我国,工业和信息化部于2010年12月批复同意TD-
LTE规模试验总体方案,由中国移动承担上海、杭州、南京、广州、深圳、厦1"36城市TD—LTE规模技术试验网和北京演示
网建设。几个月来,中国移动会同入选的系统设备和芯片企业,抓紧开展规模技术试验的网络建设、设备安装调测和网络优
化,各项工作进展顺利。
TD—LTE应用研发进展也非常迅速,新系统可支持高清视频播放、高清视频监控、高速无线上网、高清视频会议等业・务,涵盖娱乐、办公和媒体应用等各个领域。2010年,中国移动建设的TD-LTE演示网相继在上海世博会、广州亚运会上亮
相,基于TD-LTE的移动高清会议、即摄即传等业务广受关注。2011年8月的大运会上,基于TD-LTE网络的即摄即传系统和移动媒体采访车运用于大运会电视直播。
(本刊讯)