TD-LTE系統(tǒng)控制信道同頻組網(wǎng)分析

陳永倩

（北京新郵通通信設(shè)備有限公司 北京100035）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP定義的下一個移動寬帶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，并且已經(jīng)列入3GPP R8正式標(biāo)準(zhǔn)。LTE改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM技術(shù)并引入MIMO等技術(shù)，極大地提高了移動通信系統(tǒng)的通信能力。LTE在20 Mbit/s帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s（2×2天線）與上行50 Mbit/s（2×1天線）的峰值速率。LTE采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和全I(xiàn)P系統(tǒng)架構(gòu)使傳輸時延更短，更適合承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3GPP LTE已經(jīng)被公認(rèn)為是能在2010—2020年支撐世界電信產(chǎn)業(yè)的移動通信系統(tǒng)。

小區(qū)之間干擾 （inter-cell interference，ICI）是蜂窩移動通信系統(tǒng)的一個固有問題，傳統(tǒng)的解決辦法是采用頻率復(fù)用，復(fù)用系數(shù)只有特定的幾個選擇，如1、3、7等。頻譜效率最高的方式就是復(fù)用系數(shù)等于1，也就是通常所說的同頻組網(wǎng)。但同頻組網(wǎng)會帶來同頻干擾，在小區(qū)邊緣同頻干擾更為嚴(yán)重。因?yàn)樵贠FDM系統(tǒng)中，小區(qū)內(nèi)的各個信號之間是正交的，所以O(shè)FDM技術(shù)比CDMA技術(shù)更好地解決了小區(qū)內(nèi)干擾的問題。但是作為代價，OFDM系統(tǒng)帶來的ICI問題可能比CDMA系統(tǒng)更加嚴(yán)重。如果兩個相鄰小區(qū)在它們結(jié)合部使用相同的頻譜資源，則會產(chǎn)生較強(qiáng)的ICI。

LTE系統(tǒng)物理層下行傳輸方案采用頻譜效率高的OFDMA技術(shù)；上行傳輸方案采用峰均比比較低的DFT-SC-FDMA技術(shù)。OFDM技術(shù)是LTE系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)與主要特點(diǎn)，其系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定對整個系統(tǒng)的性能會產(chǎn)生決定性的影響。

物理層控制信道是基站和UE之間傳遞控制信令的重要通道，它對傳輸質(zhì)量和時延都有很高的要求，信令信道如果接收錯誤或時延很大都有可能引起系統(tǒng)性能的降低?？刂菩诺滥芊裾５亟庹{(diào)將關(guān)系到整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量，基于此點(diǎn)，本文主要討論了LTE系統(tǒng)中控制信道同頻組網(wǎng)的能力。

2 控制信道同頻干擾分析

假設(shè)同頻干擾到被干擾小區(qū)用戶的距離為di，小區(qū)周圍的同頻干擾共有KI個，各個同頻干擾之間彼此獨(dú)立，若僅考慮傳播路徑損耗，那么被干擾小區(qū)用戶接收到的同頻干擾I可表示為：

其中，n為傳播路徑損耗的斜率，一般取4。

從式（1）可知，同頻干擾隨著傳播距離的增加而迅速地衰減?？紤]如圖1所示的蜂窩模型，假設(shè)各個小區(qū)均采用同頻組網(wǎng)，各個小區(qū)的每個用戶發(fā)射的功率相同，被干擾用戶在0號小區(qū)，同頻干擾來自其他小區(qū)。那么，對被干擾用戶來說，來自第一層各個小區(qū)的同頻干擾的強(qiáng)度只是本小區(qū)信號強(qiáng)度的1/12，第二層以上的小區(qū)引起的干擾更小，因此在下面的同頻干擾分析中僅考慮兩層同頻小區(qū)的干擾。

移動臺的信干噪比定義為接收到的本小區(qū)的基站的信號功率與接收到的信號總功率之比。也就是，接收到的本小區(qū)的功率為有用信號，設(shè)為S，其他基站的功率作為噪聲來處理，因此小區(qū)0的用戶接收到的信號和相鄰小區(qū)的干擾加噪聲比即接收的信干噪比，定義為：

其中n為背景噪聲，KI為同頻干擾數(shù)。

假設(shè)第n個小區(qū)的陰影衰落系數(shù)為ξn，ξn是對數(shù)正態(tài)分布的高斯隨機(jī)變量，單位為dB。同時考慮傳播路徑損耗和陰影衰落，那么同頻干擾Iki可表示為：

假設(shè)所有小區(qū)的大小幾乎都一樣，小區(qū)的大小是由小區(qū)信號強(qiáng)度的覆蓋面積決定的，那么：

采用蒙特卡洛仿真求解上面給出的同頻組網(wǎng)下小區(qū)中用戶的信干噪比的概率分布函數(shù)，得到同頻組網(wǎng)下小區(qū)內(nèi)的移動臺的SINR也即C/（I+N）分布函數(shù)如圖2所示。

從圖2可以得出，小區(qū)95%的覆蓋區(qū)域SINR值大于-5 dB，98%的覆蓋區(qū)域SINR值大于-6.7 dB。因此控制信道若能同頻組網(wǎng)，那么必須滿足各個控制信道在SINR值為-5 dB和-6.7 dB下能夠正常解調(diào)。

3 LTE控制信道同頻組網(wǎng)分析

3.1 PBCH同頻組網(wǎng)分析

LTE系統(tǒng)中PBCH用于廣播小區(qū)最基本的物理層配置信息。在3GPP R8規(guī)范中，PBCH編碼采用具有最優(yōu)距離譜的tail biting卷積碼，正常CP下通過編碼將24個信息比特和16個CRC比特擴(kuò)展到480 bit，且在4個連續(xù)的無線幀中重復(fù)傳輸該編碼塊，為接收端提供很高的編碼增益和合并增益。PBCH使用小區(qū)專用的擾碼進(jìn)行加擾，這使得小區(qū)之間的干擾隨機(jī)化。PBCH還采用了發(fā)射分集，當(dāng)發(fā)射天線為2天線時采用的是SFBC發(fā)射分集，4天線時采用的是SFBC+FSTD，為接收端提供了分集增益。對于各種不同的系統(tǒng)帶寬，PBCH的傳輸帶寬相同，占用頻帶中心的1.08 MHz帶寬（72個子載波），以保證PBCH能夠被可靠地解調(diào)。

分析系統(tǒng)帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE系統(tǒng)中PBCH的解調(diào)能力。仿真的信道模型、天線配置和相關(guān)性見表1，解調(diào)性能如圖3所示。

要正常解調(diào)PBCH，要求PBCH的誤塊率低于1%。從圖3可知，在給定的EPA5信道下，PBCH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PBCH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-5 dB?？梢奝BCH在給定的此種信道條件下能進(jìn)行同頻組網(wǎng)。

表1 PBCH仿真設(shè)置

3.2 PCFICH同頻組網(wǎng)分析

LTE系統(tǒng)中PCFICH承載當(dāng)前子幀中用于傳送PDCCH信道的OFDM符號數(shù)。在3GPP R8規(guī)范中，PCFICH將2 bit的數(shù)據(jù)采用塊編碼技術(shù)編碼到32 bit，為了獲得更高的魯棒性，該塊編碼采用的是(3,2)單形碼經(jīng)過10次重復(fù)后再附加2個系統(tǒng)比特的編碼方式。QPSK調(diào)制后形成16個調(diào)制符號，這16個調(diào)制符號映射到子幀第一個OFDM符號上的4個REG上。為了獲得充分的分集增益，這4個REG均勻地分布到整個系統(tǒng)下行帶寬上，并且PCFICH映射的頻域起始位置與小區(qū)ID有關(guān)，因此不同小區(qū)的PCFICH將形成相對的頻域偏移，避免不同小區(qū)的PCFICH之間的干擾。PCFICH也采用小區(qū)特定加擾，采用與PBCH相同的發(fā)射分集技術(shù)。

分析系統(tǒng)帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PCFICH的解調(diào)能力。仿真的信道模型、天線配置和相關(guān)性見表1，解調(diào)性能如圖4所示。

要正常解調(diào)PCFICH，要求PCFICH的誤塊率低于1%。從圖4可知，在給定的EPA5信道下，PCFICH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PCFICH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-5 dB?？梢奝CFICH在給定的此種信道條件下能進(jìn)行同頻組網(wǎng)。

3.3 PHICH同頻組網(wǎng)分析

LTE系統(tǒng)中PHICH承載上行數(shù)據(jù)的HARQ ACK/NACK反饋信息。在3GPP R8規(guī)范中，PHICH信道的傳輸是以PHICH組的形式來組織，1個PHICH組內(nèi)的多個PHICH信道占用相同的時頻域資源，采用不同的正交擴(kuò)頻碼復(fù)用。如果小區(qū)邊緣的SINR很低，可以使相同的物理資源上復(fù)用的用戶減少，提高它的解調(diào)能力，這樣PHICH抗干擾的能力可以自適應(yīng)地調(diào)整。PHICH采用小區(qū)特定加擾、用與PBCH相同的發(fā)射分集技術(shù)。

分析系統(tǒng)帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PHICH的解調(diào)能力。仿真的信道模型、天線配置和相關(guān)性見表1。仿真的用戶數(shù)為1，解調(diào)性能如圖5所示。

要正常解調(diào)PHICH，要求PHICH的誤塊率低于1%。從圖5可知，在給定的EPA5信道下，PHICH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PHICH達(dá)到1%的BLER所需的SINR=-5 dB?？梢奝HICH在給定的此種信道條件下能進(jìn)行同頻組網(wǎng)。若PHICH組用戶數(shù)超過1，那么在給定的ETU70信道下就不能進(jìn)行同頻組網(wǎng)，這時候可以采用增加發(fā)送天線數(shù)來提高PHICH的解調(diào)能力，從而實(shí)現(xiàn)PHICH的同頻組網(wǎng)。

3.4 PDCCH同頻組網(wǎng)分析

LTE系統(tǒng)中PDCCH是承載下行物理層控制信令的主要承載信道，承載調(diào)度分配和其他控制信息。在3GPP R8規(guī)范中，DCI的信道編碼采用的是tail biting卷積編碼。DCI的原始信息比特經(jīng)過CRC添加、信道編碼和速率匹配后，可以采用 1、2、4、8 個 CCE 進(jìn)行傳輸。

不同的DCI格式的DCI原始信息比特是不同的，并且不同的PDCCH格式可以采用不同的資源來傳送，這就導(dǎo)致了PDCCH的解調(diào)能力不同。也就是說，如果小區(qū)邊緣的SINR很低，可以采用低的編碼率提高它的解調(diào)能力，PDCCH抗干擾的能力可以自適應(yīng)地調(diào)整。

PDCCH采用小區(qū)特定加擾，采用與PBCH相同的發(fā)射分集技術(shù)。PDCCH的CCE到RE的映射按REG為單位先做子交織，以實(shí)現(xiàn)將連續(xù)的控制信息分散到時頻域上，再對交織后的REG序列進(jìn)行小區(qū)特定的循環(huán)移位，以實(shí)現(xiàn)干擾隨機(jī)化。

分析系統(tǒng)帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PDCCH的解調(diào)能力。仿真的信道模型為ETU70，信道低相關(guān)，天線配置為2×2，分別考慮了有效載荷（payload）為 31 bit和 10 bit，采用2、4和8個CCE傳輸?shù)那闆r，解調(diào)性能如圖6～8所示。

在給定的仿真條件下，一個PDCCH信道在8個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit和31 bit能滿足同頻組網(wǎng)的要求。一個PDCCH信道在4個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit能滿足同頻組網(wǎng)的要求，有效載荷為31 bit時能滿足小區(qū)95%的覆蓋同頻組網(wǎng)要求。一個PDCCH信道在2個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit和31 bit均不能滿足同頻組網(wǎng)的要求。

可見，對于PDCCH在不同的有效載荷下，必須采用不同的CCE傳輸才能滿足同頻組網(wǎng)的要求。因?yàn)槎鄠€PDCCH信道采用的是復(fù)用的方式，所以在用戶數(shù)較多而帶寬又較小時，將會出現(xiàn)邊緣用戶的CCE資源不夠的情況，這樣就會導(dǎo)致同頻組網(wǎng)的性能較差。

4 結(jié)束語

從上面的分析也可以看到，雖然不同控制信道的解調(diào)性能有所差異，但是總體來看，由于TD-LTE系統(tǒng)中采用了多種措施來提高控制信道的解調(diào)性能，使得控制信道具備了同頻組網(wǎng)的能力。在實(shí)際的同頻組網(wǎng)中，考慮到實(shí)際的無線環(huán)境非常復(fù)雜，可以根據(jù)實(shí)際信道環(huán)境來調(diào)整影響控制信道解調(diào)能力的參數(shù)，并采用其他一些干擾消除和干擾避免技術(shù)，進(jìn)一步提升控制信道的同頻組網(wǎng)性能。