LTE物理下行控制信道盲檢過程研究*

羅友寶，李小文，吳云梅

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

責任編輯:孫 卓

1 引言

長期演進（Long Term Evolution，LTE）作為準 4G 技術，以正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM）和多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技術為基礎，下行采用OFDM多址技術，上行采用單載波頻分（SC-FDMA）多址技術，在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s的峰值速率，因此對系統(tǒng)延遲要求非常高。

LTE物理下行控制信道[1]（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）作為系統(tǒng)資源分配和控制信息調度的核心，其接收速度的快慢對系統(tǒng)的反應速度有著重要影響，然而，對于終端來說，接收PDCCH卻是一件相對麻煩的事，因為終端不知道當前PDCCH傳輸?shù)氖鞘裁葱畔?，也不知道自己所需信息在什么位置，因此必須采取盲檢的方式，如果對系統(tǒng)中所有的PDCCH進行監(jiān)視，從終端的復雜度角度來說是不可行的，因此必須采取有效的機制來限制盲檢次數(shù)，提高效率，為整個系統(tǒng)的反應速度爭取時間。

2 PDCCH內(nèi)容及結構

PDCCH承載著一個或多個終端的下行控制信息[2]（Downlink Control Information，DCI），包括終端接收物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）解調、譯碼等需要的下行調度分配信息，通知終端在物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）傳輸時應使用的資源和傳輸格式等調度授權信息、共享信道傳輸?shù)拇_認信息以及用于上行物理信道功率控制的傳輸功率控制命令等控制信息。DCI分為多種格式，不同格式承載的信息不同，用途也各異，其中DCI格式 0對應的是 PUSCH 的調度信息；DCI格式 1，1A，1B，1C，1D 對應的是PDSCH的調度信息；DCI格式2，2A對應的是多天線情況的一些配置信息；DCI格式3，3A對應的是上行功率控制方面的一些配置信息。

一個PDCCH包含n個連續(xù)的控制信道元素（Control Channel Element，CCE），并且開始位置的 CCE應滿足i mod n=0，i為CCE編號，每個CCE包含9個資源元素組（Resource Element Group，REG），每個 REG 包含 4 個資源元素（Resource Element，RE），也就是一個 CCE 是包含36個RE，72個比特信息的連續(xù)資源塊。在系統(tǒng)帶寬和用于PDCCH的OFDM符號數(shù)量確定后，從總的RE數(shù)量中減去 PCFICH （Physical Control Format Indicator Channel），PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator Chan?nel）以及參考信號所占的RE數(shù)目，再除以36即可得到一個子幀中總的CCE個數(shù)，編號從0～NCCE-1，其中NCCE=NREG/9，NREG為子幀中未分配給PCFICH和PHICH的資源元素組。PDCCH支持4種格式:格式0，1，2，3分別對應的 CCE 個數(shù)為 1，2，4，8。

通常情況下，PDCCH可以配置為占用一個子幀的前3個OFDM符號，頻域延伸到整個帶寬，多個PDCCH可以復用在一個子幀中傳輸。如果子幀中包含有MBSFN傳輸，那么可能有0，1或2個控制信息符號；如果是窄帶系統(tǒng)，即資源塊數(shù)小于10，那么控制符號數(shù)就要增加，可能是2，3或4個，從而確保小區(qū)邊緣的覆蓋。

3 PDCCH發(fā)送與接收流程

根據(jù) 3GPP 協(xié)議 36.211，36.212，36.213，可畫出 PD?CCH發(fā)送與接收流程，如圖1所示。當媒體接入控制層（MAC）用PDCCH來指示無線資源分配時，發(fā)送端首先從MAC獲取DCI格式信息，進行CRC添加，同時用相應的RNTI對添加的CRC進行加擾。對于DCI格式0，如果終端配置并應用了發(fā)射天線選擇，那么CRC將被天線選擇掩碼和RNTI一起加擾，映射到DCI格式的RNTI取決于邏輯信道的類型[3]，如表1所示。

圖1 LTE物理下行控制信道發(fā)送與接收流程

表1 邏輯信道與RNTI的對應關系

CRC添加后對數(shù)據(jù)進行1/3的咬尾卷積編碼、速率匹配，如果有多個PDCCH傳輸，則必須進行PDCCH信道復用，即將各信道速率匹配之后的數(shù)據(jù)進行級聯(lián) b（0）（0），…，b（0）（），b（1）（0），…，b（1）（），…，b（nPDCCH-1）（0），…，b（nPDCCH-1）），其中 n為同一子幀中的PD-CCHPDCCH編號，如圖2所示。編號為n的CCE對應于比特b（72n），b（72n+1），…，b（72n+71），如果有必要的話，在復用之前需添加元素以確保各PDCCH為CCE的整數(shù)倍[4]。接著將信道復用后的數(shù)據(jù)進行加擾、調制、層映射、預編碼、REG交織、資源映射，最后通過天線端發(fā)送。接收端基本上為發(fā)送端的逆過程，只是在解信道復用時采用盲檢方式對所有PDCCH進行搜索。

4 PDCCH調度過程

圖2 PDCCH信道復用

PDCCH調度過程即為網(wǎng)絡端對PDCCH配置的過程，此過程決定了PDCCH內(nèi)容和格式，詳細過程為:

1）基于信道質量測量、調度請求（SR）和緩沖狀態(tài)報告信息（BSR），決定在上行鏈路中哪些UE應分配資源，應分配哪些資源。

2）基于信道質量指示報告、MIMO、秩指示（Rank Indication）和優(yōu)先的預編碼矩陣信息，決定在下行鏈路中哪些UE應配置為分組傳輸。

3）標識所有必須的公共控制信道信息，如用于DCI格式3的功率控制命令。

4）為每個DCI信息決定PDCCH格式（即1，2，4或8 CCE），使用所有的功率偏移以至信息到達預期的UE足夠可靠，盡可能地最小化PDCCH頭。

5）決定PDCCH資源數(shù)量及來承載這些PDCCH的OFDM符號數(shù)量，并將所需OFDM符號數(shù)告知PCFICH。

6）在合適的搜索空間將每個PDCCH映射到CCE位置處。

7）如果PDCCH因為其相關的搜索空間已經(jīng)被分配而不能被映射到CCE位置，可以接受一個或多個PDCCH不能被傳輸?shù)膿p失，繼續(xù)步驟8）；也可以再分配一個OFDM符號來承載必要的PDCCH，并且根據(jù)情況重新執(zhí)行步驟1）和步驟2），改變UE選擇和資源配置。

8）為PCFICH和PHICH分配必要的資源。

9）為PDCCH分配資源。

10）確定每個OFDM符號的總功率值沒有超過允許的最大值，如果必要的話可以作適當調整。

11）發(fā)送下行控制信道PDCCH。

5 PDCCH信道盲檢

通常情況下，終端不知道當前PDCCH傳送的是什么格式的DCI信息，也不知道自己需要的信息在哪個位置。但是終端知道自己當前需要的信息，例如在空閑狀態(tài)下終端期待尋呼信息和系統(tǒng)信息；發(fā)起隨機接入前導后期待隨機接入響應信息；在有上行數(shù)據(jù)等待發(fā)送的時候期待上行授權信息等。對于不同的期望信息終端將用相應的RNTI去解擾CRC，然后進行CRC校驗，如果校驗成功，那么終端就知道這個信息是自己需要的，也知道相應的DCI格式，從而進一步解出DCI內(nèi)容，這個過程稱為盲檢過程。

5.1 搜索空間

CCE的結構有助于減少PDCCH盲檢嘗試次數(shù)，但是這還不夠，必須采取一種有效的機制來限制終端監(jiān)視的CCE集合。從調度的角度看，限制CCE集合是不可取的，因為這樣可能影響發(fā)送端的調度靈活性以及需要額外的處理過程，同時從終端復雜度的角度看，要求終端監(jiān)視所有可能的CCE集合，特別是在一個較大的小區(qū)帶寬，這是不合理的[5]。LTE定義搜索空間（Search Space）來盡可能地減少CCE集合，從而減少終端對PDCCH的盲檢次數(shù)。搜索空間就是UE假定應監(jiān)視的CCE的集合。

假定終端按照某個給定的集合等級進行盲檢嘗試，搜索空間就是CCE按這個給定的集合等級組成的一系列候選 PDCCH。 由于 CCE 集合等級分為 1，2，4，8，…，因此一個終端有多個搜索空間，在每個子幀，終端將嘗試監(jiān)視它的搜索空間中所有候選PDCCH。如果CRC檢驗成功，則該候選PDCCH的內(nèi)容是有效的，終端將處理該控制信道的信息。顯然，如果控制信息僅在其中一個終端的搜索空間的PDCCH傳輸，那么網(wǎng)絡將只能標識一個終端。搜索空間原理如圖3所示。

如果PDCCH從標號為20的CCE開始，則終端A將不能被標識，而終端B可以。另外終端B的調度CCE為16～23，另一個終端C的調度為8～15，那么終端A將不能在CCE集合等級為4的PDCCH上標識，因為在它的所有空間中集合等級為4的CCE被其他的終端占用，所以，若要有效地利用系統(tǒng)的CCE，各個終端的搜索空間應各不相同。在每個CCE集合等級上，系統(tǒng)中的每個終端都有一個專用的搜索空間，其中被監(jiān)視的DCI格式取決于傳輸模式。如果終端沒有配置空分復用模式，那么就沒有必要監(jiān)視DCI格式2，2A。

終端的搜索空間沒有被明確的告知，而是由一個以終端ID和子幀號為變量的函數(shù)定義，這樣，終端的搜索空間就是時變的，有利于消除終端之間搜索空間的相互擁塞。在相同的子幀上，如果一個指定終端監(jiān)視的所有的CCE都被別的終端占用，那么它將不能被調度，因此時變的搜索空間就可能在下一個子幀中解決這個問題[6]。

在很多的情況下，系統(tǒng)需要標識一組或所有的終端。例如系統(tǒng)的動態(tài)調度、尋呼信息的傳輸、傳輸一個明確指示的功率控制命令等。在專用搜索空間的基礎上，LTE定義了公共搜索空間，從而允許所有的終端同時被標識。公共搜索空間就是指小區(qū)中的所有終端都監(jiān)視相同搜索空間中的CCE，從而獲得控制信息，與此同時，公共搜索空間也可以用于單個終端的調度。例如，它可以解決當一個終端因為在專用搜索空間缺乏可用資源而被擁塞的情況。公共搜索空間僅定義了CCE集合等級為4和8兩種情況，僅用于 DCI格式 0，1A，1C，3和 3A，不支持用于空分復用模式的DCI格式，這樣有利于減少終端監(jiān)視公共搜索空間的盲檢嘗試次數(shù)。圖3給出了某一子幀中兩個終端的專用搜索空間和公共搜索空間，可以看出兩個終端的專用搜素空間是不同的，而且將隨著子幀的變化而變化。同時，當CCE集合等級為8時，在CCE為24～31處，兩個終端的專用搜索空間發(fā)生了重疊，隨著子幀的變化，重疊部分也將跟隨著變化。

5.2 盲檢過程

通過對PDCCH調度過程以及搜索空間的分析，PC?FICH和PHICH在接收PBCH獲得系統(tǒng)同步后就可以成功接收，那么可以得到PDCCH信道盲檢過程為:

1）根據(jù)PCFICH的CFI值確定PDCCH所占控制域的OFDM符號數(shù)，將此符號數(shù)乘以下行帶寬，再乘以，減去參考信號RS占用的RE數(shù)目，得到控制域內(nèi)總的RE數(shù)目。

2）計算的PCFICH與PHICH在控制域內(nèi)所占的RE數(shù)目及時頻位置，將它們占用的RE數(shù)目從總的RE數(shù)目中扣除，得到PDCCH所占的RE數(shù)目。

3）在解資源映射模塊中，從控制域中取出PDCCH的RE，遇到PCFICH，PHICH及RS的位置跳過，還原資源元素組REG。

4）將接收到的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過解資源元素組交織模塊、解預編碼模塊、解層映射模塊、解QPSK調制模塊以及解擾模塊，得到發(fā)送端PDCCH信道復用后的數(shù)據(jù)流。

5）將得到的數(shù)據(jù)流的長度除以72，得到復用PD?CCH 總的 CCE 數(shù)目 NCCE，k，將得到的 CCE 從 0～NCCE，k-1 編號，k表示當前子幀號。由于發(fā)送端保證了數(shù)據(jù)為CCE的整數(shù)倍，因此，此處得到的數(shù)據(jù)也是CCE的整數(shù)倍。

6）根據(jù)終端所期待的DCI信息，確定用于CRC解擾的RNTI，確定CCE搜索空間。

表2 終端監(jiān)視的候選PDCCH數(shù)目

對于公共搜索空間，L取值為4和8，Yk=0；對于終端專用搜索空間，L 取值為 1，2，4，8，Yk=（A·Yk-1）mod D，其中，Yk-1=nRNTI≠0，A=39827，D=65537，k=ns/2，ns為時隙號。

8）根據(jù)集合等級L在相應的搜索空間的起始位置讀取CCE，由于不知道具體的搜索等級，所以終端必須將搜索空間中的所有集合等級逐一嘗試。以終端專用搜索空間為例，如圖4所示。CCE集合等級為1時，在搜索空間的起始位置讀取一個CCE，這個CCE就是一個候選PDCCH，將讀取的數(shù)據(jù)進行解速率匹配（如果有元素應先去除）、Viterbi譯碼，然后再將得到數(shù)據(jù)的最后16個比特進行RNTI解擾，例如在隨機接入響應信息接收時，就用RA-RNTI解擾，最后將解擾后的數(shù)據(jù)放回原始位置，對整個數(shù)據(jù)進行CRC校驗，如果校驗成功，則根據(jù)DCI格式的長度，確定該DCI信息的格式，對于DCI格式0和1A，其長度相同，必須用Flag比特來區(qū)別。如果確定是期望的信息，則接收；否則，放棄此次搜索，搜索起始位置加L，重復以上過程，進行下一次搜索，直到搜索完當前空間中的所有候選PDCCH。如果CCE集合等級L=1搜索結束都沒有得到想要的DCI信息，那么回到步驟7）重新計算搜索空間的起始位置，進行下一個集合等級L=2的搜索，以此類推，直到解出終端想要的DCI信息或盲檢完所有的結合等級，盲檢結束。

6 小結

筆者從LTE系統(tǒng)PDCCH信道發(fā)送與接收流程出發(fā)，根據(jù)PDCCH信道結構和DCI信息格式，詳細分析了PDCCH的搜索空間，為PDCCH信道的接收擬定了詳細的盲檢步驟，為實際系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

[1]3GPP TS 36.211 V8.7.0， 3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； physical channels and modulation[S].Release 8.2009.

[2]3GPP TS 36.212 V8.7.0， 3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）；multiplexing and channel coding[S].Release 8.2009.

[3]3GPP TS 36.321 V8.6.0， 3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）；Medium Access Control（MAC）protocol specification[S].Release 8.2009.

[4]3GPP TS 36.213 V8.7.0， 3rd generation partnership project； technical specification group radio access network；Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； physical layer procedures[S].Release 8.2009.

[5]SESIA S， TOUFIK I， BAKER M.LTE， The UMTS long term evolution:from theory to practice[M].Great Britain:A John Wiley and Sons Ltd Press，2009:189-205.

[6]DAHLMAN E，PARKVALL S，SKOLD J，et al.3G evolution HSPA and LTE for mobile broadband[M].second edition.USA:Academic Press，2008:330-357.