一種提高M(jìn)TC上行能效的LTE標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)算法

溫慶華，黃沛江，王 斌

（中國(guó)移動(dòng)廣東公司東莞分公司，廣東 東莞 523000）

0 引 言

與互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的新型智能設(shè)備離不開無(wú)線通信的支持，同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的不斷變化推動(dòng)著無(wú)線通信的發(fā)展。無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)入第五代（5G），面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何滿足物聯(lián)網(wǎng)世界的多樣化需求。目前的解決方案包括電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.15.4藍(lán)牙[1-2]和 IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）[3]，主要依靠設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信和分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，這些技術(shù)受到低覆蓋和低容量的限制。通過(guò)長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）/LTE-Advanced（LTE-A）標(biāo)準(zhǔn)，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)也考慮了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的支持。LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，可以有效地支持IoT。

最近，正在部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和小型基站[4-5]來(lái)服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)流量高的地區(qū)。雖然這些解決方案成功地管理了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并提高了用戶吞吐量，但是需要大量的額外基礎(chǔ)設(shè)施和大量的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。IoT解決方案還包括自組織網(wǎng)絡(luò)（SON），即通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行調(diào)整，管理和優(yōu)化其運(yùn)營(yíng)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)效率的能力[6-7]。然而，SON需要復(fù)雜的算法和新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才能高效運(yùn)行。

隨著IoT服務(wù)成為蜂窩網(wǎng)絡(luò)和MTC發(fā)展的組成驅(qū)動(dòng)因素，3GPP已經(jīng)從LTE標(biāo)準(zhǔn)版本11啟動(dòng)了MTC標(biāo)準(zhǔn)化。在LTE網(wǎng)絡(luò)中使用MTC的主要優(yōu)點(diǎn)是僅使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為設(shè)備提供服務(wù)就可以降低運(yùn)營(yíng)成本，并使LTE提供更高的容量，為設(shè)備提供更加有效的服務(wù)。例如，即使在使用低成本設(shè)備的情況下，LTE也能為智能測(cè)量提供大容量[8]。結(jié)果表明，在使用LTE的城市部署場(chǎng)合中，需要大約2%的系統(tǒng)資源來(lái)支持高級(jí)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施。雖然LTE提供高容量，但是目前的LTE/LTE-A網(wǎng)絡(luò)主要被設(shè)計(jì)用于高效的H2H通信。為了使LTE網(wǎng)絡(luò)得到更廣泛的應(yīng)用，需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以支持MTC應(yīng)用。

本文的研究的目的是提供下行鏈路和上行鏈路中的機(jī)制，以便促進(jìn)3GPP LTE MTC的IoT，解決方案主要是使當(dāng)前LTE/LTE-A框架所需的變化保持最小。下面將主要探討有快速睡眠指示的DRX機(jī)制、時(shí)反饋對(duì)MTC UE能耗的影響和增強(qiáng)型主同步信號(hào)（ePSS）。

1 有快速睡眠指示（QSI）的DRX

在IoT情況下，eNB必須將尋呼消息傳送到大量MTC UE的集合。尋呼消息通過(guò)尋呼信道在下行鏈路中發(fā)送，該信道被映射到PDSCH物理信道。尋呼信道最多可容納16個(gè)UE。因此，eNB必須多次調(diào)度尋呼信息，將導(dǎo)致UE接收尋呼信息所需的時(shí)間增加。MTC UE是可延遲的，因此能夠處理接收尋呼信息的延遲。然而，UE在接收到有效的尋呼消息前會(huì)聽(tīng)到多個(gè)尋呼信息，導(dǎo)致功率消耗增加。

1.1 QSI機(jī)制

圖1為具有QSI的DRX和尋呼的第一個(gè)模型用于沒(méi)有CE的MTC UE。該模型中，通過(guò)從“深度休眠”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“再同步”狀態(tài)，UE從DRX周期喚醒時(shí)，UE開始進(jìn)行與傳統(tǒng)UE類似的尋呼檢測(cè)操作，以獲取符號(hào)邊界。然而，在定時(shí)獲取后，UE轉(zhuǎn)換到“QSI檢測(cè)”狀態(tài)檢測(cè)QSI信號(hào)。如果QSI傳送“睡眠”沒(méi)有有效的即將到來(lái)的頁(yè)面，則UE立即轉(zhuǎn)換到“深度睡眠”狀態(tài)。然而，如果QSI信號(hào)指示“保持喚醒”或者沒(méi)有成功檢測(cè)到QSI，則UE恢復(fù)傳統(tǒng)操作以解碼尋呼信息并轉(zhuǎn)換到“輕度睡眠”狀態(tài)。

圖1 提出的具有QSI（無(wú)CE）的DRX模型

圖2 描述了有CE的QSI的DRX和尋呼的第二個(gè)模型。UE通過(guò)從“深度睡眠”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“QSI和定時(shí)檢測(cè)”狀態(tài)來(lái)開始尋呼檢測(cè)操作。如果QSI傳送“睡眠”，則UE立即回到“深度睡眠”狀態(tài)；如果QSI指示“保持睡眠”，則UE轉(zhuǎn)換到“輕度睡眠”狀態(tài)，并通過(guò)移動(dòng)“尋呼解碼”到PO上；如果未檢測(cè)到QSI，則UE遵循傳統(tǒng)DRX操作，以解碼尋呼信息。

圖2 提出的具有QSI（有CE）的DRX模型

1.2 無(wú)CE的快速睡眠方案

沒(méi)有CE的MTC UE的QSI機(jī)制適用于寵物跟蹤或天氣感測(cè)的IoT場(chǎng)景，其中UE具有低移動(dòng)性，且位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好的區(qū)域中。這種情況下，設(shè)計(jì)QSI以便重新使用已經(jīng)由eNB分配的資源。選擇在子幀網(wǎng)格上位置不改變的物理信道發(fā)送QSI，以便UE知道QSI的位置。同步和廣播的物理通道符合該要求。

PSS、SSS和PBCH的關(guān)鍵特性是無(wú)論系統(tǒng)帶寬如何，它們總是占用1.4 MHz的恒定帶寬。在子幀0和子幀5上每5 ms分別發(fā)送PSS和SSS。它們包含一個(gè)符號(hào)，且UE可以使用相關(guān)解碼器來(lái)檢測(cè)這些同步信號(hào)并調(diào)整幀定時(shí)[9]。PBCH占據(jù)子幀0的4個(gè)符號(hào)，且每10 ms發(fā)送一次，有4次重復(fù)。因此，每40 ms發(fā)送一個(gè)新的PBCH。PBCH塊的結(jié)構(gòu)使得UE可以獨(dú)立解碼每個(gè)10 ms的傳輸，或組合多個(gè)重復(fù)體來(lái)解碼PBCH。由于帶寬較小，UE可以使用更小的快速傅里葉變換（FFT）來(lái)解碼PBCH。因此，同步或PBCH檢測(cè)階段的早期睡眠指示或QSI有助于UE確定是否必須返回睡眠或繼續(xù)解碼PDCCH。

PSS和SSS是在中心頻帶上發(fā)送的LTE/LTE-A中使用的同步信號(hào)。PSS在子幀0和子幀5中的第一時(shí)隙的最后一個(gè)符號(hào)上以5 ms的周期發(fā)送63長(zhǎng)度的ZC序列。第32載波對(duì)應(yīng)于DC副載波，并且被設(shè)置為零。SSS由DC子載波兩側(cè)的兩個(gè)31長(zhǎng)度的m序列組成。SSS也在PSS之前的子幀0和子幀5中一個(gè)符號(hào)發(fā)送。但是，子幀0上的SSS與子幀5上的SSS不一樣，有助于UE在采集過(guò)程中確定它是在無(wú)線電幀的前半部分還是在后半部分?？缭?.4 MHz的中心頻帶由72個(gè)副載波組成，包括直流副載波。PSS和SSS傳輸?shù)年P(guān)鍵特征是它們僅使用72個(gè)子載波中的62個(gè)。因此，除了DC子載波，還有9個(gè)未使用的子載波。所以，建議使用9個(gè)未使用子載波中的8個(gè)發(fā)送M個(gè)QSI位。

對(duì)于這種機(jī)制，考慮M≤4的情況并構(gòu)建4位QSI消息。當(dāng)M≤2時(shí)，可以重復(fù)這些位，且當(dāng)M=3時(shí)，為了獲得4位QSI消息，可以將零作為最高有效位附加。用Cm和Ns分別表示用于QSI傳輸?shù)恼{(diào)制方案和同步符號(hào)的數(shù)量，則在未使用的子載波上容納4位消息所需的重復(fù)次數(shù)為N== 2 N。r s

假設(shè)eNB必須使用可用功率的一部分來(lái)傳輸QSI。當(dāng)沒(méi)有QSI時(shí)，eNB的發(fā)射功率均勻分布在62個(gè)子載波上；當(dāng)存在QSI時(shí)，eNB均勻分布在70個(gè)子載波上。因此，當(dāng)發(fā)送QSI時(shí)，PSS/SSS SNR的損耗可以計(jì)算，為10lg，相比初始值有小幅度下降。如果eNB可以為QSI傳輸提供額外的功率，則PSS/SSS性能將不會(huì)下降。

1.3 有CE的快速睡眠方案

物聯(lián)網(wǎng)中，UE可以位于地下停車場(chǎng)、醫(yī)院等場(chǎng)所，以感測(cè)空閑的停車位或醫(yī)院的內(nèi)部患者的狀態(tài)。這種情況下，沒(méi)有CE的MTC UE的快速睡眠解決方案無(wú)效，因?yàn)閁E將需要多次重復(fù)的PSS/SSS來(lái)確定SNR（SNR非常低）。如果UE需要重新獲取PBCH，則需要PBCH的多個(gè)副本來(lái)準(zhǔn)確確定SFN。類似地，在PDCCH、PDSCH和QSI上解碼尋呼也將需要多次重復(fù)，將增加UE的接通時(shí)間。因此，優(yōu)選地設(shè)計(jì)魯棒的QSI信號(hào)，不僅指示一組UE是否可以被快速地睡眠，而且有助于更快的定時(shí)同步。UE解碼這樣的QSI信號(hào)可以同時(shí)獲得尋呼和定時(shí)信息，減少了ON時(shí)間并降低了尋呼解碼的復(fù)雜度，從而節(jié)省能量。本節(jié)介紹了使用PDSCH空間專用資源且具有CE的MTC UE的QSI信號(hào)設(shè)計(jì)機(jī)制。

使用ZC序列來(lái)創(chuàng)建具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性的QSI信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)魯棒的信號(hào)檢測(cè)。ZC序列是復(fù)幅度零自相關(guān)（CAZAC）序列，且這些序列的循環(huán)移位版本彼此正交。另外，長(zhǎng)度為N的兩個(gè)ZC序列的互相關(guān)被限制為，并已經(jīng)在LTE/LTE-A中用于PSS和隨機(jī)接入。提出的QSI ZC序列形式如下：

其中，N=131是ZC序列的長(zhǎng)度，P是選擇的ZC序列的根，使得它與N互質(zhì)。選擇P∈[2+8×(q-1)]，其中q=1,2,…,16。QSI序列占用131個(gè)子載波，選擇該長(zhǎng)度是因?yàn)閭鹘y(tǒng)尋呼塊將占用至少1個(gè)PRB對(duì)，并考慮了2個(gè)符號(hào)PDCCH，將共占用132個(gè)子載波。因?yàn)榛ハ嚓P(guān)峰與序列的長(zhǎng)度成反比，所以總是可以選擇較長(zhǎng)的序列來(lái)提高性能，但是較長(zhǎng)的序列將需要更多的資源。

在PDSCH空間中提出的QSI傳輸機(jī)制在無(wú)線電幀的子幀1、2、6和7中使用1個(gè)PRB對(duì)。選擇這些子幀提供對(duì)QSI信號(hào)的時(shí)間分集，并確保它是周期性的。使用中心1.4 MHz頻帶，并且在子幀1和7的頂部PRB對(duì)和子幀2和5的底部PRB對(duì)上發(fā)送QSI ZC序列，從而向QSI信號(hào)引入一些頻率分集，以確保QSI模式具有10 ms的周期性。當(dāng)UE檢測(cè)到QSI時(shí)，UE可以確定準(zhǔn)確的子幀號(hào)。圖3說(shuō)明了所提出的QSI信令模式。

圖3 PDSCH上的QSI傳輸機(jī)制

2 增強(qiáng)型主同步信號(hào)

在典型的無(wú)線通信系統(tǒng)中，移動(dòng)設(shè)備（UE）與基站保持準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí)同步，便于解碼下行鏈路數(shù)據(jù)。定時(shí)分辨率處于符號(hào)級(jí)別，即如果支持IoT的MTC UE找到正確的符號(hào)編號(hào)，則定時(shí)被指定為正確。為了在DRX喚醒間隔期間更快地進(jìn)行時(shí)序重新采集，將新增強(qiáng)型主同步信號(hào)（ePSS）引入LC器件的再同步信號(hào)，并演示了當(dāng)使用ePSS時(shí)能量消耗的降低過(guò)程。此外，還采用ePSS作為QSI機(jī)制的DRX，結(jié)合沒(méi)有頁(yè)面的定時(shí)重新采集，以及快速過(guò)渡到睡眠模式的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高LC設(shè)備的能源效率。

2.1 UE定時(shí)精度

如果UE使用高質(zhì)量振蕩器，會(huì)大大減小定時(shí)漂移。這意味著UE可以睡眠較長(zhǎng)的時(shí)間，而不會(huì)失去定時(shí)同步。通常，使用高品質(zhì)壓控溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（VCTCXO）的移動(dòng)設(shè)備精確度為±1 ppm[10]。但是，由于成本問(wèn)題，不能使用低復(fù)雜度MTC UE為其時(shí)鐘并入高質(zhì)量振蕩器，多使用VCO作為時(shí)鐘，精度為±10 ppm。假設(shè)符號(hào)時(shí)間為7.2×10-7s，允許的定時(shí)漂移為5%，即3.6×10-6s。具有10 ppm精確時(shí)鐘的MTC UE可以睡眠高達(dá)=0.36 s，而具有1 ppm精確時(shí)鐘的器件可以睡眠高達(dá)=3.6 s。但是，網(wǎng)絡(luò)支持的睡眠時(shí)間可能更長(zhǎng)。例如，在LTE/LTE-A中，網(wǎng)絡(luò)支持的睡眠時(shí)間最近延長(zhǎng)到2 621.44 s（43.69 min）。因此，對(duì)于兩種類型的設(shè)備，完美定時(shí)同步的假設(shè)并不成立，且定時(shí)重新獲取對(duì)于UE和eNB之間的通信很重要。

2.2 ePSS機(jī)制

再同步信號(hào)滿足LC設(shè)備的需求。該信號(hào)的設(shè)計(jì)類似于PSS，所以將其稱為增強(qiáng)型PSS（ePSS）。本文主要討論ePSS機(jī)制的設(shè)計(jì)和資源分配。

設(shè)計(jì)ePSS信號(hào)的目的在于使MTC UE可以在非常低的SNR（大約-14 dB）下以相當(dāng)大的精度檢測(cè)它。ePSS被LC器件使用，但LC器件處理能力有限，應(yīng)設(shè)計(jì)為以最小復(fù)雜度來(lái)提供最佳的魯棒檢測(cè)，這要求ePSS信號(hào)具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性質(zhì)。這種屬性由LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中廣泛使用的ZC序列表示，如在下行鏈路中的PSS和上行鏈路中的物理隨機(jī)接入信道（PRACH）。ZC序列使得它們的循環(huán)移位1版本彼此正交，且兩個(gè)N長(zhǎng)度ZC序列的互相關(guān)被N限制。這些屬性使它們成為ePSS信號(hào)設(shè)計(jì)的完美選擇。

此外，LTE/LTE-A無(wú)線電幀中的ePSS的位置應(yīng)使UE能夠在檢測(cè)時(shí)準(zhǔn)確確定子幀號(hào)，這就要求ePSS在時(shí)間和頻率上占據(jù)專有的不變資源。為了服從當(dāng)前LTE/LTE-A框架所規(guī)定的資源分配，這種專用資源只能在PDSCH空間中被容納。因此，可用于PDSCH的符號(hào)數(shù)由eNB決定。

使用子幀1和子幀2上的PDSCH來(lái)發(fā)送ePSS，使其位置在時(shí)間上固定。在具有正常CP的LTE/LTE-A中，子幀由14個(gè)符號(hào)組成。Resource元素（RE）跨越1個(gè)子載波×1符號(hào)，且PRB由12個(gè)RE×7個(gè)符號(hào)=84個(gè)RE組成。分配的最小單位跨越12個(gè)RE×1子幀，其對(duì)應(yīng)于一對(duì)PRB即168個(gè)RE。使用正常CP的LTE/LTE-A MTC的常用配置是由兩個(gè)符號(hào)PDCCH之前的12個(gè)符號(hào)PDSCH組成的子幀。這種情況下，可用于PDSCH的每個(gè)PRB對(duì)有168-2×12=144個(gè)RE。此外，PDSCH中的一些RE被保留用于導(dǎo)頻信號(hào)，這種情況下，每個(gè)PRB對(duì)為12個(gè)RE。這為PDSCH提供了每個(gè)PRB對(duì)132個(gè)RE。

在擴(kuò)展CP情況下，子幀由12個(gè)符號(hào)組成，分配的最小單位為12個(gè)REs×1個(gè)子幀=12×12=144個(gè)RE。如在正常CP的情況下，導(dǎo)頻信號(hào)傳輸需要每個(gè)PRB對(duì)12個(gè)RE。因此，每個(gè)PRB對(duì)可用的RE總數(shù)為144-12=132個(gè)RE。通常，一個(gè)符號(hào)用于PDCCH[11]。因此，對(duì)于擴(kuò)展CP情況，有132-12=120個(gè)可用于PDSCH的RE。

本文提出了兩種設(shè)計(jì)ePSS的方法：使用多個(gè)PSS和使用更長(zhǎng)的ZC序列。ePSS檢測(cè)使用遺留同步信號(hào)檢測(cè)機(jī)制的差分自相關(guān)。

使用多個(gè)PSS。這種方法中，ePSS由在PDSCH空間中占據(jù)RE的突發(fā)PSS拷貝形成。重新使用現(xiàn)有PSS序列的優(yōu)點(diǎn)是它們可以在eNB處輕易獲得，且不需要額外的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)新序列。ePSS PRB由不同根的兩個(gè)PSS序列的級(jí)聯(lián)組成。與ZC序列分布在頻率上的常規(guī)PSS不同，本文ePSS內(nèi)的PSS ZC序列隨時(shí)間擴(kuò)散，確保傳統(tǒng)UE不會(huì)將該信號(hào)錯(cuò)誤地檢測(cè)為PSS。PSS信號(hào)是63長(zhǎng)度的ZC序列，兩個(gè)這樣的序列將占用126個(gè)RE，未使用的RE設(shè)置為零。低復(fù)雜度MTC UE可以在對(duì)應(yīng)于6個(gè)PRB的1.4 MHz的最大下行鏈路帶寬上操作。因此，相當(dāng)于發(fā)送12個(gè)PSS副本的子幀中傳送6個(gè)ePSS副本。

使用更長(zhǎng)的ZC 序列。這種方法中，使用與PSS不同的ePSS的ZC序列。ZC序列具有的形式，其中n=0,1,2,…,N-1，r是ZC序列的根，N是長(zhǎng)度。根r和長(zhǎng)度N是互質(zhì)的。對(duì)于PSS，N=63和r∈[25，29，34]，共有33個(gè)根與63互質(zhì)，可用于構(gòu)建不同的ZC序列。

使用不同ZC序列的第二個(gè)解決方案是為ePSS使用較長(zhǎng)的序列。例如，在使用PDSCH且具有132個(gè)RE的PRB的情況下，可以使用長(zhǎng)度為131的ZC序列，并將單個(gè)未使用的RE設(shè)置為零。此外，因?yàn)榕c長(zhǎng)度相加的根數(shù)增加，為使用較長(zhǎng)長(zhǎng)度的序列提供了更大的序列集合。此外，兩個(gè)ZC序列之間的相互關(guān)系與成比例，且較長(zhǎng)的序列應(yīng)提高性能。

2.3 性能分析

與傳統(tǒng)的同步信號(hào)檢測(cè)機(jī)制相比，ePSS機(jī)制具有更好的檢測(cè)性能。采用DRX機(jī)制的UE結(jié)合ePSS一起用于定時(shí)重新同步消耗的能量，比使用當(dāng)前DRX機(jī)制（結(jié)合了用于重新同步的傳統(tǒng)同步信號(hào)檢測(cè)）的UE將消耗更少的能量。

圖4為遺留同步信號(hào)檢測(cè)方案和兩種ePSS設(shè)計(jì)方案的性能。通過(guò)觀察分析得出，使用更長(zhǎng)ZC序列設(shè)計(jì)的ePSS比通過(guò)重新使用PSS ZC序列設(shè)計(jì)的ePSS略好。較長(zhǎng)的ZC序列具有更好的互相關(guān)性質(zhì)，使其擁有更好的性能。

圖4 遺留同步信號(hào)檢測(cè)和ePSS檢測(cè)的性能

當(dāng)使用遺留同步信號(hào)檢測(cè)進(jìn)行再同步時(shí)，將DRX機(jī)制后的UE的能量消耗與使用ePSS解決方案的UE能量消耗進(jìn)行比較。從物理層的角度來(lái)看待能源消耗，并考慮一個(gè)基于兩個(gè)量的能量消耗計(jì)算的簡(jiǎn)單模型,圖1的UE的ON時(shí)間和圖2類似于[12]UE的睡眠時(shí)間。

表1 ePSS在DRX模式下的LC設(shè)備的能效增益

表1總結(jié)了使用ePSS解決方案對(duì)DRX周期長(zhǎng)度tDRX不同的UE的能量效率增益。檢查的情況包括當(dāng)前LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)（2.56 s）和最大擴(kuò)展DRX周期長(zhǎng)度（2 621.44 s）中支持的DRX周期的最大長(zhǎng)度。

3 結(jié) 論

綜上所述，在LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)化框架內(nèi)引入增強(qiáng)型主同步信號(hào)（ePSS），再結(jié)合提出的一種新的DRX機(jī)制，可大大降低ePSS能耗，提高定時(shí)重新同步化效率。該解決方案適用于CAT-M1、CAT-0及以上的UE類別，對(duì)傳統(tǒng)UE的影響最小，有利于發(fā)展IoT。