LTE物理下行控制信道盲检过程研究*
2010-08-09罗友宝李小文吴云梅
罗友宝，李小文，吴云梅
（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）
责任编辑:孙 卓
1 引言
长期演进（Long Term Evolution，LTE）作为准 4G 技术，以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技术为基础，下行采用OFDM多址技术，上行采用单载波频分（SC-FDMA）多址技术，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率，因此对系统延迟要求非常高。
LTE物理下行控制信道[1]（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）作为系统资源分配和控制信息调度的核心，其接收速度的快慢对系统的反应速度有着重要影响，然而，对于终端来说，接收PDCCH却是一件相对麻烦的事，因为终端不知道当前PDCCH传输的是什么信息，也不知道自己所需信息在什么位置，因此必须采取盲检的方式，如果对系统中所有的PDCCH进行监视，从终端的复杂度角度来说是不可行的，因此必须采取有效的机制来限制盲检次数，提高效率，为整个系统的反应速度争取时间。
2 PDCCH内容及结构
PDCCH承载着一个或多个终端的下行控制信息[2]（Downlink Control Information，DCI），包括终端接收物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）解调、译码等需要的下行调度分配信息，通知终端在物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）传输时应使用的资源和传输格式等调度授权信息、共享信道传输的确认信息以及用于上行物理信道功率控制的传输功率控制命令等控制信息。DCI分为多种格式，不同格式承载的信息不同，用途也各异，其中DCI格式 0对应的是 PUSCH 的调度信息；DCI格式 1，1A，1B，1C，1D 对应的是PDSCH的调度信息；DCI格式2，2A对应的是多天线情况的一些配置信息；DCI格式3，3A对应的是上行功率控制方面的一些配置信息。
一个PDCCH包含n个连续的控制信道元素（Control Channel Element，CCE），并且开始位置的 CCE应满足i mod n=0，i为CCE编号，每个CCE包含9个资源元素组（Resource Element Group，REG），每个 REG 包含 4 个资源元素（Resource Element，RE），也就是一个 CCE 是包含36个RE，72个比特信息的连续资源块。在系统带宽和用于PDCCH的OFDM符号数量确定后，从总的RE数量中减去 PCFICH （Physical Control Format Indicator Channel），PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator Chan⁃nel）以及参考信号所占的RE数目，再除以36即可得到一个子帧中总的CCE个数，编号从0～NCCE-1，其中NCCE=NREG/9，NREG为子帧中未分配给PCFICH和PHICH的资源元素组。PDCCH支持4种格式:格式0，1，2，3分别对应的 CCE 个数为 1，2，4，8。
通常情况下，PDCCH可以配置为占用一个子帧的前3个OFDM符号，频域延伸到整个带宽，多个PDCCH可以复用在一个子帧中传输。如果子帧中包含有MBSFN传输，那么可能有0，1或2个控制信息符号；如果是窄带系统，即资源块数小于10，那么控制符号数就要增加，可能是2，3或4个，从而确保小区边缘的覆盖。
3 PDCCH发送与接收流程
根据 3GPP 协议 36.211，36.212，36.213，可画出 PD⁃CCH发送与接收流程，如图1所示。当媒体接入控制层（MAC）用PDCCH来指示无线资源分配时，发送端首先从MAC获取DCI格式信息，进行CRC添加，同时用相应的RNTI对添加的CRC进行加扰。对于DCI格式0，如果终端配置并应用了发射天线选择，那么CRC将被天线选择掩码和RNTI一起加扰，映射到DCI格式的RNTI取决于逻辑信道的类型[3]，如表1所示。
图1 LTE物理下行控制信道发送与接收流程
表1 逻辑信道与RNTI的对应关系
CRC添加后对数据进行1/3的咬尾卷积编码、速率匹配，如果有多个PDCCH传输，则必须进行PDCCH信道复用，即将各信道速率匹配之后的数据进行级联 b（0）（0），…，b（0）（），b（1）（0），…，b（1）（），…，b（nPDCCH-1）（0），…，b（nPDCCH-1）），其中 n为同一子帧中的PD-CCHPDCCH编号，如图2所示。编号为n的CCE对应于比特b（72n），b（72n+1），…，b（72n+71），如果有必要的话，在复用之前需添加
4 PDCCH调度过程
图2 PDCCH信道复用
PDCCH调度过程即为网络端对PDCCH配置的过程，此过程决定了PDCCH内容和格式，详细过程为:
1）基于信道质量测量、调度请求（SR）和缓冲状态报告信息（BSR），决定在上行链路中哪些UE应分配资源，应分配哪些资源。
2）基于信道质量指示报告、MIMO、秩指示（Rank Indication）和优先的预编码矩阵信息，决定在下行链路中哪些UE应配置为分组传输。
3）标识所有必须的公共控制信道信息，如用于DCI格式3的功率控制命令。
4）为每个DCI信息决定PDCCH格式（即1，2，4或8 CCE），使用所有的功率偏移以至信息到达预期的UE足够可靠，尽可能地最小化PDCCH头。
5）决定PDCCH资源数量及来承载这些PDCCH的OFDM符号数量，并将所需OFDM符号数告知PCFICH。
6）在合适的搜索空间将每个PDCCH映射到CCE位置处。
7）如果PDCCH因为其相关的搜索空间已经被分配而不能被映射到CCE位置，可以接受一个或多个PDCCH不能被传输的损失，继续步骤8）；也可以再分配一个OFDM符号来承载必要的PDCCH，并且根据情况重新执行步骤1）和步骤2），改变UE选择和资源配置。
8）为PCFICH和PHICH分配必要的资源。
9）为PDCCH分配资源。
10）确定每个OFDM符号的总功率值没有超过允许的最大值，如果必要的话可以作适当调整。
11）发送下行控制信道PDCCH。
5 PDCCH信道盲检
通常情况下，终端不知道当前PDCCH传送的是什么格式的DCI信息，也不知道自己需要的信息在哪个位置。但是终端知道自己当前需要的信息，例如在空闲状态下终端期待寻呼信息和系统信息；发起随机接入前导后期待随机接入响应信息；在有上行数据等待发送的时候期待上行授权信息等。对于不同的期望信息终端将用相应的RNTI去解扰CRC，然后进行CRC校验，如果校验成功，那么终端就知道这个信息是自己需要的，也知道相应的DCI格式，从而进一步解出DCI内容，这个过程称为盲检过程。
5.1 搜索空间
CCE的结构有助于减少PDCCH盲检尝试次数，但是这还不够，必须采取一种有效的机制来限制终端监视的CCE集合。从调度的角度看，限制CCE集合是不可取的，因为这样可能影响发送端的调度灵活性以及需要额外的处理过程，同时从终端复杂度的角度看，要求终端监视所有可能的CCE集合，特别是在一个较大的小区带宽，这是不合理的[5]。LTE定义搜索空间（Search Space）来尽可能地减少CCE集合，从而减少终端对PDCCH的盲检次数。搜索空间就是UE假定应监视的CCE的集合。
假定终端按照某个给定的集合等级进行盲检尝试，搜索空间就是CCE按这个给定的集合等级组成的一系列候选 PDCCH。 由于 CCE 集合等级分为 1，2，4，8，…，因此一个终端有多个搜索空间，在每个子帧，终端将尝试监视它的搜索空间中所有候选PDCCH。如果CRC检验成功，则该候选PDCCH的内容是有效的，终端将处理该控制信道的信息。显然，如果控制信息仅在其中一个终端的搜索空间的PDCCH传输，那么网络将只能标识一个终端。搜索空间原理如图3所示。
如果PDCCH从标号为20的CCE开始，则终端A将不能被标识，而终端B可以。另外终端B的调度CCE为16～23，另一个终端C的调度为8～15，那么终端A将不能在CCE集合等级为4的PDCCH上标识，因为在它的所有空间中集合等级为4的CCE被其他的终端占用，所以，若要有效地利用系统的CCE，各个终端的搜索空间应各不相同。在每个CCE集合等级上，系统中的每个终端都有一个专用的搜索空间，其中被监视的DCI格式取决于传输模式。如果终端没有配置空分复用模式，那么就没有必要监视DCI格式2，2A。
终端的搜索空间没有被明确的告知，而是由一个以终端ID和子帧号为变量的函数定义，这样，终端的搜索空间就是时变的，有利于消除终端之间搜索空间的相互拥塞。在相同的子帧上，如果一个指定终端监视的所有的CCE都被别的终端占用，那么它将不能被调度，因此时变的搜索空间就可能在下一个子帧中解决这个问题[6]。
在很多的情况下，系统需要标识一组或所有的终端。例如系统的动态调度、寻呼信息的传输、传输一个明确指示的功率控制命令等。在专用搜索空间的基础上，LTE定义了公共搜索空间，从而允许所有的终端同时被标识。公共搜索空间就是指小区中的所有终端都监视相同搜索空间中的CCE，从而获得控制信息，与此同时，公共搜索空间也可以用于单个终端的调度。例如，它可以解决当一个终端因为在专用搜索空间缺乏可用资源而被拥塞的情况。公共搜索空间仅定义了CCE集合等级为4和8两种情况，仅用于 DCI格式 0，1A，1C，3和 3A，不支持用于空分复用模式的DCI格式，这样有利于减少终端监视公共搜索空间的盲检尝试次数。图3给出了某一子帧中两个终端的专用搜索空间和公共搜索空间，可以看出两个终端的专用搜素空间是不同的，而且将随着子帧的变化而变化。同时，当CCE集合等级为8时，在CCE为24～31处，两个终端的专用搜索空间发生了重叠，随着子帧的变化，重叠部分也将跟随着变化。
5.2 盲检过程
通过对PDCCH调度过程以及搜索空间的分析，PC⁃FICH和PHICH在接收PBCH获得系统同步后就可以成功接收，那么可以得到PDCCH信道盲检过程为:
1）根据PCFICH的CFI值确定PDCCH所占控制域的OFDM符号数，将此符号数乘以下行带宽，再乘以，减去参考信号RS占用的RE数目，得到控制域内总的RE数目。
2）计算的PCFICH与PHICH在控制域内所占的RE数目及时频位置，将它们占用的RE数目从总的RE数目中扣除，得到PDCCH所占的RE数目。
3）在解资源映射模块中，从控制域中取出PDCCH的RE，遇到PCFICH，PHICH及RS的位置跳过，还原资源元素组REG。
4）将接收到的数据依次经过解资源元素组交织模块、解预编码模块、解层映射模块、解QPSK调制模块以及解扰模块，得到发送端PDCCH信道复用后的数据流。
5）将得到的数据流的长度除以72，得到复用PD⁃CCH 总的 CCE 数目 NCCE，k，将得到的 CCE 从 0～NCCE，k-1 编号，k表示当前子帧号。由于发送端保证了数据为CCE的整数倍，因此，此处得到的数据也是CCE的整数倍。
6）根据终端所期待的DCI信息，确定用于CRC解扰的RNTI，确定CCE搜索空间。
表2 终端监视的候选PDCCH数目
对于公共搜索空间，L取值为4和8，Yk=0；对于终端专用搜索空间，L 取值为 1，2，4，8，Yk=（A·Yk-1）mod D，其中，Yk-1=nRNTI≠0，A=39827，D=65537，k=ns/2，ns为时隙号。
8）根据集合等级L在相应的搜索空间的起始位置读取CCE，由于不知道具体的搜索等级，所以终端必须将搜索空间中的所有集合等级逐一尝试。以终端专用搜索空间为例，如图4所示。CCE集合等级为1时，在搜索空间的起始位置读取一个CCE，这个CCE就是一个候选PDCCH，将读取的数据进行解速率匹配（如果有
6 小结
笔者从LTE系统PDCCH信道发送与接收流程出发，根据PDCCH信道结构和DCI信息格式，详细分析了PDCCH的搜索空间，为PDCCH信道的接收拟定了详细的盲检步骤，为实际系统的实现提供了理论依据。
[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.
