LTE物理信道容量理论分析*

蒋杭州，陈晓冬

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 引言

LTE系统采用OFDM及MIMO等关键技术，具有更高速率、更高频谱效率、更高小区边缘速率以及更低时延等特点，全球绝大多数运营商选择LTE作为最终的网络演进方向。覆盖和容量是LTE运营商进行网络规划部署首要考虑的问题。运营商在进行容量规划时，考虑最多的是业务信道，但PDCCH、PUCCH、PRACH以及寻呼涉及用户接入、被叫、系统控制及调度等关键技术，其信道容量对网络性能影响也较大。本文从理论出发，详细分析信道结构、功能及容量特性，并寻求在理论上对其容量进行评估，探讨影响容量的一些因素。

2 PDCCH容量

2.1 概述

在LTE中，PDCCH是一个极其重要的控制信道，承载着下行和部分上行的控制信息。其控制信息包括上下行资源分配信息、上行功率控制信息、HARQ信息等，它是终端与基站之间进行业务通信、数据传输和上行同步的前提。

PDCCH信息占用每个子帧的第一个时隙中的前n个符号（n=0～3）。具体占用的符号数，由PCFICH指示。PDCCH由 多个CCE（1、2、4、8）构成，每个CCE对应9个REG，每个REG包含4个RE，每个REG在相同的OFDM符号内沿频率轴进行放置，并避开下行参考信号及PHICH信道所占用的资源位置。由此可见，系统有多少CCE可以使用，决定了在每个子帧可调度的用户数。

2.2 理论容量计算及分析

以10 MHz带宽为例计算CCE数，预置条件：CFI=1（PDCCH只占用一个符号）；系统带宽为10 MHz，天线配置 为2×2 MIMO；PCFICH固 定 占 用16个RE；Ng=1，PHICH占用84个RE。10 MHz带宽中用于PDCCH的RE数就是总的RE数减去参考信号、PCFICH、PHICH占用的RE数。总的RE数为50×12=600；参考信号占用的RE数为50×4=200。那么 可以算出用于PDCCH的RE数为600-200-16-84=300，CCE数为300÷36=8。

按照同样的方法可以计算出在10 MHz带宽下CFI=1、2、3时的CCE数，见表1。

表1 10 MHz系统带宽下不同CFI配置下的CCE数

CCE的数量代表着PDCCH可以调度的用户数，CCE数越多，系统可以调度的用户数越多。CCE的数量主要与系统带宽、天线数（天线口数目越多，参考信号占用的RE越多）及PHICH配置有关。每个用户需要的CCE数与用户所处的无线环境有关，如无线环境恶劣，则需要8个CCE以提高PDCCH解调准确性，反之可能需要1/2/4个CCE即可。随着用户数的增多，则需要大量的控制信道开销，对于一些时延敏感业务，如VoIP业务，下行控制信息则可能成为瓶颈。对于VoIP业务，系统可配置PDCCH为半静态调度，以节约PDCCH资源，满足更多用户接入。不同的CFI配置代表着PDCCH占用每个子帧第一个时隙的不同数目符号数，PDCCH自适应有利于系统根据用户数的多少配置不同数目符号数，提高资源分配的灵活度。

3 PUCCH容量

3.1 概述

PUCCH承载上行控制信息（UCI），主要包括如下内容：

·调度请求（scheduling request），请求PUSCH资源用于数据传输；

·HARQ信息，HARQ响应信息ACK/NACK，用于对下行数据的应答；

·下行信道质量信息，UE测量并反馈下行信道CQI、PMI、RI信息。

PUCCH可使用带宽的两端位置RB资源，且为对角线方式放置；PUSCH占用带宽的中间位置RB资源，如图1所示。

图1 PUCCH资源位置

PUCCH包含5种格式，每种格式代表PUCCH发送不同内容，见表2。

表2 PUCCH格式

PUCCH在相同的RB资源上还可以进行多用户复用。对于Format1、1a、1b，多个UE通过选用不同的Zadoff-Chu序列，在频域上进行扩展，实现共享一个PUCCH RB资源。该Zadoff-Chu序列为12 bit，因此最大可以产生12个Zadoff-Chu码用于区分用户。同时，每个PUCCH RB又可以使用正交序列，在时域上进行扩展，可应用3个正交码用于区分用户。对于Format2、2a、2b，多个UE通过选用不同的Zadoff-Chu序列，在频域上进行扩展，实现共享一个PUCCH RB资源。该Zadoff-Chu序列为12 bit，因此最大可以产生12个Zadoff-Chu码用于区分用户。因此PUCCH Format1、1a、1b占用一个时隙，可在一个PUCCH RB内最大实现12×3=36个UE的复用。PUCCH Format2、2a、2b占用2个时隙，可以在一个PUCCH RB内最大实现12个UE的复用。

3.2 理论容量计算及分析

对于Format 1a/1b，由于HARQ进程中ACK/NACK反馈是以一个时隙上的数据为单位进行反馈的，那么一个PUCCH RB在0.5 ms内，最大支持36个UE的ACK/NACK反馈。对于Format 2，由于CQI反馈的周期及占用RB数可以通过参数cqi-pmi-ConfigIndex及nRB-CQI分别设置，假设CQI的反馈周期为40 ms，占用RB数为2，则在一个CQI上报周期内，最大支持用户数为2×12×40=960。

由上可知，当CQI/PMI/RI上报占用的RB数越多，上报周期越长，可以支持的用户数越多，但由于上报周期长，对下行信道估计准确度降低，会影响下行吞吐量。反之，用于CQI/PMI/RI上报的RB数越少，上报周期越短，可以让系统掌握更丰富的下行信道信息，但是付出消耗较多上行资源，支持用户数少的代价。另外，当UE建立了PUSCH后，ACK/NACK和CQI信息将在PUSCH中传输，无需占用PUCCH资源。而且PUCCH的占用RB数是可以设置为2个甚至更多。因此，一般情况下，PUCCH不会成为空口容量的瓶颈。

4 PRACH容量

PRACH主要用于用户接入并与系统取得同步，其前导码包括4种格式，不同格式对应不同的小区半径。PRACH在频域上连续占用6个RB资源，其容量主要受参数PRACH configuration index影响。PRACH根据不同前导码格式有64种不同配置，下面以Format0进行说明。对于随机接入前导Format0，PRACH在时域上，有16种配置，对应PRACH所占用的不同子帧，见表3。

表3 前导码Format 0下PRACH的不同配置

在一个子帧内，最多有64个前导码可用，因此允许的最大用户数为64个。若设置为每个子帧都配置PRACH，则一个无线帧内，允许最大接入用户数为64×10=640个。若用于PRACH的子帧增多，可以提高PRACH的信道容量，但会对上行吞吐量造成影响，反之则反。在LTE网络部署初期，由于用户数量不大，建议的配置为PRACH index 3/4/5。

5 寻呼信道容量

处于空闲态的LTE终端通过在DRX周期内监听PDCCH，判断该寻呼时刻是否有自己的寻呼指示P-RNTI。若终端监听到P-RNTI，就去PDSCH指定资源位置解调寻呼消息。系统在广播消息中会下发两个重要参数，一个是T，表示DRX周期，取值范围为32、64、128、256，单位是无线帧；另一个是nB，表示寻呼密度，取值范围为T/32、T/16、T/8、T/4、T/2、T、2T、4T，比如4T代表一个寻呼帧中4个寻呼时刻（PO）。PDSCH中一个寻呼消息最多可同时携带16个UE的寻呼指示。

（1）寻呼无线帧号（PF）计算

SFN mod T=（T/N）×（UE_ID mod N）

满足上述公式的SFN的值即终端的寻呼帧号（PF）。N取min(T，nB)，

UE_ID=IMSI mod 1 024。

（2）寻呼时刻（PO）计算

PO为UE需要监听PDCCH的子帧号。计算公式为i_s=Floor(UE_ID/N)mod Ns，其中i_s是指向相应寻呼子帧，Ns=max(1，nB/T)，表示寻呼帧中寻呼子帧的数目。

PO取决于系统消息中广播的i_s和Ns，对应关系见表4。

表4 不同i_s和Ns对应的寻呼时刻

因此在一个无线帧内，寻呼时刻占用最大子帧数为4个。在一个无线帧内（1 ms），最大寻呼用户数为16×4=64个。在一个寻呼周期内，最大寻呼用户数为64T，当T=32时（320 ms），64×32=2 048。

6 结束语

随着移动互联网的蓬勃发展，人们对数据业务的需求愈来愈强劲，LTE商用步伐势必进一步加快。容量指标是LTE网络建设部署主要考虑的因素之一，也是满足用户需求的基本要求。在容量规划中除了对业务信道的考虑外，还需要重点考虑接入控制信道的容量因素。本文重点分析了PDCCH、PUCCH、PRACH及寻呼信道理论容量，并分析了对信道容量影响的相关因素，对将来的LTE网络规划和优化有一定理论指导意义。

1 TS 36.201.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);LTE Physical Layer General Description

2 TS 36.211.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation

3 TS 36.212.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Multiplexing and Channel Coding

4 TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedure

5 TS 36.331.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Radio Resource Control(RRC)