LTE-A系统中EPDCCH的资源映射与性能分析

［丁月友 陈发堂］

LTE-A系统中EPDCCH的资源映射与性能分析

［丁月友 陈发堂］

随着移动通信技术的不断发展，新技术逐渐被引进，因此极大地增加了物理层控制信道的载荷。由于PDCCH的局限性，在3GPP Release 11中加入了新的控制信道EPDCCH。且EPDCCH在资源映射以及发送方式上与PDCCH有很大差异。为了验证EPDCCH比PDCCH有更好的性能，文章分析了EPDCCH在不同发送方式下的资源映射以及对比分析了EPDCCH与PDCCH的性能。仿真结果显示，EPDCCH在阻塞率以及误比特性能方面都要明显优于PDCCH。

LTE-A 增强型物理下行控制信道 资源映射 阻塞率

丁月友

男，硕士研究生，重庆邮电大学，重庆市移动通信技术重点实验室，主要研究方向：LTE-A系统物理层算法。

陈发堂

男，研究员，硕士生导师，重庆邮电大学，重庆市移动通信技术重点实验室，主要研究方向：移动通信和LTE-A系统开发。

1　引言

在LTE（Long Term Evolution，长期演进）系统中，支持频率选择性调度，自适应编码和调制以及MIMO（Multiple Input Multiple Output）等技术。其中下行传输采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术［1］［2］。在LTE物理层下行信道中，PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）发送DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）来指示上下行的资源配置。PDCCH与PDSCH（Physical Downlink Share Channel，物理下行共享信道）时域复用，PDCCH占用每个子帧的前几个OFDM符号。由于PDCCH信道占用整个频域位置，且在发送端采用发射分集方案，因此，PDCCH不能很好地获得频率选择性调度增益以及波束赋形增益。

在3GPP的R11以及后续版本中，LTE继续演进到LTE-A（Long Term Evolution Advanced，长期演进增强）［3］［4］。在LTE-A系统中，越来越多的传输方案和技术被引进。例如，多用户MIMO，异构网络中的协同多点传输技术CoMP（Coordinated Multiple Points Transmission），小区间干扰协调ICIC（Inter-Cell Interference Coordination）等。这些新的传输方案和技术在很大程度上依赖于物理层的控制信令，而PDCCH在容量上严重受限。由于PDCCH的局限性，3GPP在Release 11中引进了EPDCCH（Enhanced Physical Downlink Control Channel，增强型物理下行控制信道）。EPDCCH信道的优势在于：利用频域调度和波束赋形增益可以达到更高的频谱效率，可以实现更高的控制信道容量以及更大的下行控制信道分配的灵活性。因此，EPDCCH相比PDCCH，在性能上得到了很大地提升。本文主要分析了EPDCCH信道的资源映射方案以及对比了EPDCCH和PDCCH的误比特性能。

文章的结构如下，第二部分阐述了EPDCCH的资源映射方案，主要针对EPDCCH在集中式和分布式两种不同的传输方案下资源映射的研究分析；第三部分通过仿真分析了EPDCCH的性能，以及与PDCCH的性能进行对比分析。

2　EPDCCH资源映射

EPDCCH只被用于监听UE专用搜索空间，而公共搜索空间使用PDCCH监听。EPDCCH与PDSCH是频分复用的，以获得波束赋形和分集增益。EPDCCH的基本组成单元为EREG（Enhanced Resource Element Group，增强型资源粒子组），每个PRB包含16个EREG，从0到15进行编号。在高层分配给EPDCCH 的PRB中，除去DMRS占用的RE（Resource Element，资源粒子），将剩余的RE从0到15进行循环编号。如图1所示了在10M带宽、常规CP、2天线端口的小区参考信号所对应的EPDCCH资源映射图。图中编号为i的RE共同组成了EREG #i。被PDCCH以及参考信号占用了的RE不能分配给EPDCCH发送数据信息。

UE可以监听一个或两个EPDCCH PRB（Physical Resource Block，物理资源块）集合，每个PRB集合采用集中式或分布式传输方式来传输EPDCCH数据，高层给每个PRB集合分配个PRBs，其中可取值2、4或8。根据CP类型的不同，一个PRB对应于不同的ECCE（Enhanced Control Channel Element，增强型控制信道单元）数，常规CP时为4，而扩展CP时为2。故一个PRB集合可看作由多个ECCE组成，逐一编号0，1，...，其中为一个EPDCCH集合中的ECCE数。而一个EPDCCH使用其中的一个或多个连续的ECCE用于发送DCI信息。一个ECCE又对应于多个EREG，常规CP时为4，而扩展CP时为8。EPDCCH的映射方式根据传输类型的不同而不同，用于EPDCCH的传输类型有集中式和分布式传输方式。

图1　EPDCCH资源映射

2.1 集中式传输方式下的资源映射

高层根据当前的信道状态信息来指示EPDCCH的传输类型。当信道环境较好时，就会采用集中式传输方式来发送EPDCCH数据信息。当采用集中式传输方式时，高层会分配频谱资源较好的PRBs给EPDCCH。从而可以获得频率选择性调度增益以及波束赋形增益。根据3GPP TS 36.211可以得出用于EPDCCH集中式传输方式下EREG到ECCE的映射方式以及ECCE到PRB的映射方式，分别如式（1）、（2）所示：

根据公式（1）、（2）可将一个PRB中的EREG分成4 个EREG组：

（1）EREG #｛0，4，8，12｝组成EREG组#0；

（2）EREG #｛1，5，9，13｝组成EREG组#1；

（3）EREG #｛2，6，10，14｝组成EREG组#2；

（4）EREG #｛3，7，11，15｝组成EREG组#3；

由于CP类型或子帧类型的不同，一个ECCE对应4个或8个EREG［5］。当ECCE包含4个EREG时，一个ECCE对应于一个EREG组；当包含8个EREG时，则一个ECCE对应于EREG组#〈0，2〉或组#〈1，3〉。

由式（1）可得，在集中式传输方式中，组成ECCE的所有的EREGs位于同一PRB中。如图2，图示了=4，集中式传输方式的ECCE映射关系对比图，在=2或=8的情况下类同。其中，（a）、（b）分别表示常规CP与扩展CP类型下的PRB索引与ECCE的对应关系，以及各ECCE与EREG组的对应关系，表格中0～15与0～7为ECCE的编号。在（a）中，PRB #0由ECCE0～ECCE3组成，ECCE0对应于EREG 组#0，即由EREG#0、EREG#4、EREG#8、EREG#12组成，且该4个EREG位于同一PRB中。

图2　集中式的ECCE映射关系对比

2.2 分布式传输方式下的资源映射

当信道环境较差时，就会采用分布传输方式来发送EPDCCH数据信息。当采用分布式传输方式时，组成每一个ECCE的EREG会尽可能的分布在不同的PRBs上，以获得更多的频率分集增益。根据3GPP TS 36.211可以得出用于EPDCCH分布式传输方式下EREG到ECCE的映射方式以及ECCE到PRB的映射方式，分别如式（3）、（4）。

其中，式（3）、（4）中的参数与式（1）、（2）中的相同。

根据公式（3）、（4）可以得到，分布式与集中式类同，根据CP类型或子帧类型的不同，一个ECCE对应1个或2个EREG组。

组成分布式EPDCCH的每个ECCE的EREG会尽可能的分布在不同的PRBs上，以获得更多的频率分集增益。如图3，图示了，分布式传输的ECCE映射关系对比图，在或的情况下类同。其中，（a）、（b）分别表示常规CP与扩展CP类型下的PRB索引与ECCE的对应关系，以及各ECCE与EREG组的对应关系，表格中0～15与0～7为ECCE的编号。在（a）中，PRB#0中的EREG#0、PRB#1中的EREG#4、PRB#2中的EREG#8、PRB#3中的EREG#12组成一个EREG组，对应于ECCE#0。即组成某ECCE的EREG分布在不同的PRBs上。

图3　分布式的ECCE映射关系对比

3　EPDCCH的性能分析

对于集中式传输而言，主要是基于即时的信道条件来选择物理资源以及天线预编码来传输EPDCCH。即在小区能获得足够的下行信道状态信息时，可以使用集中式传输，并将EPDCCH放置在频谱资源较好的PRBs上传输，从而获得频率选择性增益。

对于分布式传输而言，主要是当小区无法获得即时的信道条件时，最大化分集来提供频率分集增益。即在小区无法获取或只能获取较少的信道状态信息时，将EPDCCH离散地分布在了不同的PRBs上，以随机化干扰，提高健壮性。

因此，在基站端，可以根据信道环境的变化，选择不同的传输类型来发送EPDCCH。故与PDCCH相对比，EPDCCH更适用于不同的信道环境，即具有更好的性能。以下就阻塞率和误比特性能两方面来分析EPDCCH信道，并与PDCCH进行对比。

3.1 阻塞率对比

在发送端，PDCCH与EPDCH资源映射时，均会映射到高层分配给控制域的某些时频资源位置。而随着信道环境的变化或者基站调度UE数的增加，不同UE的控制信息可能会出现阻塞。我们定义阻塞的概念为某个UE搜索空间被其他UE的搜索空间所覆盖，其中搜索空间是可能映射该UE控制信息的时频资源位置。当控制域出现阻塞时，相应的UE就无法盲检出属于它的控制信息，因此会在很大程度上影响到通信质量与用户体验。如图4，对比分析了PDCCH与EPDCCH的阻塞率，总的来说，EPDCCH的阻塞率要明显低于PDCCH，这主要是因为EPDCCH的资源映射是与PDSCH频分复用的。其中，在阻塞率为10-2时，EPDCCH比PDCCH多调度大约5 个UE。而随着调度UE数的增加，PDCCH与EPDCCH的阻塞率越趋相近，这是因为控制域的时频资源有限，随着调度UE数的增加，会逐步出现阻塞。

3.2 误比特性能对比

通过对10MHz带宽的LTE-A系统进行仿真来对比PDCCH与EPDCCH的性能。由于EPDCCH的集中式与分布式传输方式是根据信道环境来选择的，则对EPDCCH进行仿真时，对于SNR＜10的时候，采用分布式传输方式；对于SNR≥10时，采用集中式传输方式。PDCCH与EPDCCH的公共参数配置部分如表1。PDCCH与EPDCCH的性能仿真对比图如图5。

图4　PDCCH与EPDCCH的阻塞率对比

表1　 PDCCH与EPDCCH的参数配置

图5　AL=4时，PDCCH与EPDCCH的性能对比

图5显示了在聚合等级AL=4时，PDCCH与EPDCCH的性能对比图。仿真结果表明，明显地，与PDCCH相比较，EPDCCH具有更好的误比特性能。由于在信噪比较低的信道环境下，EPDCCH采用分布式传输方式，以获得频率分集增益。所以在SNR〈10dB时，EPDCCH有比较明显的误比特性能。相比PDCCH，在误比特率BER=10-1时，EPDCCH大约有4dB的性能优越。当SNR〉10dB时，EPDCCH采用集中式传输方式，以获得频率选择性增益与波束赋形增益。由于在信噪比较高的信道环境下，PDCCH与EPDCCH均会放置在频谱资源较好的位置。故如仿真图所示，当SNR〉10dB时，PDCCH逐渐接近于EPDCCH的性能。当BER=10-2、BER=10-2.5时，EPDCCH分别有大约2dB和1dB的性能优越。因此，EPDCCH相比PDCCH有更为明显地性能。

4　总结

文章主要分析了EPDCCH在集中式和分布式情况下的的资源映射方式，以及与PDCCH相对比做了性能分析，其中包括控制域的阻塞率、不同信噪比环境下的误比特性能。仿真结果表明，EPDCCH相比PDCCH而言，在性能上有大幅度提高。而下一代移动通信相比LTE/LTE-A更加注重频谱效率以及用户体验，因此将EPDCCH用于下一代移动通信中具有很好的理论和现实意义。

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