Massive MIMO 小区PDCCH 控制信道容量提升技术研究*

刘大洋，张 悦，徐登军，廖繁茂，李 珂，蓝万顺

（1.中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623；2.华为技术有限公司，广东 深圳 518129）

0 引言

PDCCH 是LTE 的信令信道，上行的资源分配的承载和下行分配的承载都是通过PDCCH 通知给UE。PDCCH 在时域上主要占用时隙的前3 个符号(对于带宽比较小的小区，可能会使用4 个符号)，具体使用几个符号，由物理信道PCFICH 来指示，而PCFICH 是占用固定的时频位置[1]。在前面3 个符号上，还有其他的物理信道，包括PHICH 信道、RS 信号和PBCH 信道。PHICH 的信道不是固定的，下行的ACK 资源分配是异步的HARQ，所以PHICH 信道是在变化的。这个会影响大PDCCH的译码检测过程，所以PHICH 信道的信息，会在PBCH 中通知到UE，这样UE 就已经知道了前3 个符号所有的信息位置，而PDCCH 的信息则是其他信道占用之后剩余的信道分配的内容[2]。

如图1 所示：PCFICH、PHICH、PDCCH 占据同一块位置（RS 信号也占据部分RE），需基于PCFICH 指示的PDCCH 占据的OFDM 符号数，从PBCH 中找到PHICH 资源，剔除这几个信道后剩余的RE 即PDCCH 的位置。

图1 PCFICH、PHICH、PDCCH 符号位置

PDCCH 是传输物理层下行控制信息（DCI,Downlink Control Information）的信道。DCI 包括上下行数据传输的调度信息（时频资源块及相关调制编码方式）和上行功率控制信息。可以简单地理解为PDCCH 携带某种信息，这些信息就是为了完成上述7 种功能；因此可以把这些信息称为DCI，即PDCCH 承载的是DCI 信息，一个PDCCH 只能携带一个某种format 的DCI。一个小区可以在上行和下行同时调度多个 UE，即一个小区可以在每个子帧发送多个调度信息。每个调度信息在独立的PDCCH 上传输，也就是说，一个小区可以在一个子帧上同时发送多个PDCCH，即一个子帧上可能包含多个DCI 信息。由于DCI 的大小与其格式和下行系统带宽相关，差异会很大，因此承载DCI 的每个PDCCH 可以有不同的大小（占用数量不等的资源）。LTE 协议中按照聚合等级把PDCCH 分为了四种格式{0,1,2,3}，每种格式分别对应聚合等级{1,2,4,8}，聚合等级表示一个 PDCCH 占用的连续的CCE 个数，用n表示，且PDCCH 起始位置所在的CCE 号必须为n的整数倍[3]。

如表1 所示：PDCCH 根据payload 的长度的不同划分了4 种不同的格式。

表1 PDCCH 4 种不同的格式

说明：长短不一的划分是为了承载不同长度的控制信息，同时也便于照顾边缘用户的信道质量（使用长的控制信道格式），按照CCE 的倍数来设计长度，可减少PDCCH 盲检测的复杂度。

PDCCH 是由4G 基站eNodeB 发送给UE 的，即属于下行信号，其主要作用有：

（1）向UE 发送下行调度信息，以便 UE 接收PDSCH ；

（2）向UE 发送上行调度信息，以便 UE 发送PUSCH ；

（3）发送非周期性CQI 上报请求；

（4）通知MCCH 变化；

（5）发送上行功控命令；

（6）HARQ 相关信息；

（7）携带RNTI：该信息隐式包含在 CRC 中，等等。

如果PDCCH 符号数配置不够，为调度用户分配CCE 失败，将导致用户调度时延增大，影响用户业务感受。同时如果待调度的用户数量大且每个用户的缓存数据量不大，将导致PDSCH、PUSCH还有RB 和功率剩余、频谱效率降低。如果PDCCH符号数配置过多，即PDCCH CCE 使用率低，将占用不必要的PDSCH 资源，也会导致频谱效率降低。5G Massive MIMO 作为大容量解决方案，可以有效应对高负荷，大事件等场景，但是在这些场景下，PDCCH 信道很容易成为影响MM 增益发挥的瓶颈。PDCCH 容量提升算法需求就非常迫切，怎样节省PDCCH CCE 资源用于更多的用户调度？容量提升算法可提升PDCCH 容量，支持调度更多的用户，提升用户上行的平均吞吐率、频谱效率、体验速率，以及用户下行的平均吞吐率、频谱效率、体验速率。

1 PDCCH 控制信道容量提升技术

本章节系统性研究了PDCCH 控制信道提升关键因素，从设计实用性和提升效果显著性方面总结出五大关键技术手段，如图2 所示。下文中详细介绍每个功能的原理，实施具体细节以及预估增益效果等。

图2 PDCCH 控制信道容量提升五大关键技术

1.1 低聚集级别用户优先调度

小区子帧配比类型为SA2 时，2/7 子帧不能用于下行数据传输，3/8 子帧将被用于传输更多的下行数据。这将导致上下行发送DCI（Downlink Control Information）的资源受限以及下行CCE 受限[4]。因此引入低聚集级别用户优先调度功能。该功能生效时，eNodeB 针对MU-BF 用户，按照3/8子帧上每个用户上个TTI PDCCH CCE 初始聚集级别从小到大进行优先级排序，挑选最适合的用户进行配对，提升3/8 子帧上PDCCH 调度的MU-BF 用户数，提升小区配对层数和用户下行平均吞吐率。如图3 所示：

1.2 增强符号自适应优化

eNodeB 对低聚集级别用户的符号自适应判断条件进行优化，提升PDCCH 每TTI 调度的MU-BF用户数，提升小区配对层数和用户下行平均吞吐率[5]。在Massive MIMO 小区重载场景下，增强符号自适应优化功能开启后，eNodeB 根据待调度用户数对PDCCH 符号个数进行预估，PDCCH 符号个数与调度所需要的PDCCH 信道资源更加匹配，提升PDCCH 每TTI 调度的MU-BF 用户数，提升小区配对层数和用户下行平均吞吐率（如图4 所示）。

自适应调整PDCCH 符号数，以更快地匹配真实话务需求。

图3 低聚集级别用户优先调度

图4 增强符号自适应优化调整PDCCH 符号数示例

1.3 PDCCH 误块率目标值提升

提高PDCCH 链路自适应的BLER 目标值，使得PDCCH 误块率收敛到该目标值。普通轻载场景该参数默认值为0.5%，MM 重载下建议修改为1.5%,可以降低CCE 聚集级别，降低CCE 资源消耗。

1.4 PDCCH 功率控制用户数门限（Pdcch Pwr Ctrl User Num Thd）

如图5 所示，在网络重载时，控制PDCCH功率优化用户数门限。当用户数大于该门限时，PDCCH 不允许通过增加功率提升CCE 解调成功率[6]。增益预期：重载场景，因PDCCH 功率不足导致的CCE 分配失败概率降低，用户体验速率提升。

图5 PDCCH 功率控制实现流程

1.5 PDCCH 空分复用（SDMA）

MM 数据信道通过空分复用来实现容量成倍提升，业务信道容量提升后，调度用户数明显提升，此时如果控制信道容量跟不上，也会影响最终的用户体验和小区容量能力[7]。通过将PDCCH 宽波束进行劈裂，使得PDCCH 资源被不同波束下的多个UE 复用，实现PDCCH 空分复用。通过将PDCCH宽波束进行劈裂，使得PDCCH 资源被不同波束下的多个UE 复用，实现PDCCH 空分复用（如图6所示）。

图6 PDCCH 空分复用

2 PDCCH 控制信道容量提升技术增益影响分析

2.1 增益分析

该功能可以缓解因Massive MIMO 小区PDCCH资源受限，导致小区容量受到抑制的问题，提升小区下行平均吞吐率和用户下行平均吞吐率。在Massive MIMO 小区重载场景下，本功能可提升PDCCH 每TTI 调度的MU-BF 用户数，提升小区配对层数和用户下行平均吞吐率[8]。

2.2 对网络的影响

·PDCCH 和PDSCH 资源均受限严重时，开通PDCCH 容量提升，可能导致小区下行平均吞吐率和下行频谱效率下降。

·对于低聚集级别用户优先调度，由于eNodeB优先调度低聚集级别用户，可能导致远点用户的体验速率略有降低。

·对于PDCCH 聚集级别优先级排序，由于功能生效后降低了PDCCH 聚集级别4 和8 用户的优先级，因此部分边缘用户的调度优先级会降低，这部分用户的体验速率可能会降低。

3 商用网CCE 受限问题分析

3.1 普通商用重载场景CCE 受限导致用户体验速率差

模拟忙时单小区用户数达到300+，单用户体验速率降低到1.4Mbps 左右（如图7、图8 所示）。

图7 RRC 连接用户数随时间变化曲线

图8 下行用户体验速率变化曲线

经分析，主要是控制信道CCE 资源受限导致，下行CCE 分配失败比例高达70%（如图9、图10所示），上行CCE 分配失败比例高达80%（如图11、图12 所示），其具体计算公式如下：

式中，P为CCE 分配失败比例，A为CCE 分配失败次数，B为CCE 分配成功次数。

3.2 场馆大事件场景CCE 受限导致用户体验速率差

××局点场馆跨年演唱会保障，MM 小区忙时用户数高达1000，体验速率降低到500kbps 以下（如图13 所示），体验受限严重。

分析控制信道利用率和CCE 分配情况，发现CCE 分配失败比例极高（如图14、图15、图16、图17 所示）。控制信道受限导致用户体验极差。

图9 下行CCE 利用率变化曲线

图10 下行CCE 分配失败率

图11 上行CCE 利用率变化曲线

图12 上行CCE 分配失败率

图13 举例说明CCE 受限对实际现网用户体验影响

图14 下行CCE 利用率变化曲线

图15 下行CCE 分配失败率

图16 上行CCE 利用率变化曲线

图17 上行CCE 分配失败率

3.3 PDCCH 容量提升技术应用效果

本特性在现网已经验证，普通场景验证效果如下，开启PDCCH 容量优化包之后，体验速率提升50%以上。采用本文中的PDCCH 容量优化五大关键举措后，如图18 所示，优化后CCE 分配失败比例明显降低。

图18 优化后CCE 后提升效果

4 结语

本文主要介绍了PDCCH 控制信道容量提升技术方案的原理以及实际应用效果。控制信道有两个维度，一是PDCCH CCE 资源，二是PDCCH 功率资源。两者的分配算法要结合小区实际用户数和实际无线环境等综合指标进行分配算法优化。性能提升的时候也有两个方向，一是想方设法节省控制信道资源并保证用户体验不下降，二是怎样利用空分复用算法以及MM 多天线能力，在原有基础上提升控制信道容量，增加可用CCE 资源。通过PDCCH容量算法优化，重载和大事件场景控制信道受限得到明显的缓解，MM 小区用户体验速率大幅提升。