TD-LTE系統控制信道同頻組網分析

陳永倩

（北京新郵通通信設備有限公司 北京100035）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP定義的下一個移動寬帶網絡標準，并且已經列入3GPP R8正式標準。LTE改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM技術并引入MIMO等技術，極大地提高了移動通信系統的通信能力。LTE在20 Mbit/s帶寬下能夠提供下行100 Mbit/s（2×2天線）與上行50 Mbit/s（2×1天線）的峰值速率。LTE采用扁平化網絡結構和全IP系統架構使傳輸時延更短，更適合承載數據業務，3GPP LTE已經被公認為是能在2010—2020年支撐世界電信產業的移動通信系統。

小區之間干擾 （inter-cell interference，ICI）是蜂窩移動通信系統的一個固有問題，傳統的解決辦法是采用頻率復用，復用系數只有特定的幾個選擇，如1、3、7等。頻譜效率最高的方式就是復用系數等于1，也就是通常所說的同頻組網。但同頻組網會帶來同頻干擾，在小區邊緣同頻干擾更為嚴重。因為在OFDM系統中，小區內的各個信號之間是正交的，所以OFDM技術比CDMA技術更好地解決了小區內干擾的問題。但是作為代價，OFDM系統帶來的ICI問題可能比CDMA系統更加嚴重。如果兩個相鄰小區在它們結合部使用相同的頻譜資源，則會產生較強的ICI。

LTE系統物理層下行傳輸方案采用頻譜效率高的OFDMA技術；上行傳輸方案采用峰均比比較低的DFT-SC-FDMA技術。OFDM技術是LTE系統的技術基礎與主要特點，其系統參數設定對整個系統的性能會產生決定性的影響。

物理層控制信道是基站和UE之間傳遞控制信令的重要通道，它對傳輸質量和時延都有很高的要求，信令信道如果接收錯誤或時延很大都有可能引起系統性能的降低。控制信道能否正常地解調將關系到整個系統的通信質量，基于此點，本文主要討論了LTE系統中控制信道同頻組網的能力。

2 控制信道同頻干擾分析

假設同頻干擾到被干擾小區用戶的距離為di，小區周圍的同頻干擾共有KI個，各個同頻干擾之間彼此獨立，若僅考慮傳播路徑損耗，那么被干擾小區用戶接收到的同頻干擾I可表示為：

其中，n為傳播路徑損耗的斜率，一般取4。

從式（1）可知，同頻干擾隨著傳播距離的增加而迅速地衰減。考慮如圖1所示的蜂窩模型，假設各個小區均采用同頻組網，各個小區的每個用戶發射的功率相同，被干擾用戶在0號小區，同頻干擾來自其他小區。那么，對被干擾用戶來說，來自第一層各個小區的同頻干擾的強度只是本小區信號強度的1/12，第二層以上的小區引起的干擾更小，因此在下面的同頻干擾分析中僅考慮兩層同頻小區的干擾。

移動臺的信干噪比定義為接收到的本小區的基站的信號功率與接收到的信號總功率之比。也就是，接收到的本小區的功率為有用信號，設為S，其他基站的功率作為噪聲來處理，因此小區0的用戶接收到的信號和相鄰小區的干擾加噪聲比即接收的信干噪比，定義為：

其中n為背景噪聲，KI為同頻干擾數。

假設第n個小區的陰影衰落系數為ξn，ξn是對數正態分布的高斯隨機變量，單位為dB。同時考慮傳播路徑損耗和陰影衰落，那么同頻干擾Iki可表示為：

假設所有小區的大小幾乎都一樣，小區的大小是由小區信號強度的覆蓋面積決定的，那么：

采用蒙特卡洛仿真求解上面給出的同頻組網下小區中用戶的信干噪比的概率分布函數，得到同頻組網下小區內的移動臺的SINR也即C/（I+N）分布函數如圖2所示。

從圖2可以得出，小區95%的覆蓋區域SINR值大于-5 dB，98%的覆蓋區域SINR值大于-6.7 dB。因此控制信道若能同頻組網，那么必須滿足各個控制信道在SINR值為-5 dB和-6.7 dB下能夠正常解調。

3 LTE控制信道同頻組網分析

3.1 PBCH同頻組網分析

LTE系統中PBCH用于廣播小區最基本的物理層配置信息。在3GPP R8規范中，PBCH編碼采用具有最優距離譜的tail biting卷積碼，正常CP下通過編碼將24個信息比特和16個CRC比特擴展到480 bit，且在4個連續的無線幀中重復傳輸該編碼塊，為接收端提供很高的編碼增益和合并增益。PBCH使用小區專用的擾碼進行加擾，這使得小區之間的干擾隨機化。PBCH還采用了發射分集，當發射天線為2天線時采用的是SFBC發射分集，4天線時采用的是SFBC+FSTD，為接收端提供了分集增益。對于各種不同的系統帶寬，PBCH的傳輸帶寬相同，占用頻帶中心的1.08 MHz帶寬（72個子載波），以保證PBCH能夠被可靠地解調。

分析系統帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE系統中PBCH的解調能力。仿真的信道模型、天線配置和相關性見表1，解調性能如圖3所示。

要正常解調PBCH，要求PBCH的誤塊率低于1%。從圖3可知，在給定的EPA5信道下，PBCH達到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PBCH達到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可見PBCH在給定的此種信道條件下能進行同頻組網。

表1 PBCH仿真設置

3.2 PCFICH同頻組網分析

LTE系統中PCFICH承載當前子幀中用于傳送PDCCH信道的OFDM符號數。在3GPP R8規范中，PCFICH將2 bit的數據采用塊編碼技術編碼到32 bit，為了獲得更高的魯棒性，該塊編碼采用的是(3,2)單形碼經過10次重復后再附加2個系統比特的編碼方式。QPSK調制后形成16個調制符號，這16個調制符號映射到子幀第一個OFDM符號上的4個REG上。為了獲得充分的分集增益，這4個REG均勻地分布到整個系統下行帶寬上，并且PCFICH映射的頻域起始位置與小區ID有關，因此不同小區的PCFICH將形成相對的頻域偏移，避免不同小區的PCFICH之間的干擾。PCFICH也采用小區特定加擾，采用與PBCH相同的發射分集技術。

分析系統帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PCFICH的解調能力。仿真的信道模型、天線配置和相關性見表1，解調性能如圖4所示。

要正常解調PCFICH，要求PCFICH的誤塊率低于1%。從圖4可知，在給定的EPA5信道下，PCFICH達到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PCFICH達到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可見PCFICH在給定的此種信道條件下能進行同頻組網。

3.3 PHICH同頻組網分析

LTE系統中PHICH承載上行數據的HARQ ACK/NACK反饋信息。在3GPP R8規范中，PHICH信道的傳輸是以PHICH組的形式來組織，1個PHICH組內的多個PHICH信道占用相同的時頻域資源，采用不同的正交擴頻碼復用。如果小區邊緣的SINR很低，可以使相同的物理資源上復用的用戶減少，提高它的解調能力，這樣PHICH抗干擾的能力可以自適應地調整。PHICH采用小區特定加擾、用與PBCH相同的發射分集技術。

分析系統帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PHICH的解調能力。仿真的信道模型、天線配置和相關性見表1。仿真的用戶數為1，解調性能如圖5所示。

要正常解調PHICH，要求PHICH的誤塊率低于1%。從圖5可知，在給定的EPA5信道下，PHICH達到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在給定的ETU70信道下，PHICH達到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可見PHICH在給定的此種信道條件下能進行同頻組網。若PHICH組用戶數超過1，那么在給定的ETU70信道下就不能進行同頻組網，這時候可以采用增加發送天線數來提高PHICH的解調能力，從而實現PHICH的同頻組網。

3.4 PDCCH同頻組網分析

LTE系統中PDCCH是承載下行物理層控制信令的主要承載信道，承載調度分配和其他控制信息。在3GPP R8規范中，DCI的信道編碼采用的是tail biting卷積編碼。DCI的原始信息比特經過CRC添加、信道編碼和速率匹配后，可以采用 1、2、4、8 個 CCE 進行傳輸。

不同的DCI格式的DCI原始信息比特是不同的，并且不同的PDCCH格式可以采用不同的資源來傳送，這就導致了PDCCH的解調能力不同。也就是說，如果小區邊緣的SINR很低，可以采用低的編碼率提高它的解調能力，PDCCH抗干擾的能力可以自適應地調整。

PDCCH采用小區特定加擾，采用與PBCH相同的發射分集技術。PDCCH的CCE到RE的映射按REG為單位先做子交織，以實現將連續的控制信息分散到時頻域上，再對交織后的REG序列進行小區特定的循環移位，以實現干擾隨機化。

分析系統帶寬為20 Mbit/s的TD-LTE PDCCH的解調能力。仿真的信道模型為ETU70，信道低相關，天線配置為2×2，分別考慮了有效載荷（payload）為 31 bit和 10 bit，采用2、4和8個CCE傳輸的情況，解調性能如圖6～8所示。

在給定的仿真條件下，一個PDCCH信道在8個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit和31 bit能滿足同頻組網的要求。一個PDCCH信道在4個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit能滿足同頻組網的要求，有效載荷為31 bit時能滿足小區95%的覆蓋同頻組網要求。一個PDCCH信道在2個CCE上傳輸時，有效載荷為10 bit和31 bit均不能滿足同頻組網的要求。

可見，對于PDCCH在不同的有效載荷下，必須采用不同的CCE傳輸才能滿足同頻組網的要求。因為多個PDCCH信道采用的是復用的方式，所以在用戶數較多而帶寬又較小時，將會出現邊緣用戶的CCE資源不夠的情況，這樣就會導致同頻組網的性能較差。

4 結束語

從上面的分析也可以看到，雖然不同控制信道的解調性能有所差異，但是總體來看，由于TD-LTE系統中采用了多種措施來提高控制信道的解調性能，使得控制信道具備了同頻組網的能力。在實際的同頻組網中，考慮到實際的無線環境非常復雜，可以根據實際信道環境來調整影響控制信道解調能力的參數，并采用其他一些干擾消除和干擾避免技術，進一步提升控制信道的同頻組網性能。