LTE物理信道容量理論分析*

蔣杭州，陳曉冬

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

LTE系統(tǒng)采用OFDM及MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，具有更高速率、更高頻譜效率、更高小區(qū)邊緣速率以及更低時(shí)延等特點(diǎn)，全球絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商選擇LTE作為最終的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向。覆蓋和容量是LTE運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署首要考慮的問題。運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行容量規(guī)劃時(shí)，考慮最多的是業(yè)務(wù)信道，但PDCCH、PUCCH、PRACH以及尋呼涉及用戶接入、被叫、系統(tǒng)控制及調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，其信道容量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響也較大。本文從理論出發(fā)，詳細(xì)分析信道結(jié)構(gòu)、功能及容量特性，并尋求在理論上對(duì)其容量進(jìn)行評(píng)估，探討影響容量的一些因素。

2 PDCCH容量

2.1 概述

在LTE中，PDCCH是一個(gè)極其重要的控制信道，承載著下行和部分上行的控制信息。其控制信息包括上下行資源分配信息、上行功率控制信息、HARQ信息等，它是終端與基站之間進(jìn)行業(yè)務(wù)通信、數(shù)據(jù)傳輸和上行同步的前提。

PDCCH信息占用每個(gè)子幀的第一個(gè)時(shí)隙中的前n個(gè)符號(hào)（n=0～3）。具體占用的符號(hào)數(shù)，由PCFICH指示。PDCCH由 多個(gè)CCE（1、2、4、8）構(gòu)成，每個(gè)CCE對(duì)應(yīng)9個(gè)REG，每個(gè)REG包含4個(gè)RE，每個(gè)REG在相同的OFDM符號(hào)內(nèi)沿頻率軸進(jìn)行放置，并避開下行參考信號(hào)及PHICH信道所占用的資源位置。由此可見，系統(tǒng)有多少CCE可以使用，決定了在每個(gè)子幀可調(diào)度的用戶數(shù)。

2.2 理論容量計(jì)算及分析

以10 MHz帶寬為例計(jì)算CCE數(shù)，預(yù)置條件：CFI=1（PDCCH只占用一個(gè)符號(hào)）；系統(tǒng)帶寬為10 MHz，天線配置 為2×2 MIMO；PCFICH固 定 占 用16個(gè)RE；Ng=1，PHICH占用84個(gè)RE。10 MHz帶寬中用于PDCCH的RE數(shù)就是總的RE數(shù)減去參考信號(hào)、PCFICH、PHICH占用的RE數(shù)?？偟腞E數(shù)為50×12=600；參考信號(hào)占用的RE數(shù)為50×4=200。那么 可以算出用于PDCCH的RE數(shù)為600-200-16-84=300，CCE數(shù)為300÷36=8。

按照同樣的方法可以計(jì)算出在10 MHz帶寬下CFI=1、2、3時(shí)的CCE數(shù)，見表1。

表1 10 MHz系統(tǒng)帶寬下不同CFI配置下的CCE數(shù)

CCE的數(shù)量代表著PDCCH可以調(diào)度的用戶數(shù)，CCE數(shù)越多，系統(tǒng)可以調(diào)度的用戶數(shù)越多。CCE的數(shù)量主要與系統(tǒng)帶寬、天線數(shù)（天線口數(shù)目越多，參考信號(hào)占用的RE越多）及PHICH配置有關(guān)。每個(gè)用戶需要的CCE數(shù)與用戶所處的無線環(huán)境有關(guān)，如無線環(huán)境惡劣，則需要8個(gè)CCE以提高PDCCH解調(diào)準(zhǔn)確性，反之可能需要1/2/4個(gè)CCE即可。隨著用戶數(shù)的增多，則需要大量的控制信道開銷，對(duì)于一些時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，如VoIP業(yè)務(wù)，下行控制信息則可能成為瓶頸。對(duì)于VoIP業(yè)務(wù)，系統(tǒng)可配置PDCCH為半靜態(tài)調(diào)度，以節(jié)約PDCCH資源，滿足更多用戶接入。不同的CFI配置代表著PDCCH占用每個(gè)子幀第一個(gè)時(shí)隙的不同數(shù)目符號(hào)數(shù)，PDCCH自適應(yīng)有利于系統(tǒng)根據(jù)用戶數(shù)的多少配置不同數(shù)目符號(hào)數(shù)，提高資源分配的靈活度。

3 PUCCH容量

3.1 概述

PUCCH承載上行控制信息（UCI），主要包括如下內(nèi)容：

·調(diào)度請(qǐng)求（scheduling request），請(qǐng)求PUSCH資源用于數(shù)據(jù)傳輸；

·HARQ信息，HARQ響應(yīng)信息ACK/NACK，用于對(duì)下行數(shù)據(jù)的應(yīng)答；

·下行信道質(zhì)量信息，UE測(cè)量并反饋下行信道CQI、PMI、RI信息。

PUCCH可使用帶寬的兩端位置RB資源，且為對(duì)角線方式放置；PUSCH占用帶寬的中間位置RB資源，如圖1所示。

圖1 PUCCH資源位置

PUCCH包含5種格式，每種格式代表PUCCH發(fā)送不同內(nèi)容，見表2。

表2 PUCCH格式

PUCCH在相同的RB資源上還可以進(jìn)行多用戶復(fù)用。對(duì)于Format1、1a、1b，多個(gè)UE通過選用不同的Zadoff-Chu序列，在頻域上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)共享一個(gè)PUCCH RB資源。該Zadoff-Chu序列為12 bit，因此最大可以產(chǎn)生12個(gè)Zadoff-Chu碼用于區(qū)分用戶。同時(shí)，每個(gè)PUCCH RB又可以使用正交序列，在時(shí)域上進(jìn)行擴(kuò)展，可應(yīng)用3個(gè)正交碼用于區(qū)分用戶。對(duì)于Format2、2a、2b，多個(gè)UE通過選用不同的Zadoff-Chu序列，在頻域上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)共享一個(gè)PUCCH RB資源。該Zadoff-Chu序列為12 bit，因此最大可以產(chǎn)生12個(gè)Zadoff-Chu碼用于區(qū)分用戶。因此PUCCH Format1、1a、1b占用一個(gè)時(shí)隙，可在一個(gè)PUCCH RB內(nèi)最大實(shí)現(xiàn)12×3=36個(gè)UE的復(fù)用。PUCCH Format2、2a、2b占用2個(gè)時(shí)隙，可以在一個(gè)PUCCH RB內(nèi)最大實(shí)現(xiàn)12個(gè)UE的復(fù)用。

3.2 理論容量計(jì)算及分析

對(duì)于Format 1a/1b，由于HARQ進(jìn)程中ACK/NACK反饋是以一個(gè)時(shí)隙上的數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行反饋的，那么一個(gè)PUCCH RB在0.5 ms內(nèi)，最大支持36個(gè)UE的ACK/NACK反饋。對(duì)于Format 2，由于CQI反饋的周期及占用RB數(shù)可以通過參數(shù)cqi-pmi-ConfigIndex及nRB-CQI分別設(shè)置，假設(shè)CQI的反饋周期為40 ms，占用RB數(shù)為2，則在一個(gè)CQI上報(bào)周期內(nèi)，最大支持用戶數(shù)為2×12×40=960。

由上可知，當(dāng)CQI/PMI/RI上報(bào)占用的RB數(shù)越多，上報(bào)周期越長(zhǎng)，可以支持的用戶數(shù)越多，但由于上報(bào)周期長(zhǎng)，對(duì)下行信道估計(jì)準(zhǔn)確度降低，會(huì)影響下行吞吐量。反之，用于CQI/PMI/RI上報(bào)的RB數(shù)越少，上報(bào)周期越短，可以讓系統(tǒng)掌握更豐富的下行信道信息，但是付出消耗較多上行資源，支持用戶數(shù)少的代價(jià)。另外，當(dāng)UE建立了PUSCH后，ACK/NACK和CQI信息將在PUSCH中傳輸，無需占用PUCCH資源。而且PUCCH的占用RB數(shù)是可以設(shè)置為2個(gè)甚至更多。因此，一般情況下，PUCCH不會(huì)成為空口容量的瓶頸。

4 PRACH容量

PRACH主要用于用戶接入并與系統(tǒng)取得同步，其前導(dǎo)碼包括4種格式，不同格式對(duì)應(yīng)不同的小區(qū)半徑。PRACH在頻域上連續(xù)占用6個(gè)RB資源，其容量主要受參數(shù)PRACH configuration index影響。PRACH根據(jù)不同前導(dǎo)碼格式有64種不同配置，下面以Format0進(jìn)行說明。對(duì)于隨機(jī)接入前導(dǎo)Format0，PRACH在時(shí)域上，有16種配置，對(duì)應(yīng)PRACH所占用的不同子幀，見表3。

表3 前導(dǎo)碼Format 0下PRACH的不同配置

在一個(gè)子幀內(nèi)，最多有64個(gè)前導(dǎo)碼可用，因此允許的最大用戶數(shù)為64個(gè)。若設(shè)置為每個(gè)子幀都配置PRACH，則一個(gè)無線幀內(nèi)，允許最大接入用戶數(shù)為64×10=640個(gè)。若用于PRACH的子幀增多，可以提高PRACH的信道容量，但會(huì)對(duì)上行吞吐量造成影響，反之則反。在LTE網(wǎng)絡(luò)部署初期，由于用戶數(shù)量不大，建議的配置為PRACH index 3/4/5。

5 尋呼信道容量

處于空閑態(tài)的LTE終端通過在DRX周期內(nèi)監(jiān)聽PDCCH，判斷該尋呼時(shí)刻是否有自己的尋呼指示P-RNTI。若終端監(jiān)聽到P-RNTI，就去PDSCH指定資源位置解調(diào)尋呼消息。系統(tǒng)在廣播消息中會(huì)下發(fā)兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是T，表示DRX周期，取值范圍為32、64、128、256，單位是無線幀；另一個(gè)是nB，表示尋呼密度，取值范圍為T/32、T/16、T/8、T/4、T/2、T、2T、4T，比如4T代表一個(gè)尋呼幀中4個(gè)尋呼時(shí)刻（PO）。PDSCH中一個(gè)尋呼消息最多可同時(shí)攜帶16個(gè)UE的尋呼指示。

（1）尋呼無線幀號(hào)（PF）計(jì)算

SFN mod T=（T/N）×（UE_ID mod N）

滿足上述公式的SFN的值即終端的尋呼幀號(hào)（PF）。N取min(T，nB)，

UE_ID=IMSI mod 1 024。

（2）尋呼時(shí)刻（PO）計(jì)算

PO為UE需要監(jiān)聽PDCCH的子幀號(hào)。計(jì)算公式為i_s=Floor(UE_ID/N)mod Ns，其中i_s是指向相應(yīng)尋呼子幀，Ns=max(1，nB/T)，表示尋呼幀中尋呼子幀的數(shù)目。

PO取決于系統(tǒng)消息中廣播的i_s和Ns，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。

表4 不同i_s和Ns對(duì)應(yīng)的尋呼時(shí)刻

因此在一個(gè)無線幀內(nèi)，尋呼時(shí)刻占用最大子幀數(shù)為4個(gè)。在一個(gè)無線幀內(nèi)（1 ms），最大尋呼用戶數(shù)為16×4=64個(gè)。在一個(gè)尋呼周期內(nèi)，最大尋呼用戶數(shù)為64T，當(dāng)T=32時(shí)（320 ms），64×32=2 048。

6 結(jié)束語

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求愈來愈強(qiáng)勁，LTE商用步伐勢(shì)必進(jìn)一步加快。容量指標(biāo)是LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署主要考慮的因素之一，也是滿足用戶需求的基本要求。在容量規(guī)劃中除了對(duì)業(yè)務(wù)信道的考慮外，還需要重點(diǎn)考慮接入控制信道的容量因素。本文重點(diǎn)分析了PDCCH、PUCCH、PRACH及尋呼信道理論容量，并分析了對(duì)信道容量影響的相關(guān)因素，對(duì)將來的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化有一定理論指導(dǎo)意義。

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)