一種提高MTC上行能效的LTE標準增強算法

溫慶華，黃沛江，王 斌

（中國移動廣東公司東莞分公司，廣東 東莞 523000）

0 引 言

與互聯網有關的新型智能設備離不開無線通信的支持，同時互聯網服務的不斷變化推動著無線通信的發展。無線通信技術進入第五代（5G），面臨的主要挑戰之一是如何滿足物聯網世界的多樣化需求。目前的解決方案包括電氣和電子工程師協會（IEEE）802.15.4藍牙[1-2]和 IEEE802.11無線局域網（WLAN）[3]，主要依靠設備到設備（D2D）通信和分布式網絡架構。然而，這些技術受到低覆蓋和低容量的限制。通過長期演進（LTE）/LTE-Advanced（LTE-A）標準，第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準化委員會也考慮了對物聯網的支持。LTE/LTE-A標準使用蜂窩網絡實現遠程操作，可以有效地支持IoT。

最近，正在部署異構網絡和小型基站[4-5]來服務于網絡流量高的地區。雖然這些解決方案成功地管理了網絡負載并提高了用戶吞吐量，但是需要大量的額外基礎設施和大量的運營費用。IoT解決方案還包括自組織網絡（SON），即通過對網絡行為進行調整，管理和優化其運營來提高網絡效率的能力[6-7]。然而，SON需要復雜的算法和新的網絡設備才能高效運行。

隨著IoT服務成為蜂窩網絡和MTC發展的組成驅動因素，3GPP已經從LTE標準版本11啟動了MTC標準化。在LTE網絡中使用MTC的主要優點是僅使用現有的網絡基礎設施為設備提供服務就可以降低運營成本，并使LTE提供更高的容量，為設備提供更加有效的服務。例如，即使在使用低成本設備的情況下，LTE也能為智能測量提供大容量[8]。結果表明，在使用LTE的城市部署場合中，需要大約2%的系統資源來支持高級計量基礎設施。雖然LTE提供高容量，但是目前的LTE/LTE-A網絡主要被設計用于高效的H2H通信。為了使LTE網絡得到更廣泛的應用，需要改進網絡架構以支持MTC應用。

本文的研究的目的是提供下行鏈路和上行鏈路中的機制，以便促進3GPP LTE MTC的IoT，解決方案主要是使當前LTE/LTE-A框架所需的變化保持最小。下面將主要探討有快速睡眠指示的DRX機制、時反饋對MTC UE能耗的影響和增強型主同步信號（ePSS）。

1 有快速睡眠指示（QSI）的DRX

在IoT情況下，eNB必須將尋呼消息傳送到大量MTC UE的集合。尋呼消息通過尋呼信道在下行鏈路中發送，該信道被映射到PDSCH物理信道。尋呼信道最多可容納16個UE。因此，eNB必須多次調度尋呼信息，將導致UE接收尋呼信息所需的時間增加。MTC UE是可延遲的，因此能夠處理接收尋呼信息的延遲。然而，UE在接收到有效的尋呼消息前會聽到多個尋呼信息，導致功率消耗增加。

1.1 QSI機制

圖1為具有QSI的DRX和尋呼的第一個模型用于沒有CE的MTC UE。該模型中，通過從“深度休眠”狀態轉換到“再同步”狀態，UE從DRX周期喚醒時，UE開始進行與傳統UE類似的尋呼檢測操作，以獲取符號邊界。然而，在定時獲取后，UE轉換到“QSI檢測”狀態檢測QSI信號。如果QSI傳送“睡眠”沒有有效的即將到來的頁面，則UE立即轉換到“深度睡眠”狀態。然而，如果QSI信號指示“保持喚醒”或者沒有成功檢測到QSI，則UE恢復傳統操作以解碼尋呼信息并轉換到“輕度睡眠”狀態。

圖1 提出的具有QSI（無CE）的DRX模型

圖2 描述了有CE的QSI的DRX和尋呼的第二個模型。UE通過從“深度睡眠”狀態轉換到“QSI和定時檢測”狀態來開始尋呼檢測操作。如果QSI傳送“睡眠”，則UE立即回到“深度睡眠”狀態；如果QSI指示“保持睡眠”，則UE轉換到“輕度睡眠”狀態，并通過移動“尋呼解碼”到PO上；如果未檢測到QSI，則UE遵循傳統DRX操作，以解碼尋呼信息。

圖2 提出的具有QSI（有CE）的DRX模型

1.2 無CE的快速睡眠方案

沒有CE的MTC UE的QSI機制適用于寵物跟蹤或天氣感測的IoT場景，其中UE具有低移動性，且位于網絡覆蓋良好的區域中。這種情況下，設計QSI以便重新使用已經由eNB分配的資源。選擇在子幀網格上位置不改變的物理信道發送QSI，以便UE知道QSI的位置。同步和廣播的物理通道符合該要求。

PSS、SSS和PBCH的關鍵特性是無論系統帶寬如何，它們總是占用1.4 MHz的恒定帶寬。在子幀0和子幀5上每5 ms分別發送PSS和SSS。它們包含一個符號，且UE可以使用相關解碼器來檢測這些同步信號并調整幀定時[9]。PBCH占據子幀0的4個符號，且每10 ms發送一次，有4次重復。因此，每40 ms發送一個新的PBCH。PBCH塊的結構使得UE可以獨立解碼每個10 ms的傳輸，或組合多個重復體來解碼PBCH。由于帶寬較小，UE可以使用更小的快速傅里葉變換（FFT）來解碼PBCH。因此，同步或PBCH檢測階段的早期睡眠指示或QSI有助于UE確定是否必須返回睡眠或繼續解碼PDCCH。

PSS和SSS是在中心頻帶上發送的LTE/LTE-A中使用的同步信號。PSS在子幀0和子幀5中的第一時隙的最后一個符號上以5 ms的周期發送63長度的ZC序列。第32載波對應于DC副載波，并且被設置為零。SSS由DC子載波兩側的兩個31長度的m序列組成。SSS也在PSS之前的子幀0和子幀5中一個符號發送。但是，子幀0上的SSS與子幀5上的SSS不一樣，有助于UE在采集過程中確定它是在無線電幀的前半部分還是在后半部分。跨越1.4 MHz的中心頻帶由72個副載波組成，包括直流副載波。PSS和SSS傳輸的關鍵特征是它們僅使用72個子載波中的62個。因此，除了DC子載波，還有9個未使用的子載波。所以，建議使用9個未使用子載波中的8個發送M個QSI位。

對于這種機制，考慮M≤4的情況并構建4位QSI消息。當M≤2時，可以重復這些位，且當M=3時，為了獲得4位QSI消息，可以將零作為最高有效位附加。用Cm和Ns分別表示用于QSI傳輸的調制方案和同步符號的數量，則在未使用的子載波上容納4位消息所需的重復次數為N== 2 N。r s

假設eNB必須使用可用功率的一部分來傳輸QSI。當沒有QSI時，eNB的發射功率均勻分布在62個子載波上；當存在QSI時，eNB均勻分布在70個子載波上。因此，當發送QSI時，PSS/SSS SNR的損耗可以計算，為10lg，相比初始值有小幅度下降。如果eNB可以為QSI傳輸提供額外的功率，則PSS/SSS性能將不會下降。

1.3 有CE的快速睡眠方案

物聯網中，UE可以位于地下停車場、醫院等場所，以感測空閑的停車位或醫院的內部患者的狀態。這種情況下，沒有CE的MTC UE的快速睡眠解決方案無效，因為UE將需要多次重復的PSS/SSS來確定SNR（SNR非常低）。如果UE需要重新獲取PBCH，則需要PBCH的多個副本來準確確定SFN。類似地，在PDCCH、PDSCH和QSI上解碼尋呼也將需要多次重復，將增加UE的接通時間。因此，優選地設計魯棒的QSI信號，不僅指示一組UE是否可以被快速地睡眠，而且有助于更快的定時同步。UE解碼這樣的QSI信號可以同時獲得尋呼和定時信息，減少了ON時間并降低了尋呼解碼的復雜度，從而節省能量。本節介紹了使用PDSCH空間專用資源且具有CE的MTC UE的QSI信號設計機制。

使用ZC序列來創建具有良好的自相關和互相關特性的QSI信號，從而實現魯棒的信號檢測。ZC序列是復幅度零自相關（CAZAC）序列，且這些序列的循環移位版本彼此正交。另外，長度為N的兩個ZC序列的互相關被限制為，并已經在LTE/LTE-A中用于PSS和隨機接入。提出的QSI ZC序列形式如下：

其中，N=131是ZC序列的長度，P是選擇的ZC序列的根，使得它與N互質。選擇P∈[2+8×(q-1)]，其中q=1,2,…,16。QSI序列占用131個子載波，選擇該長度是因為傳統尋呼塊將占用至少1個PRB對，并考慮了2個符號PDCCH，將共占用132個子載波。因為互相關峰與序列的長度成反比，所以總是可以選擇較長的序列來提高性能，但是較長的序列將需要更多的資源。

在PDSCH空間中提出的QSI傳輸機制在無線電幀的子幀1、2、6和7中使用1個PRB對。選擇這些子幀提供對QSI信號的時間分集，并確保它是周期性的。使用中心1.4 MHz頻帶，并且在子幀1和7的頂部PRB對和子幀2和5的底部PRB對上發送QSI ZC序列，從而向QSI信號引入一些頻率分集，以確保QSI模式具有10 ms的周期性。當UE檢測到QSI時，UE可以確定準確的子幀號。圖3說明了所提出的QSI信令模式。

圖3 PDSCH上的QSI傳輸機制

2 增強型主同步信號

在典型的無線通信系統中，移動設備（UE）與基站保持準確的符號定時同步，便于解碼下行鏈路數據。定時分辨率處于符號級別，即如果支持IoT的MTC UE找到正確的符號編號，則定時被指定為正確。為了在DRX喚醒間隔期間更快地進行時序重新采集，將新增強型主同步信號（ePSS）引入LC器件的再同步信號，并演示了當使用ePSS時能量消耗的降低過程。此外，還采用ePSS作為QSI機制的DRX，結合沒有頁面的定時重新采集，以及快速過渡到睡眠模式的優勢，進一步提高LC設備的能源效率。

2.1 UE定時精度

如果UE使用高質量振蕩器，會大大減小定時漂移。這意味著UE可以睡眠較長的時間，而不會失去定時同步。通常，使用高品質壓控溫度補償晶體振蕩器（VCTCXO）的移動設備精確度為±1 ppm[10]。但是，由于成本問題，不能使用低復雜度MTC UE為其時鐘并入高質量振蕩器，多使用VCO作為時鐘，精度為±10 ppm。假設符號時間為7.2×10-7s，允許的定時漂移為5%，即3.6×10-6s。具有10 ppm精確時鐘的MTC UE可以睡眠高達=0.36 s，而具有1 ppm精確時鐘的器件可以睡眠高達=3.6 s。但是，網絡支持的睡眠時間可能更長。例如，在LTE/LTE-A中，網絡支持的睡眠時間最近延長到2 621.44 s（43.69 min）。因此，對于兩種類型的設備，完美定時同步的假設并不成立，且定時重新獲取對于UE和eNB之間的通信很重要。

2.2 ePSS機制

再同步信號滿足LC設備的需求。該信號的設計類似于PSS，所以將其稱為增強型PSS（ePSS）。本文主要討論ePSS機制的設計和資源分配。

設計ePSS信號的目的在于使MTC UE可以在非常低的SNR（大約-14 dB）下以相當大的精度檢測它。ePSS被LC器件使用，但LC器件處理能力有限，應設計為以最小復雜度來提供最佳的魯棒檢測，這要求ePSS信號具有良好的自相關和互相關性質。這種屬性由LTE/LTE-A標準中廣泛使用的ZC序列表示，如在下行鏈路中的PSS和上行鏈路中的物理隨機接入信道（PRACH）。ZC序列使得它們的循環移位1版本彼此正交，且兩個N長度ZC序列的互相關被N限制。這些屬性使它們成為ePSS信號設計的完美選擇。

此外，LTE/LTE-A無線電幀中的ePSS的位置應使UE能夠在檢測時準確確定子幀號，這就要求ePSS在時間和頻率上占據專有的不變資源。為了服從當前LTE/LTE-A框架所規定的資源分配，這種專用資源只能在PDSCH空間中被容納。因此，可用于PDSCH的符號數由eNB決定。

使用子幀1和子幀2上的PDSCH來發送ePSS，使其位置在時間上固定。在具有正常CP的LTE/LTE-A中，子幀由14個符號組成。Resource元素（RE）跨越1個子載波×1符號，且PRB由12個RE×7個符號=84個RE組成。分配的最小單位跨越12個RE×1子幀，其對應于一對PRB即168個RE。使用正常CP的LTE/LTE-A MTC的常用配置是由兩個符號PDCCH之前的12個符號PDSCH組成的子幀。這種情況下，可用于PDSCH的每個PRB對有168-2×12=144個RE。此外，PDSCH中的一些RE被保留用于導頻信號，這種情況下，每個PRB對為12個RE。這為PDSCH提供了每個PRB對132個RE。

在擴展CP情況下，子幀由12個符號組成，分配的最小單位為12個REs×1個子幀=12×12=144個RE。如在正常CP的情況下，導頻信號傳輸需要每個PRB對12個RE。因此，每個PRB對可用的RE總數為144-12=132個RE。通常，一個符號用于PDCCH[11]。因此，對于擴展CP情況，有132-12=120個可用于PDSCH的RE。

本文提出了兩種設計ePSS的方法：使用多個PSS和使用更長的ZC序列。ePSS檢測使用遺留同步信號檢測機制的差分自相關。

使用多個PSS。這種方法中，ePSS由在PDSCH空間中占據RE的突發PSS拷貝形成。重新使用現有PSS序列的優點是它們可以在eNB處輕易獲得，且不需要額外的存儲器來存儲新序列。ePSS PRB由不同根的兩個PSS序列的級聯組成。與ZC序列分布在頻率上的常規PSS不同，本文ePSS內的PSS ZC序列隨時間擴散，確保傳統UE不會將該信號錯誤地檢測為PSS。PSS信號是63長度的ZC序列，兩個這樣的序列將占用126個RE，未使用的RE設置為零。低復雜度MTC UE可以在對應于6個PRB的1.4 MHz的最大下行鏈路帶寬上操作。因此，相當于發送12個PSS副本的子幀中傳送6個ePSS副本。

使用更長的ZC 序列。這種方法中，使用與PSS不同的ePSS的ZC序列。ZC序列具有的形式，其中n=0,1,2,…,N-1，r是ZC序列的根，N是長度。根r和長度N是互質的。對于PSS，N=63和r∈[25，29，34]，共有33個根與63互質，可用于構建不同的ZC序列。

使用不同ZC序列的第二個解決方案是為ePSS使用較長的序列。例如，在使用PDSCH且具有132個RE的PRB的情況下，可以使用長度為131的ZC序列，并將單個未使用的RE設置為零。此外，因為與長度相加的根數增加，為使用較長長度的序列提供了更大的序列集合。此外，兩個ZC序列之間的相互關系與成比例，且較長的序列應提高性能。

2.3 性能分析

與傳統的同步信號檢測機制相比，ePSS機制具有更好的檢測性能。采用DRX機制的UE結合ePSS一起用于定時重新同步消耗的能量，比使用當前DRX機制（結合了用于重新同步的傳統同步信號檢測）的UE將消耗更少的能量。

圖4為遺留同步信號檢測方案和兩種ePSS設計方案的性能。通過觀察分析得出，使用更長ZC序列設計的ePSS比通過重新使用PSS ZC序列設計的ePSS略好。較長的ZC序列具有更好的互相關性質，使其擁有更好的性能。

圖4 遺留同步信號檢測和ePSS檢測的性能

當使用遺留同步信號檢測進行再同步時，將DRX機制后的UE的能量消耗與使用ePSS解決方案的UE能量消耗進行比較。從物理層的角度來看待能源消耗，并考慮一個基于兩個量的能量消耗計算的簡單模型,圖1的UE的ON時間和圖2類似于[12]UE的睡眠時間。

表1 ePSS在DRX模式下的LC設備的能效增益

表1總結了使用ePSS解決方案對DRX周期長度tDRX不同的UE的能量效率增益。檢查的情況包括當前LTE/LTE-A標準（2.56 s）和最大擴展DRX周期長度（2 621.44 s）中支持的DRX周期的最大長度。

3 結 論

綜上所述，在LTE/LTE-A標準化框架內引入增強型主同步信號（ePSS），再結合提出的一種新的DRX機制，可大大降低ePSS能耗，提高定時重新同步化效率。該解決方案適用于CAT-M1、CAT-0及以上的UE類別，對傳統UE的影響最小，有利于發展IoT。