Massive MIMO 小區PDCCH 控制信道容量提升技術研究*

劉大洋，張 悅，徐登軍，廖繁茂，李 珂，藍萬順

（1.中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623；2.華為技術有限公司，廣東 深圳 518129）

0 引言

PDCCH 是LTE 的信令信道，上行的資源分配的承載和下行分配的承載都是通過PDCCH 通知給UE。PDCCH 在時域上主要占用時隙的前3 個符號(對于帶寬比較小的小區，可能會使用4 個符號)，具體使用幾個符號，由物理信道PCFICH 來指示，而PCFICH 是占用固定的時頻位置[1]。在前面3 個符號上，還有其他的物理信道，包括PHICH 信道、RS 信號和PBCH 信道。PHICH 的信道不是固定的，下行的ACK 資源分配是異步的HARQ，所以PHICH 信道是在變化的。這個會影響大PDCCH的譯碼檢測過程，所以PHICH 信道的信息，會在PBCH 中通知到UE，這樣UE 就已經知道了前3 個符號所有的信息位置，而PDCCH 的信息則是其他信道占用之后剩余的信道分配的內容[2]。

如圖1 所示：PCFICH、PHICH、PDCCH 占據同一塊位置（RS 信號也占據部分RE），需基于PCFICH 指示的PDCCH 占據的OFDM 符號數，從PBCH 中找到PHICH 資源，剔除這幾個信道后剩余的RE 即PDCCH 的位置。

圖1 PCFICH、PHICH、PDCCH 符號位置

PDCCH 是傳輸物理層下行控制信息（DCI,Downlink Control Information）的信道。DCI 包括上下行數據傳輸的調度信息（時頻資源塊及相關調制編碼方式）和上行功率控制信息。可以簡單地理解為PDCCH 攜帶某種信息，這些信息就是為了完成上述7 種功能；因此可以把這些信息稱為DCI，即PDCCH 承載的是DCI 信息，一個PDCCH 只能攜帶一個某種format 的DCI。一個小區可以在上行和下行同時調度多個 UE，即一個小區可以在每個子幀發送多個調度信息。每個調度信息在獨立的PDCCH 上傳輸，也就是說，一個小區可以在一個子幀上同時發送多個PDCCH，即一個子幀上可能包含多個DCI 信息。由于DCI 的大小與其格式和下行系統帶寬相關，差異會很大，因此承載DCI 的每個PDCCH 可以有不同的大小（占用數量不等的資源）。LTE 協議中按照聚合等級把PDCCH 分為了四種格式{0,1,2,3}，每種格式分別對應聚合等級{1,2,4,8}，聚合等級表示一個 PDCCH 占用的連續的CCE 個數，用n表示，且PDCCH 起始位置所在的CCE 號必須為n的整數倍[3]。

如表1 所示：PDCCH 根據payload 的長度的不同劃分了4 種不同的格式。

表1 PDCCH 4 種不同的格式

說明：長短不一的劃分是為了承載不同長度的控制信息，同時也便于照顧邊緣用戶的信道質量（使用長的控制信道格式），按照CCE 的倍數來設計長度，可減少PDCCH 盲檢測的復雜度。

PDCCH 是由4G 基站eNodeB 發送給UE 的，即屬于下行信號，其主要作用有：

（1）向UE 發送下行調度信息，以便 UE 接收PDSCH ；

（2）向UE 發送上行調度信息，以便 UE 發送PUSCH ；

（3）發送非周期性CQI 上報請求；

（4）通知MCCH 變化；

（5）發送上行功控命令；

（6）HARQ 相關信息；

（7）攜帶RNTI：該信息隱式包含在 CRC 中，等等。

如果PDCCH 符號數配置不夠，為調度用戶分配CCE 失敗，將導致用戶調度時延增大，影響用戶業務感受。同時如果待調度的用戶數量大且每個用戶的緩存數據量不大，將導致PDSCH、PUSCH還有RB 和功率剩余、頻譜效率降低。如果PDCCH符號數配置過多，即PDCCH CCE 使用率低，將占用不必要的PDSCH 資源，也會導致頻譜效率降低。5G Massive MIMO 作為大容量解決方案，可以有效應對高負荷，大事件等場景，但是在這些場景下，PDCCH 信道很容易成為影響MM 增益發揮的瓶頸。PDCCH 容量提升算法需求就非常迫切，怎樣節省PDCCH CCE 資源用于更多的用戶調度？容量提升算法可提升PDCCH 容量，支持調度更多的用戶，提升用戶上行的平均吞吐率、頻譜效率、體驗速率，以及用戶下行的平均吞吐率、頻譜效率、體驗速率。

1 PDCCH 控制信道容量提升技術

本章節系統性研究了PDCCH 控制信道提升關鍵因素，從設計實用性和提升效果顯著性方面總結出五大關鍵技術手段，如圖2 所示。下文中詳細介紹每個功能的原理，實施具體細節以及預估增益效果等。

圖2 PDCCH 控制信道容量提升五大關鍵技術

1.1 低聚集級別用戶優先調度

小區子幀配比類型為SA2 時，2/7 子幀不能用于下行數據傳輸，3/8 子幀將被用于傳輸更多的下行數據。這將導致上下行發送DCI（Downlink Control Information）的資源受限以及下行CCE 受限[4]。因此引入低聚集級別用戶優先調度功能。該功能生效時，eNodeB 針對MU-BF 用戶，按照3/8子幀上每個用戶上個TTI PDCCH CCE 初始聚集級別從小到大進行優先級排序，挑選最適合的用戶進行配對，提升3/8 子幀上PDCCH 調度的MU-BF 用戶數，提升小區配對層數和用戶下行平均吞吐率。如圖3 所示：

1.2 增強符號自適應優化

eNodeB 對低聚集級別用戶的符號自適應判斷條件進行優化，提升PDCCH 每TTI 調度的MU-BF用戶數，提升小區配對層數和用戶下行平均吞吐率[5]。在Massive MIMO 小區重載場景下，增強符號自適應優化功能開啟后，eNodeB 根據待調度用戶數對PDCCH 符號個數進行預估，PDCCH 符號個數與調度所需要的PDCCH 信道資源更加匹配，提升PDCCH 每TTI 調度的MU-BF 用戶數，提升小區配對層數和用戶下行平均吞吐率（如圖4 所示）。

自適應調整PDCCH 符號數，以更快地匹配真實話務需求。

圖3 低聚集級別用戶優先調度

圖4 增強符號自適應優化調整PDCCH 符號數示例

1.3 PDCCH 誤塊率目標值提升

提高PDCCH 鏈路自適應的BLER 目標值，使得PDCCH 誤塊率收斂到該目標值。普通輕載場景該參數默認值為0.5%，MM 重載下建議修改為1.5%,可以降低CCE 聚集級別，降低CCE 資源消耗。

1.4 PDCCH 功率控制用戶數門限（Pdcch Pwr Ctrl User Num Thd）

如圖5 所示，在網絡重載時，控制PDCCH功率優化用戶數門限。當用戶數大于該門限時，PDCCH 不允許通過增加功率提升CCE 解調成功率[6]。增益預期：重載場景，因PDCCH 功率不足導致的CCE 分配失敗概率降低，用戶體驗速率提升。

圖5 PDCCH 功率控制實現流程

1.5 PDCCH 空分復用（SDMA）

MM 數據信道通過空分復用來實現容量成倍提升，業務信道容量提升后，調度用戶數明顯提升，此時如果控制信道容量跟不上，也會影響最終的用戶體驗和小區容量能力[7]。通過將PDCCH 寬波束進行劈裂，使得PDCCH 資源被不同波束下的多個UE 復用，實現PDCCH 空分復用。通過將PDCCH寬波束進行劈裂，使得PDCCH 資源被不同波束下的多個UE 復用，實現PDCCH 空分復用（如圖6所示）。

圖6 PDCCH 空分復用

2 PDCCH 控制信道容量提升技術增益影響分析

2.1 增益分析

該功能可以緩解因Massive MIMO 小區PDCCH資源受限，導致小區容量受到抑制的問題，提升小區下行平均吞吐率和用戶下行平均吞吐率。在Massive MIMO 小區重載場景下，本功能可提升PDCCH 每TTI 調度的MU-BF 用戶數，提升小區配對層數和用戶下行平均吞吐率[8]。

2.2 對網絡的影響

·PDCCH 和PDSCH 資源均受限嚴重時，開通PDCCH 容量提升，可能導致小區下行平均吞吐率和下行頻譜效率下降。

·對于低聚集級別用戶優先調度，由于eNodeB優先調度低聚集級別用戶，可能導致遠點用戶的體驗速率略有降低。

·對于PDCCH 聚集級別優先級排序，由于功能生效后降低了PDCCH 聚集級別4 和8 用戶的優先級，因此部分邊緣用戶的調度優先級會降低，這部分用戶的體驗速率可能會降低。

3 商用網CCE 受限問題分析

3.1 普通商用重載場景CCE 受限導致用戶體驗速率差

模擬忙時單小區用戶數達到300+，單用戶體驗速率降低到1.4Mbps 左右（如圖7、圖8 所示）。

圖7 RRC 連接用戶數隨時間變化曲線

圖8 下行用戶體驗速率變化曲線

經分析，主要是控制信道CCE 資源受限導致，下行CCE 分配失敗比例高達70%（如圖9、圖10所示），上行CCE 分配失敗比例高達80%（如圖11、圖12 所示），其具體計算公式如下：

式中，P為CCE 分配失敗比例，A為CCE 分配失敗次數，B為CCE 分配成功次數。

3.2 場館大事件場景CCE 受限導致用戶體驗速率差

××局點場館跨年演唱會保障，MM 小區忙時用戶數高達1000，體驗速率降低到500kbps 以下（如圖13 所示），體驗受限嚴重。

分析控制信道利用率和CCE 分配情況，發現CCE 分配失敗比例極高（如圖14、圖15、圖16、圖17 所示）。控制信道受限導致用戶體驗極差。

圖9 下行CCE 利用率變化曲線

圖10 下行CCE 分配失敗率

圖11 上行CCE 利用率變化曲線

圖12 上行CCE 分配失敗率

圖13 舉例說明CCE 受限對實際現網用戶體驗影響

圖14 下行CCE 利用率變化曲線

圖15 下行CCE 分配失敗率

圖16 上行CCE 利用率變化曲線

圖17 上行CCE 分配失敗率

3.3 PDCCH 容量提升技術應用效果

本特性在現網已經驗證，普通場景驗證效果如下，開啟PDCCH 容量優化包之后，體驗速率提升50%以上。采用本文中的PDCCH 容量優化五大關鍵舉措后，如圖18 所示，優化后CCE 分配失敗比例明顯降低。

圖18 優化后CCE 后提升效果

4 結語

本文主要介紹了PDCCH 控制信道容量提升技術方案的原理以及實際應用效果。控制信道有兩個維度，一是PDCCH CCE 資源，二是PDCCH 功率資源。兩者的分配算法要結合小區實際用戶數和實際無線環境等綜合指標進行分配算法優化。性能提升的時候也有兩個方向，一是想方設法節省控制信道資源并保證用戶體驗不下降，二是怎樣利用空分復用算法以及MM 多天線能力，在原有基礎上提升控制信道容量，增加可用CCE 資源。通過PDCCH容量算法優化，重載和大事件場景控制信道受限得到明顯的緩解，MM 小區用戶體驗速率大幅提升。