TD-LTE系统控制信道同频组网分析

陈永倩

（北京新邮通通信设备有限公司 北京100035）

1 引言

LTE（long term evolution）是 3GPP定义的下一个移动宽带网络标准，并且已经列入3GPP R8正式标准。LTE改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM技术并引入MIMO等技术，极大地提高了移动通信系统的通信能力。LTE在20 Mbit/s带宽下能够提供下行100 Mbit/s（2×2天线）与上行50 Mbit/s（2×1天线）的峰值速率。LTE采用扁平化网络结构和全IP系统架构使传输时延更短，更适合承载数据业务，3GPP LTE已经被公认为是能在2010—2020年支撑世界电信产业的移动通信系统。

小区之间干扰 （inter-cell interference，ICI）是蜂窝移动通信系统的一个固有问题，传统的解决办法是采用频率复用，复用系数只有特定的几个选择，如1、3、7等。频谱效率最高的方式就是复用系数等于1，也就是通常所说的同频组网。但同频组网会带来同频干扰，在小区边缘同频干扰更为严重。因为在OFDM系统中，小区内的各个信号之间是正交的，所以OFDM技术比CDMA技术更好地解决了小区内干扰的问题。但是作为代价，OFDM系统带来的ICI问题可能比CDMA系统更加严重。如果两个相邻小区在它们结合部使用相同的频谱资源，则会产生较强的ICI。

LTE系统物理层下行传输方案采用频谱效率高的OFDMA技术；上行传输方案采用峰均比比较低的DFT-SC-FDMA技术。OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点，其系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影响。

物理层控制信道是基站和UE之间传递控制信令的重要通道，它对传输质量和时延都有很高的要求，信令信道如果接收错误或时延很大都有可能引起系统性能的降低。控制信道能否正常地解调将关系到整个系统的通信质量，基于此点，本文主要讨论了LTE系统中控制信道同频组网的能力。

2 控制信道同频干扰分析

假设同频干扰到被干扰小区用户的距离为di，小区周围的同频干扰共有KI个，各个同频干扰之间彼此独立，若仅考虑传播路径损耗，那么被干扰小区用户接收到的同频干扰I可表示为：

其中，n为传播路径损耗的斜率，一般取4。

从式（1）可知，同频干扰随着传播距离的增加而迅速地衰减。考虑如图1所示的蜂窝模型，假设各个小区均采用同频组网，各个小区的每个用户发射的功率相同，被干扰用户在0号小区，同频干扰来自其他小区。那么，对被干扰用户来说，来自第一层各个小区的同频干扰的强度只是本小区信号强度的1/12，第二层以上的小区引起的干扰更小，因此在下面的同频干扰分析中仅考虑两层同频小区的干扰。

移动台的信干噪比定义为接收到的本小区的基站的信号功率与接收到的信号总功率之比。也就是，接收到的本小区的功率为有用信号，设为S，其他基站的功率作为噪声来处理，因此小区0的用户接收到的信号和相邻小区的干扰加噪声比即接收的信干噪比，定义为：

其中n为背景噪声，KI为同频干扰数。

假设第n个小区的阴影衰落系数为ξn，ξn是对数正态分布的高斯随机变量，单位为dB。同时考虑传播路径损耗和阴影衰落，那么同频干扰Iki可表示为：

假设所有小区的大小几乎都一样，小区的大小是由小区信号强度的覆盖面积决定的，那么：

采用蒙特卡洛仿真求解上面给出的同频组网下小区中用户的信干噪比的概率分布函数，得到同频组网下小区内的移动台的SINR也即C/（I+N）分布函数如图2所示。

从图2可以得出，小区95%的覆盖区域SINR值大于-5 dB，98%的覆盖区域SINR值大于-6.7 dB。因此控制信道若能同频组网，那么必须满足各个控制信道在SINR值为-5 dB和-6.7 dB下能够正常解调。

3 LTE控制信道同频组网分析

3.1 PBCH同频组网分析

LTE系统中PBCH用于广播小区最基本的物理层配置信息。在3GPP R8规范中，PBCH编码采用具有最优距离谱的tail biting卷积码，正常CP下通过编码将24个信息比特和16个CRC比特扩展到480 bit，且在4个连续的无线帧中重复传输该编码块，为接收端提供很高的编码增益和合并增益。PBCH使用小区专用的扰码进行加扰，这使得小区之间的干扰随机化。PBCH还采用了发射分集，当发射天线为2天线时采用的是SFBC发射分集，4天线时采用的是SFBC+FSTD，为接收端提供了分集增益。对于各种不同的系统带宽，PBCH的传输带宽相同，占用频带中心的1.08 MHz带宽（72个子载波），以保证PBCH能够被可靠地解调。

分析系统带宽为20 Mbit/s的TD-LTE系统中PBCH的解调能力。仿真的信道模型、天线配置和相关性见表1，解调性能如图3所示。

要正常解调PBCH，要求PBCH的误块率低于1%。从图3可知，在给定的EPA5信道下，PBCH达到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在给定的ETU70信道下，PBCH达到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可见PBCH在给定的此种信道条件下能进行同频组网。

表1 PBCH仿真设置

3.2 PCFICH同频组网分析

LTE系统中PCFICH承载当前子帧中用于传送PDCCH信道的OFDM符号数。在3GPP R8规范中，PCFICH将2 bit的数据采用块编码技术编码到32 bit，为了获得更高的鲁棒性，该块编码采用的是(3,2)单形码经过10次重复后再附加2个系统比特的编码方式。QPSK调制后形成16个调制符号，这16个调制符号映射到子帧第一个OFDM符号上的4个REG上。为了获得充分的分集增益，这4个REG均匀地分布到整个系统下行带宽上，并且PCFICH映射的频域起始位置与小区ID有关，因此不同小区的PCFICH将形成相对的频域偏移，避免不同小区的PCFICH之间的干扰。PCFICH也采用小区特定加扰，采用与PBCH相同的发射分集技术。

分析系统带宽为20 Mbit/s的TD-LTE PCFICH的解调能力。仿真的信道模型、天线配置和相关性见表1，解调性能如图4所示。

要正常解调PCFICH，要求PCFICH的误块率低于1%。从图4可知，在给定的EPA5信道下，PCFICH达到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在给定的ETU70信道下，PCFICH达到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可见PCFICH在给定的此种信道条件下能进行同频组网。

3.3 PHICH同频组网分析

LTE系统中PHICH承载上行数据的HARQ ACK/NACK反馈信息。在3GPP R8规范中，PHICH信道的传输是以PHICH组的形式来组织，1个PHICH组内的多个PHICH信道占用相同的时频域资源，采用不同的正交扩频码复用。如果小区边缘的SINR很低，可以使相同的物理资源上复用的用户减少，提高它的解调能力，这样PHICH抗干扰的能力可以自适应地调整。PHICH采用小区特定加扰、用与PBCH相同的发射分集技术。

分析系统带宽为20 Mbit/s的TD-LTE PHICH的解调能力。仿真的信道模型、天线配置和相关性见表1。仿真的用户数为1，解调性能如图5所示。

要正常解调PHICH，要求PHICH的误块率低于1%。从图5可知，在给定的EPA5信道下，PHICH达到1%的BLER所需的SINR=-6 dB。在给定的ETU70信道下，PHICH达到1%的BLER所需的SINR=-5 dB。可见PHICH在给定的此种信道条件下能进行同频组网。若PHICH组用户数超过1，那么在给定的ETU70信道下就不能进行同频组网，这时候可以采用增加发送天线数来提高PHICH的解调能力，从而实现PHICH的同频组网。

3.4 PDCCH同频组网分析

LTE系统中PDCCH是承载下行物理层控制信令的主要承载信道，承载调度分配和其他控制信息。在3GPP R8规范中，DCI的信道编码采用的是tail biting卷积编码。DCI的原始信息比特经过CRC添加、信道编码和速率匹配后，可以采用 1、2、4、8 个 CCE 进行传输。

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资源来传送，这就导致了PDCCH的解调能力不同。也就是说，如果小区边缘的SINR很低，可以采用低的编码率提高它的解调能力，PDCCH抗干扰的能力可以自适应地调整。

PDCCH采用小区特定加扰，采用与PBCH相同的发射分集技术。PDCCH的CCE到RE的映射按REG为单位先做子交织，以实现将连续的控制信息分散到时频域上，再对交织后的REG序列进行小区特定的循环移位，以实现干扰随机化。

分析系统带宽为20 Mbit/s的TD-LTE PDCCH的解调能力。仿真的信道模型为ETU70，信道低相关，天线配置为2×2，分别考虑了有效载荷（payload）为 31 bit和 10 bit，采用2、4和8个CCE传输的情况，解调性能如图6～8所示。

在给定的仿真条件下，一个PDCCH信道在8个CCE上传输时，有效载荷为10 bit和31 bit能满足同频组网的要求。一个PDCCH信道在4个CCE上传输时，有效载荷为10 bit能满足同频组网的要求，有效载荷为31 bit时能满足小区95%的覆盖同频组网要求。一个PDCCH信道在2个CCE上传输时，有效载荷为10 bit和31 bit均不能满足同频组网的要求。

可见，对于PDCCH在不同的有效载荷下，必须采用不同的CCE传输才能满足同频组网的要求。因为多个PDCCH信道采用的是复用的方式，所以在用户数较多而带宽又较小时，将会出现边缘用户的CCE资源不够的情况，这样就会导致同频组网的性能较差。

4 结束语

从上面的分析也可以看到，虽然不同控制信道的解调性能有所差异，但是总体来看，由于TD-LTE系统中采用了多种措施来提高控制信道的解调性能，使得控制信道具备了同频组网的能力。在实际的同频组网中，考虑到实际的无线环境非常复杂，可以根据实际信道环境来调整影响控制信道解调能力的参数，并采用其他一些干扰消除和干扰避免技术，进一步提升控制信道的同频组网性能。