基于CQI上报的TD-LTE系统CCE资源分配算法*

李小文，罗 佳

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆400065)

在LTE系统中，CCE是承载控制信息所用的物理资源，被上下行调度共用[1]。下行控制信息DCI(Downlink Control Information)承载了上下行调度等大量重要的控制信息，是接收端用户实现数据解调的重要依据。用户终端UE（User Equipment）通过盲检测得到所需的DCI信息。若所分配CCE资源不足，则会直接导致UE盲检测成功率的下降，若分配的CCE数量太多，则会造成资源的浪费使资源利用率下降，从而导致系统性能下降。因此，承载DCI的CCE资源的分配就显得至关重要。

传统的实现方法是通过高层配置的相关参数来确定用于物理下行控制信道PDCCH （Physical Downlink Control Channel)的正交频分复用 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex)符号数，并根据该数计算用于承载PDCCH映射的资源粒子RE(Resource Element)数，最后通过RE数来为各个PDCCH配置尽可能大的PDCCH格式，即选择尽可能大的聚合等级。这种实现方法的优点是易于实现，缺点是PDCCH资源分配不合理。会造成当信道条件比较好时所需分配资源可以少一些，但实际则分配了较多的资源，造成了资源的浪费；当信道条件比较差时，需要较多的资源来保证传输的可靠性，当有多种DCI格式复用时，则会造成PDCCH的阻塞率增加，导致终端的盲检测成功率降低。

基于上述方法所存在的问题，本文提出了一种自适应功能的CCE分配方法，即结合CQI值高效分配CCE的方法。该方法不仅使得CCE资源得到了合理的利用，而且使终端的盲检测成功率也得到了提高，从而使系统性能得到了改善。

1 系统模型及常规算法分析

1.1 下行物理控制信道介绍

TD-LTE定义了三种物理控制信道类型，物理控制格式指示信道PCFICH(Physical Control Format Indicator Channel)，物理HARQ指示信道 PHICH(Physical HARQ Indicator Channel)和 PDCCH[2]。它们用于承载下行数据传输的调度信息、上行数据传输的HARQ应答信息、上行功率控制命令等，这些控制信令由物理层或媒体接入 MAC(Medium Access Control)层产生[3]。LTE系统的传输带宽是有限的，通常配置下行控制信道占用一个下行子帧的前 1～3个 OFDM 符号[4]。

表1为用于PDCCH传输的OFDM符号个数，由此可以看出,一个子帧用于PDCCH传输的最大的OFDM符号个数，为了最大程度地利用传输带宽，必须在有效带宽范围内让承载PDCCH的OFDM符号数最少。

表1 用于PDCCH传输的OFDM符号个数

图1为下行信号的处理流程。具体步骤：(1)UE通过检测PBCH得到当前扇区的PHICH的相关配置参数,从而得到PHICH所占用的资源；(2)UE检测PCFICH，确定下行子帧PDCCH占用的OFDM符号个数；(3)通过上述两个步骤，UE可计算出PDCCH占用的物理资源，然后根据PDCCH的映射要求进行PDCCH盲检测，通过盲检测来判断得到的是否就是终端所需要的信息。

图1 下行信号的处理流程

PDCCH用于承载一个或多个终端的DCI信息，主要包括：对于下行，网络端将资源分配的相关信息通知被调度的终端，终端根据DCI信息检测物理下行共享信道PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)；对于上行，网络端通知终端发送物理上行共享信道PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)使用的带宽资源、调制编码方式、传输格式等上行调度授权命令，然后终端才能在分配的物理资源上发送上行数据。可见，DCI的正确检测对上下行数据的传输起着非常重要的作用[1]。因此，合理地分配承载DCI的CCE资源以提高终端盲检测的成功率是至关重要的。

多个PDCCH可以复用在一个子帧中传输。其中每个PDCCH包含n个连续的CCE，并且开始位置的CCE应满足imodn=0,i为CCE编号,每个CCE包含9个REG,每个 REG包含 4个 RE，所以 1个 CCE包含 36个RE、72 bit信息的连续资源块。

多个 DCI经过添加CRC、编码、速率匹配、信道复用、加扰、调制、层映射、预编码、四元组交织、循环移位后，映射到去除了PCFICH、PHICH，以及参考信号RS(Reference Signal)所占用的RE的控制区资源上。

图 2给出了 PCFICH、PHICH、PDCCH的资源映射过程。

1.2 常规算法分析

为了支持链路自适应，并尽量降低UE的盲检测复杂度，PDCCH资源映射设计为以CCE为单位，LTE标准中定义了4种 PDCCH格式，分别对应CCE个数为 1、2、4、8，也即 CCE聚合等级为L∈{1,2,4,8}[4]，网络端可选择使用 1、2、4、8个 CCE来承载一条DCI[5]。如表 2所示。

表2 PDCCH格式

常规算法的实现步骤为：

(1)计算PHICH组数。从高层确定参数得到是否有PHICH传输ACK/NACK信息，如果有,则利用式(1)计算PHICH组数，如果没有，PHICH组数为 0，即不占用资源栅格。

其中，Ng∈{1/6,1/2,1,2}由高层提供，为下行传输带宽，单位为 RB。

(2)得到PDCCH可能占有的OFDM符号数。当子帧类型为TDD子帧1或6时，判断下行带宽是否大于10个RBs，如果是，则再判断高层配置的PHICH间期类型。若为普通型，则PHICH占用第1个OFDM符号，由表1得到承载PDCCH的OFDM符号数为1或2。若为扩展型，PHICH占用前2个OFDM符号，那么承载PDCCH的OFDM符号数为2。对于其他情况，PHICH映射到前3个OFDM符号上[4]。如果判断得到的下行带宽小于等于10个RBs,由表1得到承载PDCCH的OFDM符号数为2。

(3)通过尝试确定PDCCH占用的OFDM符号数。首先假设OFDM符号数为 1，可得到所占REG个数，从而可知总的RE数。从总的RE数量中减去PCFICH、PHICH以及参考信号所占的RE数目[4]，即可得用于承载PDCCH映射的RE数，判断是否大于36倍的nPDCCH（nPDCCH为发送的DCI个数）。如果是，则表明假设成立，即PDCCH占用的OFDM符号数为1；否则，OFDM符号数为 2。

(4)聚合等级的确定。在承载PDCCH的RE中，为每个 PDCCH配置尽可能大的 PDCCH格式(0，1，2，3),即选择尽可能大的聚合等级。

同理可得到对于扩展型PHICH间期、带宽小于或等于10 RB及其他情况时的OFDM符号个数以及各PDCCH格式。

从上述方法描述中可以看出，在确定PDCCH所占用的OFDM符号个数后，并没有考虑信道环境质量，而是为用户选择最大的聚合等级，导致不能兼顾小区容量、PDCCH解调性能以及资源分配的最优化，造成资源浪费以及系统性能的下降。

2 基于CQI自适应反馈的CCE分配算法

基于上述方法存在的问题，本文结合根据终端上报的信道质量指示CQI所反应的信道信噪比SNR的测量结果来确定当前下行子帧发送的各个DCI格式的CCE聚合等级 L。具体的实现步骤(1)～(3)步与传统方法一致，在第(4)步聚合等级选择时则是按照下述方式进行合适的CCE数的选取来承载各种DCI格式。

在TD-LTE系统的网络端与UE通信的过程中，UE根据接收到的下行公共参考信号RS，进行信噪比(SNR)或者信干噪比(SINR)测量，并通过 SNR-CQI映射表将SNR/SINR映射为相应的CQI值[6]。在MATLAB中SNRCQI的映射表为：

[-500;-6.934;-5.147;-3.18;-1.254;0.761;2.70;4.697;6.528;8.576;10.37;12.3;14.18;15.890;17.82;19.83;21]

由上述的SNR取值范围来确定CQI值，共16个，表征出来的公式[6]为：

CQI=0.522 3×SNR+4.617 6 (2)

接着UE通过上行信道将其上报给网络端。网络端可以参考上报的 CQI值(CQI值共 16个，从 0～15，值越大表示无线信道条件越好)来判断当前无线信道的通信环境状况，从而做出CCE聚合等级的选择，即决定每个DCI格式的PDCCH格式。

对于公共搜索空间内的DCI格式，它们被分配的搜索等级对应为4或8个CCE；对于UE专用搜索空间的DCI格式， 它们被分配的搜索等级为 1，2，4，8个 CCE，而CQI值有16个值，建立两个搜索空间的CQI-CCE映射表，如表3所示。

表3 CQI-CCE映射表

以UE专用搜索空间为例，如果当前网络收到的CQI值在12～15范围时，表示当前的无线信道的质量良好，为该UE所对应的DCI格式分配一个CCE,即L=1就足够了。然而，若当前网络收到的CQI值在0～3范围，则表示当前无线信道环境比较差，为了充分实现数据传输的健壮性，就要为该UE所对应的DCI格式分配8个 CCE[7]，即 L=8。 因此，网络端可以在 L∈{1,2,4,8}内选取合适的CCE数来承载PDCCH的各种DCI格式，以便PDCCH能适应信道的变化，满足解调误块率（BLER）不超过 1%的要求[3]，并使得资源得到充分、合理的利用，提高UE盲检测的成功率。

3 仿真结果及性能分析

依据上述算法原理，在MATLAB环境下搭建整个链路平台，对算法性能进行仿真，仿真过程为10个UE分配资源，假定每个UE只有1个DCI。上下行子帧配置为1，传输模式为 1，信道为高斯白噪声(AWGN)信道，接收端通过盲检测得到所需的DCI信息。 具体仿真参数如表4所示。

表4 PDCCH仿真参数

通过取不同的带宽，采用常规算法可得到4种聚合等级下所对应的终端盲检测成功率。而本文算法，PDCCH格式的选取与信道条件有关，在仿真中表现为根据信噪比的变化而变化。把两种算法进行仿真比较，每个信噪比情况下进行10 000次的MATLAB仿真，得到两种算法下PDCCH盲检测成功率的对比，吞吐量对比以及CCE资源利用率的对比。仿真结果如图3～图5所示。

从图3可以看出∶(1)终端的盲检测成功率随着信噪比的变化和聚合等级的选择在变化；(2)当信噪比一定时，聚合等级选择得越大，即占用的CCE个数越多，盲检测成功率越大；(3)聚合等级一定时，信噪比越大，即信道环境越好，盲检测成功率越大；(4)采用改进后的方法，在同等条件下，当信道环境比较差时，可以达到与在采用传统算法选择聚合等级L=8时相当的成功率，随着信道条件渐渐变好，在同等条件下，成功率一直保持在高于L=4时的结果，使成功率得到了提高，而当信道条件达到理想时，成功率则略低于L=4，而与L=2相当，但此时成功率几乎可以达到100%。因为在此时信道环境比较理想的情况下，网络端会自适应地分配较小的聚合等级，在保持成功率的前提下实现资源的合理分配利用。

从图4可以看出,基于常规算法的平均吞吐量低于基于CQI自适应反馈算法的吞吐量。图4与图3的理论分析是相关的，盲检测成功率越高，分配给数据信道的相关资源的可知性也就越大，吞吐量也越有保证；若盲检测成功率低或盲检测不成功，则无法解析数据信道，相应地，吞吐量也就越低。

由图5可看出，采用本文算法的CCE资源利用率要高于采用常规算法。

由仿真结果及分析可知，改进后的方法综合考虑了盲检成功率、吞吐量及CCE的资源利用率。通过UE反馈的信道环境质量，自适应地选择聚合等级，从而使资源利用率、UE覆盖率以及PDCCH的解调性能得到了提高，系统性能得到了改善。

本文从理论分析出发，根据TD-LTE系统特性，分析了目前网络端进行CCE资源分配的算法，提出了一种利用UE反馈的CQI信道质量指示自适应地进行CCE聚合等级选择的改进方法。从仿真结果可以看出本文算法使UE盲检测成功率得到了提高、吞吐量增大、资源分配更加合理。另外，改进方法的实现复杂度极低，易于实现，已经应用于国家科技重大专项项目 “TD-LTE无线终端综合测试仪表”的开发中，并验证了其可行性与有效性。

[1]王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社,2010.

[2]SESIA S,TOUFIK I,BAKER M.LTE-the UMTS long term evolution from theory to practice[M].A John Wiley and Sons,Ltd,Publication,2009∶189-205.

[3]3GPP TS 36.321 v9.0.0,3rd Generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);multiplexing and channel coding(Release 9)[S].2009.

[4]3GPP TS 36.211 v9.1.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation(Release 9)[S].2010-03.

[5]3GPP TS 36.213 v9.0.0,3rd Generation partnership project.technical specification group radio access network.evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA).Physical layer procedures(Release 9)[S].2009.

[6]Li Xiaowen,Fang Qianjun,Shi Liuwei.A effective SINR link to system mapping method for CQI feedback in TDLTE System[C].2011 IEEE 2nd International Conference on Computing,Control and Industrial Engineering.Wuhan,China.2011.Beijing,China.Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.August 20-21 2011.Vol.02.p208-211

[7]SESIA S,ISSAM T,BAKER M.LTE-The UMTS long term evolution from theory to practice[M].[S.l.];Wiley,2009∶189-205.