优化PDCCH盲检测的功率检测法的实现



优化PDCCH盲检测的功率检测法的实现

0引言

随着数据通信与多媒体业务需求的发展，人们对无线通信系统的速率和准确性的要求越来越高。在LTE-A系统中，资源调度和数据传输方式灵活多样，系统容量也大幅度提升，于是低开销、灵活、性能可靠的控制信道和控制信令设计显得尤为重要[1]。随着系统传输数据量的不断增大，信道中的每一比特信息对于终端都极其重要，所以，物理下行控制信道(physical downlink control channel,PDCCH)的解调需要十分严谨的算法。

盲检测过程是PDCCH能否被正确解调的关键，而现有算法的盲检测次数较多，增加了终端的检测成本和功耗，不但盲检测模块计算量大、流程复杂，且影响了整个系统的反应速度。本文提出的功率检测算法是一种新的盲检测算法，在原有算法的基础上进一步缩短了程序运行周期，尽可能地避免多次Viterbi译码，从而加快数据的处理速度。对于一个DCI格式，在公共空间检测1次或者2次，专用检测4次，那么2个候选DCI格式至多盲检测10～12次，这使得盲检测的实时性和有效期有了更大的保证。结合发送功率确定检测位置，此方案易于实现，且复杂度适中。通过与目前项目所采用的相关检测算法的仿真实现相比，可看出在公共搜索空间使用功率检测算法大大减少了盲检测运行数；而在终端专用搜索空间，此算法更节省了高达100 000 周期数。因此，功率检测算法极大地提高了盲检测的效率。

1PDCCH介绍

PDCCH承载着一个或多个终端的DCI，包括终端接收物理下行共享信道(physical downlink shared channel,PDSCH)的解调、译码等所需的下行调度分配信息，通知终端在物理上行共享信道(physical uplink shared channel,PUSCH)传输时应使用的资源和传输格式等上行调度授权信息和上行共享信道传输的确认信息，以及用于上行物理信道功率控制的传输功率控制命令等其他控制信息[2-3]。由此可见，PDCCH是整个系统数据信道资源分配、确定调制编码方式和上行功率控制的核心，而数据信道承载的多媒体数据是实现LTE-A高速数据业务的关键。因此，要想正确发送和接收数据信道承载的业务，必须保证PDCCH的正确发送与接收。

对于LTE-A系统，由于使用了跨载波调度，终端需要同时解出多个成员载波的DCI，所以，盲检测过程与LTE也会有所不同。各成员载波的PDCCH经过解资源映射、解四元组交织和循环移位、解层映射和预编码、QPSK解调、解扰、盲检测、解速率匹配、维特比译码，最后通过CRC校验获得正确的DCI格式信息。

终端通过盲检测算法获取各种DCI，即盲检测过程是PDCCH接收端处理流程的精髓。其搜索空间分为公共和终端专用两种：公共搜索空间针对小区所有终端，在该空间终端主要搜索调度系统消息、寻呼消息和随机接入消息的DCI；专用搜索空间针对某一特定的终端，在该空间终端主要搜索与特定终端相关调度消息的DCI。

LTE-A规定了多个应用场景[4]，不同的应用场景需要的DCI格式也有所差别，如表1所示。

表1　RNTI/传输模式/搜索空间/DCI格式对应关系

2盲检测算法

由于UE不知道发送端具体发送的PDCCH格式[5]，所以接收端需要进行盲检测；而只有PDCCH盲检测成功后，才能对上下行资源进行调度。盲检测效率的好坏与系统的数据处理量和反应时间等特性有着很大的联系，盲检测效率越高，系统越优越。优化盲检测算法可以使终端更加准确地恢复发送端调度消息，且通过缩短程序运行周期，能够在最短的时间获取所需要的配置。

传统的盲检测利用递增(1个、2个、4个或8个CCEs)或递减(8个、4个、2个或1个CCEs)的方式，遍历所有可能的搜索空间，直至盲检测成功或结束。由于该盲检测方法需要不断地尝试，尤其是在极限情况下，需要尝试所有的CCEs集合等级和PDCCH候选集，传统盲检测次数高达44次，于是存在处理量大、复杂度高、耗时长以及不利于UE省电等问题[6-7]。

目前，人们对于盲检测算法已经有一定的研究，以下简单介绍3种提高盲检测效率的算法[8-10]。

①相关检测算法。终端利用速率匹配模块在聚合等级4和8盲检测时，只需要根据滑动相关峰值确定哪个候选承载DCI。对于单用户模式，终端最大盲检测次数为32次，相较于传统算法已大幅提高检测效率，是比较综合的算法。

②自适应算法。利用无线环境的特点，同时结合CQI找到概率最大的聚合等级，终端在缓存区记录第一次盲检测成功的聚合等级；当下一个消息到来时，从上次记录的聚合等级优先执行盲检测。但这种记忆算法的实现受到环境的影响，特别在信道质量差或变化频繁时，复杂度较高；同时盲检测按照概率排序，具有一定的偶然性，在项目中无法达到最优。

③排除相同起始位置控制信道单元(control channel element,CCE)的排除法。这是较简单的算法，单纯地剔除了重复候选的检测过程，在公共搜索空间，终端可以较快地判断出重合的CCE；但在专用搜索空间，起始位置受很多参数影响，需要多个寄存器记录不同的起始位置，从而导致资源开销增加，程序更加复杂。所以在实际应用中，对系统性能提升帮助很有限。

2.1功率检测原理

上面介绍的盲检测算法均以减少盲检测次数和复杂度为目的，但是没考虑PDCCH的功率分配。为了和噪声区分开，一般而言，LTE-A系统对有用消息分配的功率相对较大。在实际的数据调试中，发现在控制域的OFDM符号中，承载PDCCH消息的CCE功率较大，而承载NIL消息和噪声的功率较小。

基于这种情况，本文设计了一种功率检测方案，先横向比较，计算每个聚合等级各个候选集的平均功率，再降序得到最大功率值及所对应的候选集序号；然后纵向比较，结合起始位置和各个聚合等级的最大功率，最终得到承载DCI的聚合等级和CCE集合，实现功率检测算法全过程。该方案不仅减少了最大盲检测次数，还降低了盲检测的复杂度。在理想状态下，该方案可以将单用户的最大盲检测次数限制在10～12次，盲检测运行周期更是减少了上万次。

PDCCH解调过程的星座图如图1所示。

图1　实际中PDCCH解调星座图

从图1中可以发现，PDCCH消息根据QPSK调制分布在4个象限，噪声以及没有映射PDCCH的资源聚集在原点附近。而且，在实际项目调试中计算出有用信息功率大约是噪声的几千倍。因此，可以采用功率检测方法，在盲检过程中将功率最大的聚合等级候选找出，根据聚合等级确定起始位置，提取有效数据进行解速率匹配、执行Viterbi译码、CRC校验，准确解出DCI。

2.2功率检测步骤

根据无线网络临时标志(radio network tempory identity,RNTI)和传输模式得到候选的DCI信息格式，然后确定相应的候选的搜索空间，进而计算候选的DCI信息长度，并调用不同的函数进行盲检测。下面重点从两个搜索空间介绍功率检测步骤。

(1)公共搜索空间。

公共搜索空间只包括聚合等级为4和8的PDCCH候选，并且起始搜索位置都是从编号0的CCE开始。功率检测步骤如下。

① 分别计算聚合等级为4和8的各个候选的功率，找到最大的功率候选集序号，并分别记录候选的起始位置。

② 判断两个记录的位置是否相同：若相同，直接盲检测聚合等级8记录的候选；若不相同，以计算的最大功率的一半为标准阈值再次比较，确定正确的聚合等级，提取有效数据进行译码。

③ 若终端需要检测第二种DCI格式，则去掉盲检测成功的候选，回到步骤①继续执行。

图2为公共搜索空间功率盲检测流程图。公共搜索空间检测由于起始位置确定，在理想情况下只需要执行1次(最多2次)Viterbi译码即可解出映射在公共搜索空间的DCI。

图2 　公共搜索空间功率检测流程图

(2)终端专用搜索空间。

和公共搜索空间不同，终端专用搜索空间的功率检测更复杂。首先，专用搜索空间的聚合等级包括了1、2、4、8；其次，专用搜索空间的起始位置需要计算，每个终端、每个聚合等级都不相同，增加了判断的复杂度。专用搜索空间功率检测步骤如下。

① 分别计算专用搜索空间聚合等级1、2、4、8的起始位置；

② 计算并记录每一个聚合等级下最大功率及其对应的候选集序号；

③ 将得到的4个最大功率从高到底排序，依次检测四种情况，直至检测出正确的DCI；

④ 若终端需要检测第二种DCI格式，则去掉盲检测成功的候选，回到步骤①继续执行。

在步骤③中,并没有像公共搜索空间那样仅仅盲检测功率最大的候选。这是因为记录的4个最大候选起始位置可能各不相同，某些功率最大的候选可能只是正确候选的一部分，因此需要一一检测这4个候选。若按照公共搜索空间步骤，记录并比较起始位置并确定最终的聚合等级，则判断和循环过程较多，控制较繁琐，对系统整体性能的提升不大。

专用搜索空间的功率检测流程图如图3所示。根据分析，该算法在单用户专用搜索空间内的最大盲检测次数为8次，大大缩减了程序运行周期。

图3　终端专用搜索空间功率检测流程图

3实现及性能分析

根据LTE-A系统下行链路的实现流程，搭建整个仿真链路平台，进行Matlab算法验证和CCS算法实现。在DSP实现中，经过解调和解扰操作后，数据已被恢复成软信息，每个软信息近似成一个半字，即16位的长度。每一个字即代表调制前的一个复值符号，前半部分为实部，后半部分为虚部。所以将一个字的前半字和后半字作平方和操作，即完成一个字的功率统计。同时为了防止出现偶然性，实现中提取了每个候选的前36个符号进行功率统计，记录最大功率。上文提到的相关检测算法是较为综合的算法，具有一定复杂度，同时在物理层易于实现，并且相比排除法能够更好地减少盲检测执行周期，在项目中有很强的使用价值。本文提出的功率检测方法同样如此，根据发送功率确定检测位置，易于实现，且复杂度适中。下面主要将相关检测算法和功率检测算法作详细的对比。

首先盲检预处理过程，相关检测法仅针对聚合等级4和8作相关操作，而功率检测法对所有聚合等级均作功率比较和记录。正式盲检测时，功率检测仅仅计算每个聚合等级下功率最大的候选，相关检测在聚合等级4和聚合等级8检测最大相关峰值的候选，而在其他聚合等级下需要一一检测所有候选。其中，维特比译码大量占用运行时间，因此整体来说，虽然功率检测算法在预处理过程复杂，但是预处理仅仅是进行加法运算，复杂度并不高；在盲检测时，其能够尽可能减少使用复杂的维特比译码的次数，大大缩短了运行周期，整体性能比相关检测算法更优秀，系统的实时性进一步提高。现将相关检测算法和功率检测法用DSP统计成功盲检测的运行周期数作对比。DSP公共搜索空间测试参数及对比结果如2、表3所示。

表2　DSP公共搜索空间测试参数

表3　公共搜索空间测试结果

从表3可以看出，公共搜索空间两种算法复杂度相差不大，均只需盲检测功率最大或者相关值最大的候选。所以二者的周期数近似相等，不过功率检测在计算方面比相关检测简单，因此效率更高一些。DSP专用搜索空间测试参数和测试结果如表4、表5所示。

表4　DSP专用搜索空间测试参数

表5　专用搜索空间测试结果

专用搜索空间使用两种无线网络临时标志(radio network tempory indentity,RNTI)类型进行测试，对于同一种RNTI，功率检测算法比相关检测法执行的运行周期数更小，系统实时性更高。对于不同的RNTI，功率检测算法运行周期数变化不大，而相关检测算法则变化明显。这是因为不论实际承载DCI的聚合等级是多少，功率检测总是要计算所有聚合等级下最大功率的候选，因而差别不大；而如果基站采用聚合等级4或8承载DCI时，相关检测法则不需要作聚合等级1和2的盲检测，因此差别较大，这种差别主要是由实际信道环境和基站的选择决定的。

4结束语

本文从理论分析出发，根据LTE-A系统特性，提出了一种功率检测算法提高PDCCH盲检测效率。该算法先计算每个聚合等级各个候选集平均功率，再排序得到最大功率值及所对应的候选集序号，然后根据起始位置和各个聚合等级的最大功率，最终得到承载DCI的聚合等级。该算法能够有效降低盲检测的复杂度，优化了算法，并通过Matlab仿真和DSP测试，验证了其可行性和高效性。

参考文献

[1] Morozov G, Davydov A. Enhanced Symbol-Level Interference Cancellation for PDCCH of 3GPP LTE/LTE-A[C]// Vehicular Technology Conference, 2014:1-5.

[2] 3GPP TS 36.213. Technical Specification Group Radio Access Network. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA). Physical Layer Procedures[S]. 2013.

[3] 3GPP TS 36.211. Technical Specification Group Radio Access Network. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA). Physical Channels and Modulations[S]. 2013.

[4] Li Ax, Takeda K, Miki N, et al. Search Space Design for Cross-Carrier Scheduling in Carrier Aggregation of LTE-Advanced System [J]. IEEE International Conference on Communications, 2011(7): 1-5.

[5] 李小文,罗佳. LTE系统DCI 格式检测及PDSCH传输方式确定的实现[J].电视技术,2013,37(17):204-208.

[6] 谢聪. LTE-Advanced系统中下行物理层方面的载波聚合技术的研究[J].大众科技, 2013, 15(9): 1-3.

[7] 杨晨晨, 彭涛, 钱荣荣,等.混合蜂窝与端到端系统PDCCH盲解码研究[J].电子技术应用,2014,40(2):107-110.

[8] 王华华, 邱智慧, 李小文,等.一种用于TD-LTE系统提高盲检效率的方法[P].中国,201310242917.8,2013.

[9] Moosavi R, Larsson G. A Fast Scheme for Blind Identification of Channel Codes[C]//IEEE Global Telecommunication Conference, 2011:1-5.

[10]Mu Q,Ji X,Zhu J C,et al. A novel blind decoding method in carrier aggregation[J]. International Conference on Communication Technology and Application, 2011: 291-295.

Implementation of the Power Detection Algorithm for Optimizing PDCCH Blind Detection

李小文曾李穆朋飞

(重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室，重庆400065)

摘要：物理下行控制信道(PDCCH)是系统资源分配和调度的核心，正确盲检测得到下行控制信息(DCI)是保证通信正常运行的关键。针对DCI格式以及其资源映射的多样性，提出功率检测算法,以优化PDCCH盲检过程。首先计算每个聚合等级中各候选序号的功率，排序得到最大功率值及相应的候选并记录起始位置；进而找到承载DCI的聚合等级和CCE集合。与现有的相关检测法相比，该算法在TMS320C6455DSP的实现中，明显减少了运行周期数，精简了计算量，系统实时性更高。

关键词：数据通信物理下行控制信道调制解码自适应算法LTE-AMatlab功率检测DSP实现

Abstract：PDCCH is the core of the system’s resource allocation and scheduling, and correctly blind detecting downlink control information (DCI) is the key to ensure the normal operation of the communication. Due to the diversity of DCI format and resource mapping, the power detection algorithm is proposed to optimize PDCCH blind detection process. Firstly, the power of each candidate in each aggregation level is calculated and sorted to obtain maximum power and the corresponding candidate, and record the starting position. Then to find the aggregation level of DCI and CCE (control channel element)correct set. Compared with the existing relevant tests, this algorithm obviously decreases the number of operation cycle, simplifies the calculation and has higher real-time performance in the implementation of TMS320C6455DSP.

Keywords:Data communicationPhysical downlink control channel(PDCCH)Modulation decodingAdaptive algorithmLong Term evolution-Advanced(LTE-A)MatlabPower detectionDSP implementation

中图分类号：TH7;TP3

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604004

国家科技重大专项基金资助项目(编号:2012ZX03001024)。

修改稿收到日期：2015-05-19。

第一作者李小文(1955-)，男，1988年毕业于重庆大学信号与系统专业，获硕士学位，研究员；主要从事TD-LTE系统开发。