一种提高MTC上行能效的LTE标准增强算法

温庆华，黄沛江，王 斌

（中国移动广东公司东莞分公司，广东 东莞 523000）

0 引 言

与互联网有关的新型智能设备离不开无线通信的支持，同时互联网服务的不断变化推动着无线通信的发展。无线通信技术进入第五代（5G），面临的主要挑战之一是如何满足物联网世界的多样化需求。目前的解决方案包括电气和电子工程师协会（IEEE）802.15.4蓝牙[1-2]和 IEEE802.11无线局域网（WLAN）[3]，主要依靠设备到设备（D2D）通信和分布式网络架构。然而，这些技术受到低覆盖和低容量的限制。通过长期演进（LTE）/LTE-Advanced（LTE-A）标准，第三代合作伙伴计划（3GPP）标准化委员会也考虑了对物联网的支持。LTE/LTE-A标准使用蜂窝网络实现远程操作，可以有效地支持IoT。

最近，正在部署异构网络和小型基站[4-5]来服务于网络流量高的地区。虽然这些解决方案成功地管理了网络负载并提高了用户吞吐量，但是需要大量的额外基础设施和大量的运营费用。IoT解决方案还包括自组织网络（SON），即通过对网络行为进行调整，管理和优化其运营来提高网络效率的能力[6-7]。然而，SON需要复杂的算法和新的网络设备才能高效运行。

随着IoT服务成为蜂窝网络和MTC发展的组成驱动因素，3GPP已经从LTE标准版本11启动了MTC标准化。在LTE网络中使用MTC的主要优点是仅使用现有的网络基础设施为设备提供服务就可以降低运营成本，并使LTE提供更高的容量，为设备提供更加有效的服务。例如，即使在使用低成本设备的情况下，LTE也能为智能测量提供大容量[8]。结果表明，在使用LTE的城市部署场合中，需要大约2%的系统资源来支持高级计量基础设施。虽然LTE提供高容量，但是目前的LTE/LTE-A网络主要被设计用于高效的H2H通信。为了使LTE网络得到更广泛的应用，需要改进网络架构以支持MTC应用。

本文的研究的目的是提供下行链路和上行链路中的机制，以便促进3GPP LTE MTC的IoT，解决方案主要是使当前LTE/LTE-A框架所需的变化保持最小。下面将主要探讨有快速睡眠指示的DRX机制、时反馈对MTC UE能耗的影响和增强型主同步信号（ePSS）。

1 有快速睡眠指示（QSI）的DRX

在IoT情况下，eNB必须将寻呼消息传送到大量MTC UE的集合。寻呼消息通过寻呼信道在下行链路中发送，该信道被映射到PDSCH物理信道。寻呼信道最多可容纳16个UE。因此，eNB必须多次调度寻呼信息，将导致UE接收寻呼信息所需的时间增加。MTC UE是可延迟的，因此能够处理接收寻呼信息的延迟。然而，UE在接收到有效的寻呼消息前会听到多个寻呼信息，导致功率消耗增加。

1.1 QSI机制

图1为具有QSI的DRX和寻呼的第一个模型用于没有CE的MTC UE。该模型中，通过从“深度休眠”状态转换到“再同步”状态，UE从DRX周期唤醒时，UE开始进行与传统UE类似的寻呼检测操作，以获取符号边界。然而，在定时获取后，UE转换到“QSI检测”状态检测QSI信号。如果QSI传送“睡眠”没有有效的即将到来的页面，则UE立即转换到“深度睡眠”状态。然而，如果QSI信号指示“保持唤醒”或者没有成功检测到QSI，则UE恢复传统操作以解码寻呼信息并转换到“轻度睡眠”状态。

图1 提出的具有QSI（无CE）的DRX模型

图2 描述了有CE的QSI的DRX和寻呼的第二个模型。UE通过从“深度睡眠”状态转换到“QSI和定时检测”状态来开始寻呼检测操作。如果QSI传送“睡眠”，则UE立即回到“深度睡眠”状态；如果QSI指示“保持睡眠”，则UE转换到“轻度睡眠”状态，并通过移动“寻呼解码”到PO上；如果未检测到QSI，则UE遵循传统DRX操作，以解码寻呼信息。

图2 提出的具有QSI（有CE）的DRX模型

1.2 无CE的快速睡眠方案

没有CE的MTC UE的QSI机制适用于宠物跟踪或天气感测的IoT场景，其中UE具有低移动性，且位于网络覆盖良好的区域中。这种情况下，设计QSI以便重新使用已经由eNB分配的资源。选择在子帧网格上位置不改变的物理信道发送QSI，以便UE知道QSI的位置。同步和广播的物理通道符合该要求。

PSS、SSS和PBCH的关键特性是无论系统带宽如何，它们总是占用1.4 MHz的恒定带宽。在子帧0和子帧5上每5 ms分别发送PSS和SSS。它们包含一个符号，且UE可以使用相关解码器来检测这些同步信号并调整帧定时[9]。PBCH占据子帧0的4个符号，且每10 ms发送一次，有4次重复。因此，每40 ms发送一个新的PBCH。PBCH块的结构使得UE可以独立解码每个10 ms的传输，或组合多个重复体来解码PBCH。由于带宽较小，UE可以使用更小的快速傅里叶变换（FFT）来解码PBCH。因此，同步或PBCH检测阶段的早期睡眠指示或QSI有助于UE确定是否必须返回睡眠或继续解码PDCCH。

PSS和SSS是在中心频带上发送的LTE/LTE-A中使用的同步信号。PSS在子帧0和子帧5中的第一时隙的最后一个符号上以5 ms的周期发送63长度的ZC序列。第32载波对应于DC副载波，并且被设置为零。SSS由DC子载波两侧的两个31长度的m序列组成。SSS也在PSS之前的子帧0和子帧5中一个符号发送。但是，子帧0上的SSS与子帧5上的SSS不一样，有助于UE在采集过程中确定它是在无线电帧的前半部分还是在后半部分。跨越1.4 MHz的中心频带由72个副载波组成，包括直流副载波。PSS和SSS传输的关键特征是它们仅使用72个子载波中的62个。因此，除了DC子载波，还有9个未使用的子载波。所以，建议使用9个未使用子载波中的8个发送M个QSI位。

对于这种机制，考虑M≤4的情况并构建4位QSI消息。当M≤2时，可以重复这些位，且当M=3时，为了获得4位QSI消息，可以将零作为最高有效位附加。用Cm和Ns分别表示用于QSI传输的调制方案和同步符号的数量，则在未使用的子载波上容纳4位消息所需的重复次数为N== 2 N。r s

假设eNB必须使用可用功率的一部分来传输QSI。当没有QSI时，eNB的发射功率均匀分布在62个子载波上；当存在QSI时，eNB均匀分布在70个子载波上。因此，当发送QSI时，PSS/SSS SNR的损耗可以计算，为10lg，相比初始值有小幅度下降。如果eNB可以为QSI传输提供额外的功率，则PSS/SSS性能将不会下降。

1.3 有CE的快速睡眠方案

物联网中，UE可以位于地下停车场、医院等场所，以感测空闲的停车位或医院的内部患者的状态。这种情况下，没有CE的MTC UE的快速睡眠解决方案无效，因为UE将需要多次重复的PSS/SSS来确定SNR（SNR非常低）。如果UE需要重新获取PBCH，则需要PBCH的多个副本来准确确定SFN。类似地，在PDCCH、PDSCH和QSI上解码寻呼也将需要多次重复，将增加UE的接通时间。因此，优选地设计鲁棒的QSI信号，不仅指示一组UE是否可以被快速地睡眠，而且有助于更快的定时同步。UE解码这样的QSI信号可以同时获得寻呼和定时信息，减少了ON时间并降低了寻呼解码的复杂度，从而节省能量。本节介绍了使用PDSCH空间专用资源且具有CE的MTC UE的QSI信号设计机制。

使用ZC序列来创建具有良好的自相关和互相关特性的QSI信号，从而实现鲁棒的信号检测。ZC序列是复幅度零自相关（CAZAC）序列，且这些序列的循环移位版本彼此正交。另外，长度为N的两个ZC序列的互相关被限制为，并已经在LTE/LTE-A中用于PSS和随机接入。提出的QSI ZC序列形式如下：

其中，N=131是ZC序列的长度，P是选择的ZC序列的根，使得它与N互质。选择P∈[2+8×(q-1)]，其中q=1,2,…,16。QSI序列占用131个子载波，选择该长度是因为传统寻呼块将占用至少1个PRB对，并考虑了2个符号PDCCH，将共占用132个子载波。因为互相关峰与序列的长度成反比，所以总是可以选择较长的序列来提高性能，但是较长的序列将需要更多的资源。

在PDSCH空间中提出的QSI传输机制在无线电帧的子帧1、2、6和7中使用1个PRB对。选择这些子帧提供对QSI信号的时间分集，并确保它是周期性的。使用中心1.4 MHz频带，并且在子帧1和7的顶部PRB对和子帧2和5的底部PRB对上发送QSI ZC序列，从而向QSI信号引入一些频率分集，以确保QSI模式具有10 ms的周期性。当UE检测到QSI时，UE可以确定准确的子帧号。图3说明了所提出的QSI信令模式。

图3 PDSCH上的QSI传输机制

2 增强型主同步信号

在典型的无线通信系统中，移动设备（UE）与基站保持准确的符号定时同步，便于解码下行链路数据。定时分辨率处于符号级别，即如果支持IoT的MTC UE找到正确的符号编号，则定时被指定为正确。为了在DRX唤醒间隔期间更快地进行时序重新采集，将新增强型主同步信号（ePSS）引入LC器件的再同步信号，并演示了当使用ePSS时能量消耗的降低过程。此外，还采用ePSS作为QSI机制的DRX，结合没有页面的定时重新采集，以及快速过渡到睡眠模式的优势，进一步提高LC设备的能源效率。

2.1 UE定时精度

如果UE使用高质量振荡器，会大大减小定时漂移。这意味着UE可以睡眠较长的时间，而不会失去定时同步。通常，使用高品质压控温度补偿晶体振荡器（VCTCXO）的移动设备精确度为±1 ppm[10]。但是，由于成本问题，不能使用低复杂度MTC UE为其时钟并入高质量振荡器，多使用VCO作为时钟，精度为±10 ppm。假设符号时间为7.2×10-7s，允许的定时漂移为5%，即3.6×10-6s。具有10 ppm精确时钟的MTC UE可以睡眠高达=0.36 s，而具有1 ppm精确时钟的器件可以睡眠高达=3.6 s。但是，网络支持的睡眠时间可能更长。例如，在LTE/LTE-A中，网络支持的睡眠时间最近延长到2 621.44 s（43.69 min）。因此，对于两种类型的设备，完美定时同步的假设并不成立，且定时重新获取对于UE和eNB之间的通信很重要。

2.2 ePSS机制

再同步信号满足LC设备的需求。该信号的设计类似于PSS，所以将其称为增强型PSS（ePSS）。本文主要讨论ePSS机制的设计和资源分配。

设计ePSS信号的目的在于使MTC UE可以在非常低的SNR（大约-14 dB）下以相当大的精度检测它。ePSS被LC器件使用，但LC器件处理能力有限，应设计为以最小复杂度来提供最佳的鲁棒检测，这要求ePSS信号具有良好的自相关和互相关性质。这种属性由LTE/LTE-A标准中广泛使用的ZC序列表示，如在下行链路中的PSS和上行链路中的物理随机接入信道（PRACH）。ZC序列使得它们的循环移位1版本彼此正交，且两个N长度ZC序列的互相关被N限制。这些属性使它们成为ePSS信号设计的完美选择。

此外，LTE/LTE-A无线电帧中的ePSS的位置应使UE能够在检测时准确确定子帧号，这就要求ePSS在时间和频率上占据专有的不变资源。为了服从当前LTE/LTE-A框架所规定的资源分配，这种专用资源只能在PDSCH空间中被容纳。因此，可用于PDSCH的符号数由eNB决定。

使用子帧1和子帧2上的PDSCH来发送ePSS，使其位置在时间上固定。在具有正常CP的LTE/LTE-A中，子帧由14个符号组成。Resource元素（RE）跨越1个子载波×1符号，且PRB由12个RE×7个符号=84个RE组成。分配的最小单位跨越12个RE×1子帧，其对应于一对PRB即168个RE。使用正常CP的LTE/LTE-A MTC的常用配置是由两个符号PDCCH之前的12个符号PDSCH组成的子帧。这种情况下，可用于PDSCH的每个PRB对有168-2×12=144个RE。此外，PDSCH中的一些RE被保留用于导频信号，这种情况下，每个PRB对为12个RE。这为PDSCH提供了每个PRB对132个RE。

在扩展CP情况下，子帧由12个符号组成，分配的最小单位为12个REs×1个子帧=12×12=144个RE。如在正常CP的情况下，导频信号传输需要每个PRB对12个RE。因此，每个PRB对可用的RE总数为144-12=132个RE。通常，一个符号用于PDCCH[11]。因此，对于扩展CP情况，有132-12=120个可用于PDSCH的RE。

本文提出了两种设计ePSS的方法：使用多个PSS和使用更长的ZC序列。ePSS检测使用遗留同步信号检测机制的差分自相关。

使用多个PSS。这种方法中，ePSS由在PDSCH空间中占据RE的突发PSS拷贝形成。重新使用现有PSS序列的优点是它们可以在eNB处轻易获得，且不需要额外的存储器来存储新序列。ePSS PRB由不同根的两个PSS序列的级联组成。与ZC序列分布在频率上的常规PSS不同，本文ePSS内的PSS ZC序列随时间扩散，确保传统UE不会将该信号错误地检测为PSS。PSS信号是63长度的ZC序列，两个这样的序列将占用126个RE，未使用的RE设置为零。低复杂度MTC UE可以在对应于6个PRB的1.4 MHz的最大下行链路带宽上操作。因此，相当于发送12个PSS副本的子帧中传送6个ePSS副本。

使用更长的ZC 序列。这种方法中，使用与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是长度。根r和长度N是互质的。对于PSS，N=63和r∈[25，29，34]，共有33个根与63互质，可用于构建不同的ZC序列。

使用不同ZC序列的第二个解决方案是为ePSS使用较长的序列。例如，在使用PDSCH且具有132个RE的PRB的情况下，可以使用长度为131的ZC序列，并将单个未使用的RE设置为零。此外，因为与长度相加的根数增加，为使用较长长度的序列提供了更大的序列集合。此外，两个ZC序列之间的相互关系与成比例，且较长的序列应提高性能。

2.3 性能分析

与传统的同步信号检测机制相比，ePSS机制具有更好的检测性能。采用DRX机制的UE结合ePSS一起用于定时重新同步消耗的能量，比使用当前DRX机制（结合了用于重新同步的传统同步信号检测）的UE将消耗更少的能量。

图4为遗留同步信号检测方案和两种ePSS设计方案的性能。通过观察分析得出，使用更长ZC序列设计的ePSS比通过重新使用PSS ZC序列设计的ePSS略好。较长的ZC序列具有更好的互相关性质，使其拥有更好的性能。

图4 遗留同步信号检测和ePSS检测的性能

当使用遗留同步信号检测进行再同步时，将DRX机制后的UE的能量消耗与使用ePSS解决方案的UE能量消耗进行比较。从物理层的角度来看待能源消耗，并考虑一个基于两个量的能量消耗计算的简单模型,图1的UE的ON时间和图2类似于[12]UE的睡眠时间。

表1 ePSS在DRX模式下的LC设备的能效增益

表1总结了使用ePSS解决方案对DRX周期长度tDRX不同的UE的能量效率增益。检查的情况包括当前LTE/LTE-A标准（2.56 s）和最大扩展DRX周期长度（2 621.44 s）中支持的DRX周期的最大长度。

3 结 论

综上所述，在LTE/LTE-A标准化框架内引入增强型主同步信号（ePSS），再结合提出的一种新的DRX机制，可大大降低ePSS能耗，提高定时重新同步化效率。该解决方案适用于CAT-M1、CAT-0及以上的UE类别，对传统UE的影响最小，有利于发展IoT。