5G NR控制信道容量能力综合分析

张建国，徐 恩，黄正彬（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州3004；.中国移动通信集团广西有限公司玉林分公司，广西玉林537000）

0 引言

与LTE相比，5G NR控制信道的时域和频域位置更加灵活，既可以承载小的负荷，也可以承载大的负荷，其容量计算方法也与LTE有较大的不同，本文接下来分析5G NR控制信道的容量能力。

本文假定系统带宽是100 MHz，子载波间隔是30 kHz，共计有273个PRB［1］。

1 PDCCH的容量能力分析

1.1 PDCCH结构

PDCCH在控制资源集合（CORESET——Control Resource Set）区域上传输，CORESET在频域上占用个PRB，根据3GPP TS 38.331协议［7］，最大取值为270，在时域上占用∈{ }1,2,3个OFDM符号。

一个UE可以分配1～3个CORESET，本文接下来以1个CORESET为例来分析PDCCH的容量。

一个PDCCH由1个或者多个控制信道单元（CCE——Control Channel Element）组成，PDCCH 包括的CCE数也即PDCCH的聚合等级是{1，2，4，8，16}之一，一个CCE由6个REG组成，一个REG在频域上占用1个RB，在时域上占用1个OFDM符号。假设=270，当配置的OFDM符号是1、2和3个时，可用的CCE数分别是45、90和135个［2］。

PDCCH和解调参考信号（DM-RS）是频分复用关系［2］，其结构如图1所示。

图1 PDCCH结构

1个RB有12个RE，其中3个RE用于DM-RS，剩余的9个RE用于PDCCH，采用QPSK调制，1个REG可用的bit数是18。不同聚合等级的PDCCH的CCE数、REG数、RE数、可用的bit数如表1所示。

表1 不同聚合等级PDCCH的CCE、REG、RE和可用bit数

1.2 DCI格式

5G NR的下行控制信息（DCI）格式共有3大类，分别是 DCI格式 0、1、2，其中 DCI格式 0用于调度PUSCH，DCI格式1用于调度PDSCH，DCI格式2用于其他目的［3］。

每种DCI传输的信息单元（Information Element）是不固定的，与5G NR的L1层参数配置、复用的用户数（对于DCI格式2）密切相关。信息单元包括频域资源指配、时域资源指配、天线端口数、传输块信息、预编码信息和层数等，有些信息单元的尺寸是固定的，有些信息单元的尺寸是可变的，其中频域资源指配的尺寸变化较大，本文接下来分析频域资源指配的影响因素［3］。

频域资源指配的尺寸由BWP（Bandwidth Part）的带宽、频域资源分配类型2个因素共同决定。

BWP是系统带宽的一个子集，上行和下行各可以配置最多4个BWP，每个BWP由频域位置和带宽、子载波间隔、CP（常规CP、扩展CP）3部分组成，在某一个时刻，每个UE只能有1个上行和1个下行BWP被激活。BWP的带宽最大为系统带宽，本文假定BWP的带宽等于系统带宽即=273个 PRB［7］。

PDSCH或PUSCH的频域资源分配类型有2种，分别是type 0和 type 1［5］。

Type 0是位图类型，以RBG为单位分配频域资源，RBG的大小与BWP的带宽有关，取值是{2，4，8，16}个PRB，当=273时，RBG的取值是16，可以用18 bit来指示，每个bit对应着1个RBG。

Type 1是连续RB分配类型，由RIV（Resource Indication Value）来指示分配的PRB的开始位置和长度，当273时，可以用+1)/216 bit来指示。

DCI格式0_0和DCI格式1_0只能用type 1，频域资源指配是16 bit；DCI格式0_1和DCI格式1_1既可以用type 0也可以用type 1，频域资源指配是max{16，18}+1=19 bit［3］。

其他信息单元的尺寸按照最大值计取，DCI格式0和DCI格式1的负荷分别如表2和表3所示。

DCI格式2_0用于向一组UE通知时隙格式，最大负荷是128 bit；DCI格式2_1用于向一组UE通知不可用的PRB和OFDM符号，最大负荷是126 bit；DCI格式2_2用于向一组UE通知PUCCH和PUSCH的TPC命令；DCI格式2_3用于传输一组被1个或多个UE使用的SRS的TPC命令［3］。本文假定DCI格式2的负荷是128 bit。

1.3 PDCCH的容量能力分析

第1.2节计算出来的DCI负荷，还要经过CRC添加、信道编码和速率匹配3个步骤后才在PDCCH上传输。

表2 DCI格式0的负荷

CRC是16 bit，假定信道编码速率是1/3，DCI格式0_0需要的bit数是（37+16）×3=159，DCI格式0_1需要的bit数是（87+16）×3=309个，DCI格式1_0需要的bit数是（44+16）×3=180个，DCI格式1_1需要的bit数是（88+16）×3=312个，DCI格式2需要的bit数是（128+16）×3=432个。

根据表1，可知DCI格式0_0、DCI格式0_1、DCI格式1_0、DCI格式1_1、DCI格式2需要的CCE数分别是2、4、2、4、4个。当配置的OFDM符号是1、2和3个时，可用的PDCCH数如表4所示。

表3 DCI格式1的负荷

表4 可用的PDCCH数（个）

2 PUCCH的容量能力分析

PUCCH共有5种格式，分别是PUCCH格式0～4［2］。

PUCCH格式0的长度是1或2个OFDM符号，在频域上占用1个PRB，最多传输2 bit的上行控制信息（UCI——Uplink Control Information）负荷，同一个PRB可以复用多个PUCCH格式0。

PUCCH 格式 1（含 DM-RS）的长度是 4～14个OFDM符号，在频域上占用1个PRB，最多传输2 bit的UCI负荷，同一个PRB可以复用多个PUCCH格式1。

PUCCH格式2的长度是1或2个OFDM符号，在频域上占用1个或多个PRB，传输大尺寸的UCI负荷，同一个PRB只能传输1个PUCCH格式2。

PUCCH 格式 3（含 DM-RS）的长度是 4～14个OFDM符号，在频域上占用1个或多个PRB，传输大尺寸的UCI负荷，同一个PRB只能传输1个PUCCH格式3。

PUCCH 格式 4（含 DM-RS）的长度是 4～14个OFDM符号，在频域上占用1个PRB，传输中等尺寸的UCI负荷，同一个PRB可以复用多个PUCCH格式4［6］。

PUCCH格式0～4的总结如表5所示。

表5 PUCCH格式0～4的总结

UCI的负荷包括3类信息，分别是调度请求（SR）、HARQ-ACK和信道状态信息（CSI）。SR用于UE通知gNB是否需要上行资源以便PUSCH的传输，如果UE有上行数据需要传输，则发送SR，如果UE没有上行数据需要传输，则不发送SR，因此SR只需要1个状态即可。HARQ-ACK用于UE通知gNB，PDSCH是否正确解码，如果PDSCH只传输1个传输块（TB），则HARQACK是1 bit，如果PDSCH传输2个TB，则HARQ-ACK是 2 bit。CSI用于传输RI、PMI和 CQI，其需要的 bit数与宽带模式或子带模式、天线端口数、码本配置、子带数目等有关系［4］。

PUCCH格式0～4的容量能力分析方法不尽相同，对于PUCCH格式0和格式1，分析同一个PRB可以复用的PUCCH数目；对于PUCCH格式2和格式3，分析1个PUCCH可用的bit数；对于格式4，分析同一个PRB可以复用的PUCCH数目以及每个PUCCH可用的bit数。PUCCH可用的bit数是信道编码后的bit数，实际传输的有效信息还要考虑信道编码速率和CRC等因素。

2.1 PUCCH格式0

PUCCH格式0没有DM-RS，其结构如图2所示。

图2 PUCCH格式0、格式1和格式2

PUCCH格式0通过ZC序列的不同循环移位（CS——Cyclic Shift）来传递信息，ZC序列共有12个不同的CS，因此可以传递12个信号［2］。

同一个PRB可以复用的PUCCH格式0的数目与UCI有关。

a）仅传输HARQ-ACK，传输1 bit的HARQ-ACK需要2个CS，同一个PRB最多复用6个PUCCH格式0；传输2 bit的HARQ-ACK需要4个CS，同一个PRB最多复用3个PUCCH格式0。

b）仅传输SR，只需要1个CS，同一个PRB最多复用12个PUCCH格式0。

c）HARQ-ACK和SR同时传输，如果HARQ-ACK是1 bit，传输HARQ-ACK和1个正的SR、传输HARQACK和1个负的SR各需要2个CS，共需要4个CS，同一个PRB最多复用3个PUCCH格式0；如果HARQACK是2 bit，传输HARQ-ACK和1个正的SR、传输HARQ-ACK和1个负的SR各需要4个CS，共需要8个CS，同一个PRB只能传输1个PUCCH格式0［4］。

同一个PRB可以复用的PUCCH格式0的数目如表6所示。

表6 同一个PRB可以复用的PUCCH格式0的数目

2.2 PUCCH格式1

PUCCH格式1与DM-RS是时分复用的关系，偶数位置的符号是DM-RS，其结构如图2所示［2］。

PUCCH格式1传输1 bit的HARQ-ACK，用BPSK调制，传输2 bit的HARQ-ACK，用QPSK调制；仅传输SR，用BPSK调制；同时传输1 bit的HARQ-ACK和SR，用QPSK调制，PUCCH格式1无法同时传输2 bit的HARQ-ACK和SR。因此，同一个PRB可以复用的PUCCH格式1的数目与UCI无关［4］。

同一个PRB上，不同UE的PUCCH格式1和DMRS通过ZC序列的CS和时域上的正交码（OCC）来区分［2］。ZC序列共有12个不同的CS。可用的OCC数目与PUCCH的长度和时隙内是否跳频有关，以PUCCH格式1的长度（含DM-RS）是14个OFDM符号为例，如果时隙内不跳频，可用的OCC的数目是7个，同一个PRB最多可以复用12×7=84个PUCCH格式1；如果时隙内跳频，可用的OCC的数目是3个，同一个PRB最多可以复用12×3=36个PUCCH格式1。同一个PRB上可以复用的PUCCH格式1的数目如表7所示。

表7 同一个PRB上可以复用的PUCCH格式1的数目

2.3 PUCCH格式2

PUCCH格式2与DM-RS是频分复用的关系，其结构如图2所示［2］。

PUCCH格式2可以分配的PRB数为1～16［7］，1个PRB上有4个RE用于DM-RS，剩余的8个RE用于PUCCH。当分配1和2个OFDM符号时，每个PRB上可用的RE数分别是8和16，采用QPSK调制，每个PRB可用的bit数分别是16和32。根据分配的PRB数和OFDM符号数即可算出PUCCH格式2可用的bit数，PUCCH格式2最少可用的bit数是16（频域上1个PRB，时域上1个OFDM符号），最多可用的bit数是16×32=512（频域上16个PRB，时域上2个OFDM符号）。

2.4 PUCCH格式3和4

PUCCH格式3和4与DM-RS是时分复用关系，DM-RS的数量和位置与PUCCH格式3和4的长度、是否有额外的DM-RS有关，其中长度是4的PUCCH格式3和4，其DM-RS的数量和位置还与时隙内是否跳频有关［2］，以PUCCH格式3和4的长度（含DM-RS）是14个OFDM符号为例，其结构如图3所示。

图3 PUCCH格式3和4

PUCCH格式3和4每个PRB上可用的RE数如表8所示。

表8 PUCCH格式3和4每个PRB上可用的RE数

对于PUCCH格式3和4，如果高层配置使用QPSK，每个RE可以传输2 bit，如果高层配置使用π/2-BPSK调制，每个RE可以传输1 bit。

对于PUCCH格式3，可以分配2α2·3α3·5α5个PRB，其中α2,α3,α5是非负的整数，PUCCH格式3可以分配的PRB数是{1，2，3，4，5，6，8，9，10，12，15，16}之一［7］。根据表8分配的PRB数和调制方式，即可算出PUCCH格式3可用的bit数，PUCCH格式3最少可用的bit数是24（频域上1个PRB，时域上4个OFDM符号，时隙内跳频，π/2-BPSK调制），最多可用的bit数是16×144×2=4 608（频域上16个PRB，时域上14个OFDM符号，没有额外的DM-RS，QPSK调制）。

对于PUCCH格式4，根据高层配置，同一个PRB上可以复用2个或4个PUCCH格式4。不同UE的PUCCH通过扩频因子（SF）来区分，DM-RS通过ZC序列的CS来区分。根据表8扩频因子和调制方式，即可算出PUCCH格式4可用的bit数。如果扩频因子是2，1个PUCCH格式4最少可用的bit数是24/2=12（时域上4个OFDM符号，时隙内跳频，π/2-BPSK调制），最多可用的bit数是144×2/2=144（时域上14个OFDM符号，没有额外的DM-RS，QPSK调制）；如果扩频因子是4，1个PUCCH格式4最少可用的bit数是24/4=6（时域上4个OFDM符号，时隙内跳频，π/2-BPSK调制），最多可用的bit数是144×2/4=72（时域上14个OFDM符号，没有额外的DM-RS，QPSK调制）。

3 结束语

5G NR控制信道和数据信道共享空口资源，控制信道分配资源过多会导致数据信道资源减少，控制信道分配资源过少会导致控制信道拥塞，两者都会导致数据吞吐量下降，因此需要在控制信道资源和数据信道资源分配上进行折中。在实践中，可以根据本文给出的控制信道容量计算方法，再结合用户数、控制信道利用率等参数，指导控制信道资源的分配，以便为用户提供更好的5G业务体验。