優化PDCCH盲檢測的功率檢測法的實現

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優化PDCCH盲檢測的功率檢測法的實現

0引言

隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，人們對無線通信系統的速率和準確性的要求越來越高。在LTE-A系統中，資源調度和數據傳輸方式靈活多樣，系統容量也大幅度提升，于是低開銷、靈活、性能可靠的控制信道和控制信令設計顯得尤為重要[1]。隨著系統傳輸數據量的不斷增大，信道中的每一比特信息對于終端都極其重要，所以，物理下行控制信道(physical downlink control channel,PDCCH)的解調需要十分嚴謹的算法。

盲檢測過程是PDCCH能否被正確解調的關鍵，而現有算法的盲檢測次數較多，增加了終端的檢測成本和功耗，不但盲檢測模塊計算量大、流程復雜，且影響了整個系統的反應速度。本文提出的功率檢測算法是一種新的盲檢測算法，在原有算法的基礎上進一步縮短了程序運行周期，盡可能地避免多次Viterbi譯碼，從而加快數據的處理速度。對于一個DCI格式，在公共空間檢測1次或者2次，專用檢測4次，那么2個候選DCI格式至多盲檢測10～12次，這使得盲檢測的實時性和有效期有了更大的保證。結合發送功率確定檢測位置，此方案易于實現，且復雜度適中。通過與目前項目所采用的相關檢測算法的仿真實現相比，可看出在公共搜索空間使用功率檢測算法大大減少了盲檢測運行數；而在終端專用搜索空間，此算法更節省了高達100 000 周期數。因此，功率檢測算法極大地提高了盲檢測的效率。

1PDCCH介紹

PDCCH承載著一個或多個終端的DCI，包括終端接收物理下行共享信道(physical downlink shared channel,PDSCH)的解調、譯碼等所需的下行調度分配信息，通知終端在物理上行共享信道(physical uplink shared channel,PUSCH)傳輸時應使用的資源和傳輸格式等上行調度授權信息和上行共享信道傳輸的確認信息，以及用于上行物理信道功率控制的傳輸功率控制命令等其他控制信息[2-3]。由此可見，PDCCH是整個系統數據信道資源分配、確定調制編碼方式和上行功率控制的核心，而數據信道承載的多媒體數據是實現LTE-A高速數據業務的關鍵。因此，要想正確發送和接收數據信道承載的業務，必須保證PDCCH的正確發送與接收。

對于LTE-A系統，由于使用了跨載波調度，終端需要同時解出多個成員載波的DCI，所以，盲檢測過程與LTE也會有所不同。各成員載波的PDCCH經過解資源映射、解四元組交織和循環移位、解層映射和預編碼、QPSK解調、解擾、盲檢測、解速率匹配、維特比譯碼，最后通過CRC校驗獲得正確的DCI格式信息。

終端通過盲檢測算法獲取各種DCI，即盲檢測過程是PDCCH接收端處理流程的精髓。其搜索空間分為公共和終端專用兩種：公共搜索空間針對小區所有終端，在該空間終端主要搜索調度系統消息、尋呼消息和隨機接入消息的DCI；專用搜索空間針對某一特定的終端，在該空間終端主要搜索與特定終端相關調度消息的DCI。

LTE-A規定了多個應用場景[4]，不同的應用場景需要的DCI格式也有所差別，如表1所示。

表1　RNTI/傳輸模式/搜索空間/DCI格式對應關系

2盲檢測算法

由于UE不知道發送端具體發送的PDCCH格式[5]，所以接收端需要進行盲檢測；而只有PDCCH盲檢測成功后，才能對上下行資源進行調度。盲檢測效率的好壞與系統的數據處理量和反應時間等特性有著很大的聯系，盲檢測效率越高，系統越優越。優化盲檢測算法可以使終端更加準確地恢復發送端調度消息，且通過縮短程序運行周期，能夠在最短的時間獲取所需要的配置。

傳統的盲檢測利用遞增(1個、2個、4個或8個CCEs)或遞減(8個、4個、2個或1個CCEs)的方式，遍歷所有可能的搜索空間，直至盲檢測成功或結束。由于該盲檢測方法需要不斷地嘗試，尤其是在極限情況下，需要嘗試所有的CCEs集合等級和PDCCH候選集，傳統盲檢測次數高達44次，于是存在處理量大、復雜度高、耗時長以及不利于UE省電等問題[6-7]。

目前，人們對于盲檢測算法已經有一定的研究，以下簡單介紹3種提高盲檢測效率的算法[8-10]。

①相關檢測算法。終端利用速率匹配模塊在聚合等級4和8盲檢測時，只需要根據滑動相關峰值確定哪個候選承載DCI。對于單用戶模式，終端最大盲檢測次數為32次，相較于傳統算法已大幅提高檢測效率，是比較綜合的算法。

②自適應算法。利用無線環境的特點，同時結合CQI找到概率最大的聚合等級，終端在緩存區記錄第一次盲檢測成功的聚合等級；當下一個消息到來時，從上次記錄的聚合等級優先執行盲檢測。但這種記憶算法的實現受到環境的影響，特別在信道質量差或變化頻繁時，復雜度較高；同時盲檢測按照概率排序，具有一定的偶然性，在項目中無法達到最優。

③排除相同起始位置控制信道單元(control channel element,CCE)的排除法。這是較簡單的算法，單純地剔除了重復候選的檢測過程，在公共搜索空間，終端可以較快地判斷出重合的CCE；但在專用搜索空間，起始位置受很多參數影響，需要多個寄存器記錄不同的起始位置，從而導致資源開銷增加，程序更加復雜。所以在實際應用中，對系統性能提升幫助很有限。

2.1功率檢測原理

上面介紹的盲檢測算法均以減少盲檢測次數和復雜度為目的，但是沒考慮PDCCH的功率分配。為了和噪聲區分開，一般而言，LTE-A系統對有用消息分配的功率相對較大。在實際的數據調試中，發現在控制域的OFDM符號中，承載PDCCH消息的CCE功率較大，而承載NIL消息和噪聲的功率較小。

基于這種情況，本文設計了一種功率檢測方案，先橫向比較，計算每個聚合等級各個候選集的平均功率，再降序得到最大功率值及所對應的候選集序號；然后縱向比較，結合起始位置和各個聚合等級的最大功率，最終得到承載DCI的聚合等級和CCE集合，實現功率檢測算法全過程。該方案不僅減少了最大盲檢測次數，還降低了盲檢測的復雜度。在理想狀態下，該方案可以將單用戶的最大盲檢測次數限制在10～12次，盲檢測運行周期更是減少了上萬次。

PDCCH解調過程的星座圖如圖1所示。

圖1　實際中PDCCH解調星座圖

從圖1中可以發現，PDCCH消息根據QPSK調制分布在4個象限，噪聲以及沒有映射PDCCH的資源聚集在原點附近。而且，在實際項目調試中計算出有用信息功率大約是噪聲的幾千倍。因此，可以采用功率檢測方法，在盲檢過程中將功率最大的聚合等級候選找出，根據聚合等級確定起始位置，提取有效數據進行解速率匹配、執行Viterbi譯碼、CRC校驗，準確解出DCI。

2.2功率檢測步驟

根據無線網絡臨時標志(radio network tempory identity,RNTI)和傳輸模式得到候選的DCI信息格式，然后確定相應的候選的搜索空間，進而計算候選的DCI信息長度，并調用不同的函數進行盲檢測。下面重點從兩個搜索空間介紹功率檢測步驟。

(1)公共搜索空間。

公共搜索空間只包括聚合等級為4和8的PDCCH候選，并且起始搜索位置都是從編號0的CCE開始。功率檢測步驟如下。

① 分別計算聚合等級為4和8的各個候選的功率，找到最大的功率候選集序號，并分別記錄候選的起始位置。

② 判斷兩個記錄的位置是否相同：若相同，直接盲檢測聚合等級8記錄的候選；若不相同，以計算的最大功率的一半為標準閾值再次比較，確定正確的聚合等級，提取有效數據進行譯碼。

③ 若終端需要檢測第二種DCI格式，則去掉盲檢測成功的候選，回到步驟①繼續執行。

圖2為公共搜索空間功率盲檢測流程圖。公共搜索空間檢測由于起始位置確定，在理想情況下只需要執行1次(最多2次)Viterbi譯碼即可解出映射在公共搜索空間的DCI。

圖2 　公共搜索空間功率檢測流程圖

(2)終端專用搜索空間。

和公共搜索空間不同，終端專用搜索空間的功率檢測更復雜。首先，專用搜索空間的聚合等級包括了1、2、4、8；其次，專用搜索空間的起始位置需要計算，每個終端、每個聚合等級都不相同，增加了判斷的復雜度。專用搜索空間功率檢測步驟如下。

① 分別計算專用搜索空間聚合等級1、2、4、8的起始位置；

② 計算并記錄每一個聚合等級下最大功率及其對應的候選集序號；

③ 將得到的4個最大功率從高到底排序，依次檢測四種情況，直至檢測出正確的DCI；

④ 若終端需要檢測第二種DCI格式，則去掉盲檢測成功的候選，回到步驟①繼續執行。

在步驟③中,并沒有像公共搜索空間那樣僅僅盲檢測功率最大的候選。這是因為記錄的4個最大候選起始位置可能各不相同，某些功率最大的候選可能只是正確候選的一部分，因此需要一一檢測這4個候選。若按照公共搜索空間步驟，記錄并比較起始位置并確定最終的聚合等級，則判斷和循環過程較多，控制較繁瑣，對系統整體性能的提升不大。

專用搜索空間的功率檢測流程圖如圖3所示。根據分析，該算法在單用戶專用搜索空間內的最大盲檢測次數為8次，大大縮減了程序運行周期。

圖3　終端專用搜索空間功率檢測流程圖

3實現及性能分析

根據LTE-A系統下行鏈路的實現流程，搭建整個仿真鏈路平臺，進行Matlab算法驗證和CCS算法實現。在DSP實現中，經過解調和解擾操作后，數據已被恢復成軟信息，每個軟信息近似成一個半字，即16位的長度。每一個字即代表調制前的一個復值符號，前半部分為實部，后半部分為虛部。所以將一個字的前半字和后半字作平方和操作，即完成一個字的功率統計。同時為了防止出現偶然性，實現中提取了每個候選的前36個符號進行功率統計，記錄最大功率。上文提到的相關檢測算法是較為綜合的算法，具有一定復雜度，同時在物理層易于實現，并且相比排除法能夠更好地減少盲檢測執行周期，在項目中有很強的使用價值。本文提出的功率檢測方法同樣如此，根據發送功率確定檢測位置，易于實現，且復雜度適中。下面主要將相關檢測算法和功率檢測算法作詳細的對比。

首先盲檢預處理過程，相關檢測法僅針對聚合等級4和8作相關操作，而功率檢測法對所有聚合等級均作功率比較和記錄。正式盲檢測時，功率檢測僅僅計算每個聚合等級下功率最大的候選，相關檢測在聚合等級4和聚合等級8檢測最大相關峰值的候選，而在其他聚合等級下需要一一檢測所有候選。其中，維特比譯碼大量占用運行時間，因此整體來說，雖然功率檢測算法在預處理過程復雜，但是預處理僅僅是進行加法運算，復雜度并不高；在盲檢測時，其能夠盡可能減少使用復雜的維特比譯碼的次數，大大縮短了運行周期，整體性能比相關檢測算法更優秀，系統的實時性進一步提高。現將相關檢測算法和功率檢測法用DSP統計成功盲檢測的運行周期數作對比。DSP公共搜索空間測試參數及對比結果如2、表3所示。

表2　DSP公共搜索空間測試參數

表3　公共搜索空間測試結果

從表3可以看出，公共搜索空間兩種算法復雜度相差不大，均只需盲檢測功率最大或者相關值最大的候選。所以二者的周期數近似相等，不過功率檢測在計算方面比相關檢測簡單，因此效率更高一些。DSP專用搜索空間測試參數和測試結果如表4、表5所示。

表4　DSP專用搜索空間測試參數

表5　專用搜索空間測試結果

專用搜索空間使用兩種無線網絡臨時標志(radio network tempory indentity,RNTI)類型進行測試，對于同一種RNTI，功率檢測算法比相關檢測法執行的運行周期數更小，系統實時性更高。對于不同的RNTI，功率檢測算法運行周期數變化不大，而相關檢測算法則變化明顯。這是因為不論實際承載DCI的聚合等級是多少，功率檢測總是要計算所有聚合等級下最大功率的候選，因而差別不大；而如果基站采用聚合等級4或8承載DCI時，相關檢測法則不需要作聚合等級1和2的盲檢測，因此差別較大，這種差別主要是由實際信道環境和基站的選擇決定的。

4結束語

本文從理論分析出發，根據LTE-A系統特性，提出了一種功率檢測算法提高PDCCH盲檢測效率。該算法先計算每個聚合等級各個候選集平均功率，再排序得到最大功率值及所對應的候選集序號，然后根據起始位置和各個聚合等級的最大功率，最終得到承載DCI的聚合等級。該算法能夠有效降低盲檢測的復雜度，優化了算法，并通過Matlab仿真和DSP測試，驗證了其可行性和高效性。

參考文獻

[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,羅佳. LTE系統DCI 格式檢測及PDSCH傳輸方式確定的實現[J].電視技術,2013,37(17):204-208.

[6] 謝聰. LTE-Advanced系統中下行物理層方面的載波聚合技術的研究[J].大眾科技, 2013, 15(9): 1-3.

[7] 楊晨晨, 彭濤, 錢榮榮,等.混合蜂窩與端到端系統PDCCH盲解碼研究[J].電子技術應用,2014,40(2):107-110.

[8] 王華華, 邱智慧, 李小文,等.一種用于TD-LTE系統提高盲檢效率的方法[P].中國,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

李小文曾李穆朋飛

(重慶郵電大學重慶市移動通信技術重點實驗室，重慶400065)

摘要：物理下行控制信道(PDCCH)是系統資源分配和調度的核心，正確盲檢測得到下行控制信息(DCI)是保證通信正常運行的關鍵。針對DCI格式以及其資源映射的多樣性，提出功率檢測算法,以優化PDCCH盲檢過程。首先計算每個聚合等級中各候選序號的功率，排序得到最大功率值及相應的候選并記錄起始位置；進而找到承載DCI的聚合等級和CCE集合。與現有的相關檢測法相比，該算法在TMS320C6455DSP的實現中，明顯減少了運行周期數，精簡了計算量，系統實時性更高。

關鍵詞：數據通信物理下行控制信道調制解碼自適應算法LTE-AMatlab功率檢測DSP實現

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

中圖分類號：TH7;TP3

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604004

國家科技重大專項基金資助項目(編號:2012ZX03001024)。

修改稿收到日期：2015-05-19。

第一作者李小文(1955-)，男，1988年畢業于重慶大學信號與系統專業，獲碩士學位，研究員；主要從事TD-LTE系統開發。