5G NR控制信道容量能力综合分析

关东黑土豆

摘  要

文章首先分析了PDCCH的结构、DCI格式和容量能力，当配置的OFDM符号是1、2、3个时，可用的CCE数分别是45、90、135个，根据DCI格式的不同，可用的PDCCH数分别是11-22、22-45、33-67个。

然后分析了PUCCH的格式、UCI的负荷和每个PUCCH格式的容量能力，根据承载的UCI不同，同一个PRB上可以复用1-12个PUCCH格式0；根据PUCCH的长度和是否时隙内跳频，同一个PRB上可以复用12-84个PUCCH格式1；根据PUCCH的长度和分配的PRB数，PUCCH格式2可用的bit数是16-512个；根据PUCCH的长度、分配的PRB数、是否有额外的DM-RS、调制方式，PUCCH格式3可用的bit数是24-4608个；同一个PRB上可以复用2个或4个PUCCH格式4，根据PUCCH的长度、是否有额外的DM-RS、扩频因子、调制方式，1个PUCCH格式4可用的bit数是6-144个。

关键词

5G NR；PDCCH；PUCCH；DCI；UCI；容量能力

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100MHz，子载波间隔是30kHz，共计有273个PRB。

1  PDCCH的容量能力分析

1.1     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个。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。

1.2    DCI格式

5GNR的DCI（Downlink control information，下行控制信息）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用于其它目的[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，部分带宽）的带宽、频域资源分配类型两个因素共同决定。

其它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个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个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个bit。

1.3    PDCCH的容量能力分析

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。

CRC是16个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个，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。

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个bit的UCI（Uplink ControlInformation，上行控制信息）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个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。

UCI的负荷包括三类信息，分别是SR（SchedulingRequest，调度请求）、HARQ-ACK和CSI（Channel State Information，信道状态信息）。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TB（Transport Block，传输块），则HARQ-ACK是1个bit，如果PDSCH传输2个TB，则HARQ-ACK是2个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。

PUCCH格式0通过ZC序列的不同CS（Cyclic Shift，循环移位）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个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个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个bit，传输HARQ-ACK和1个正的SR、传输HARQ-ACK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HARQ-ACK是2个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。

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个bit的HARQ-ACK，用BPSK调制，传输2个bit的HARQ-ACK，用QPSK调制；仅传输SR，用BPSK调制；同时传输1个bit的HARQ-ACK和SR，用QPSK调制，PUCCH格式1无法同时传输2个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DM-RS通过ZC序列的CS和时域上的OCC（OrthogonalCover Code，正交码）来区分[2]。ZC序列共有12个不同的CS。可用的OCC数目与PUCCH的长度和是否时隙内跳频有关，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。

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数在1到16之间[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个和2个OFDM符号时，每个PRB上可用的RE数分别是8和16个，采用QPSK调制，每个PRB可用的bit数分别是16和32个。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个（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个（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。

PUCCH格式3和4每个PRB上可用的RE数如表8所示。

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SF(Spreading Factor，扩频因子）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个（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个（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个（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个（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，引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。

参考文献

[1] NR;Base Station (BS) radiotransmission and reception: 3GPP TS 38.104[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[2] NR; Physical channels andmodulation: 3GPP TS 38.211[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[3] NR; Multiplexing and channelcoding: 3GPP TS 38.212[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[4] NR; Physical layerprocedures for control: 3GPP TS 38.213[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[5] NR; Physical layer proceduresfor data: 3GPP TS 38.214[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[6] NR;NR andNG-RAN Overall Description;Stage 2: 3GPP TS 38.300[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

[7] NR; Radio Resource Control(RRC) protocol specification: 3GPP TS 38.331[S/OL]. [2018-5-17]. ftp://3gpp.org/specs/.

编辑概况

张建国：毕业于南京邮电学院，高级工程师，硕士，主要从事无线网络的规划和设计工作；

徐恩：毕业于中国人民大学，高级工程师，硕士，主要从事移动通信网络咨询、规划、设计和优化工作；

黄正彬：毕业于西安邮电学院，工程师，学士，主要从事无线网络的规划和优化工作。