电信工程技术与标准化
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ＴＤ—ＬＴＥ系统中下行控制信道容量分析
董江波，李楠，高鹏
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京１０００８０）
摘要本文主要针对ＴＤ－ＬＴＥ系统中下行控制信道，特别是能够影响小区用户数的ＰＨＩＣＨ信道和ＰＤＣＣＨ信道，分
析影响其信道容量的因素，并给出信道容量的计算公式，为将来进行ＴＤ—ＬＴＥ网络规划与网络参数配置提供
技术参考。
关键词ＰＨＩＣＨ；ＰＤＣＣＨ；信道容量ｌ同时调度用户数中图分类号ＴＮ９２９．５
文献标识码Ａ
文章编号
１００８—５５９９（２０１１）０９－０００９—０５
１
前言
ＬＴＥ系统中ＯＦＤＭ／ＭＩＭＯ／ＡＭＣ／快速调度等技
就将主要针对ＴＤ－ＬＴＥ系统中下行控制信道的容量特
性进行分析，特别给出将会影响和限制下行小区容量的
ＰＨＩＣＨ信道以及ＰＤＣＣＨ信道容量的计算公式，为实
际ＴＤ－ＬＴＥ网络规划以及网络参数配置提供技术参考。
术的应用，使得ＬＴＥ在系统峰值数据速率、小区边缘
速率、频谱利用率以及降低运营和建网成本方面都有进
一步的改进，同时扁平化的网络架构进一步降低了控制和用户面的时延，为用户提供“ＡｌｗａｙｓＯｎｌｉｎｅ”的体验。
在２００７年９月，中国移动牵头联合若干国际运营商以及设备制造商推动了ＴＤ帧结构的进一步融合，从
而带来了ＴＤ—ＬＴＥ系统标准的快速发展，不断缩小了与ＬＴＥＦＤＤ系统的差距，目前已经进入了全国６城市ＴＤ—ＬＴＥ规模试验。
２下行控制信道特点
２．１概述
下行控制信道用于承载下行控制信令，在ＬＴＥ系
统中主要包含用于下行数据传输的调度信息（例如资源分配信息、调制编码方式等）、上行数据传输的ＨＡＲＱ应答信息、上行功率控制命令等，这些控制信令由物理层或者ＭＡＣ产生，即所谓的“层ｌ／层２控制信令”。
与其他２Ｇ以及３Ｇ系统类似，在ＴＤ－ＬＴＥ网络规划与建设中，覆盖与容量性能实际运营商最为关心的
问题。而对于业务信道的容量性能，通常作为网络规划设计的指标，并且需要结合实际无线环境场景，应用规划软件进行分析。而实际上，在网络运营过程中，控制信道的容量特性也会制约和影响着实际网络性能。本文
收稿日期：２０１
１－０８—０２
根据动态调度用户的需求，每个子帧中控制区域占用的ＯＦＤＭ符号数是动态可变的，并且由当前子帧中
ＰＣＦＩＣＨ信道指示。由于采用了控制在前数据在后的设
计方式，如图ｌ所示（ＴＤ－ＬＴＥ系统的子帧ｌ和子帧６控制区域只能占用１个或２个ＯＦＤＭ符号），容许终端
墨雹曩墨互■●一＿＿＿＿＿＿＿＿ｌＩ＿＿＿ｌ
７Ｅ』ｃｏｏ＾ｆ｝～。～ＥＥＲ～。ｒ！ｆＨ～１ｓ，
先接收和处理控制信令，而后根据控制信令中包含的调度信息（例如数据的调制编方式、资源位置等）处理下行数据信号，有效降低了调度和处理延时；同时也在没有数据传输的时候可以不处理数据区域，从而降低功耗。
ＮＡＣＫ比特构成一个ＰＨＩＣＨ组，每个ＡＣＫ／ＮＡＣＫ
比特经过３倍重复、ＢＰＳＫ调制后与长度为４的正交扩
展序列相称，而后将一组内的多路信号进行叠加并加扰，
映射至控制区域中３个离散的ＲＥＧ上，即１２个ＲＥ。
因此，ＰＨＩＣＨ信道具有如下特点：（１）ＰＨＩＣＨ组内ＩＱ两路复用；（２）ＰＨＩＣＨ组内码分复用，频域扩频；
一
在ＴＤ—ＬＴＥ系统中，下行信道包括ＰＢＣＨ，Ｐ／
Ｓ—ＳＣＨ，ＰＣＦＩＣＨ，ＰＨＩＣＨ，ＰＤＣＣＨ，ＰＤＳＣＨ等几种。
（３）ＰＨＩＣＨ组问通过频分复用ｌ（４）ＰＨＩＣＨ信道仅仅在用户发送上行数据时才会用到。
ＰＨＩｃＨ在控制区域映射在ＰＣＦＩＣＨ未使用的ＰＥＧ
上，其在时域映射的持续符号数，决定了其覆盖范围的大小；而一个小区中可以获得ＰＨＩＣＨ组数决定了能够支持的用户数。但在ＴＤ—ＬＴＥ系统中当上下行子帧配
置不对称时，ｕＬ—ＳＣＨ传输子帧和ＰＨＩＣＨ反馈子帧
之间不能建立象ＦＤＤ一样的一一对应关系。ＴＤＤ系统中一个下行子帧需要反馈多个上行子帧中ＵＬ—ＳＣＨ传输的ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信息，因此不同子帧之间需要配置
ＰＨＩＣＨ资源有差异。
下一章将具体分析，ＰＨＩＣＨ信道能够支持的用户
数与各参数的关系。
２
３
其中ＰＢＣＨ和Ｐ／Ｓ—ＳＣＨ信道是小区中所有用户均需要进行接收的，而且这些信道的时频域位置固定，属于广播信道，不会限制小区容量。同样，ＰＣＦＩＣＨ信道用
于指示本子帧ＰＤＣＣＨ信道占用的ＯＦＤＭ符号数，所
ＰＤＣＣＨ信道特点
ＰＤＣＣＨ承载下行控制信息（ＤＣＩ，Ｄｏｗｎｌｉｎｋ
Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ），包括用于下行和上行数据传输
的调度信息和上行功率控制信息等。根据用途和信息内容的不同，ＤＣＩ被封为不同的格式（ＤＣＩＦｏｒｍａｔ），主要是上行ＰＵＳＣＨ调度的ＤＣＩ格式；下行ＰＤＳＣＨ调度
的ＤＣＩ格式，调度公共控制信息的ＤＣＩ格式以及调度
有用户都需要接收，也不会限制到小区容量。因此在本文中，我们对于ＴＤ—ＬＴＥ系统中下行控制信道容量的
分析主要是针对ＰＨＩＣＨ信道，ＰＤＣＣＨ信道这两种。
２２
ＰＨｊＣＨ信道特点组播的功率控制信息的ＤＣＩ格式。
具体处理过程与ＰＨＩＣＨ不同的是．ＰＤＣＣＨ为多
用户共享资源。ＰＤＣＣＨ的ＤＣＩ信息通过终端Ｃ—ＲＮＴＩ
ＰＨＩＣＨ用于承载针对上行共享信道（ＵＬ—ＳＣＨ）的数据包的ＨＡＲＱ应答（ＡＣＫ／ＮＡＣＫ）信息。ＵＥ根据该应答信息决定是否进行ｕＬ—ＳＣＨ数据包的重传，因此ＰＨＩＣＨ的检测性能要求较高。ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信息由ｌｂｉｔ信令表示，信息长度较短，ＬＴＥ系统中采用了蕾复编码、低阶调制（ＢＰＳＫ）、正交扩展、加扰和时频分集映射等方式保证ＡＣＫ／ＮＡＣＫ的传输性能。
具体处理过程为：在常规ＣＰ情况下，８个ＡＣＫ／
加扰，来表示该ＤＣＩ发送的目标用户。在一个下行子帧内，多个ＤＣＩ并行进行编码和速率匹配，将编码比特复用后共同进行加扰、调制和交织等操作。
ＰＤＣＣＨ占用的资源以ＣＣＥ为单位，基站可以选
择使用１、２、４、８等不同的聚合度等级。ＰＤＣＣＨ信
道能够占用的资源决定小区能够支持的同时调度的用户
电信工程技术与标准化
。。蛐耐＿＿■誓誓——＿＿＿＿＿＿Ｉ
数。下面，我们将仔细分析一个ＴＤ－ＬＴＥ小区可以支宽，上下行子帧配置，ＣＰ类型有关。假设在常规ＣＰ
条件下，系统带宽为２０ＭＨｚ，ＴＤＤ子帧配置采用格式
持的用户数与各参数的关系。
２，那么在不同Ⅳｇ配置时，可以支持的ＰＨＩＣＨ信道组
３下行控制信道容量分析
３．１
数与ＰＨＩＣＨ信道数如表２所示。
ＴＤ－ＬＴＥ系统容量特点
在ＬＴＥ系统中，多用户从时域、频域、空域和码
｛百厂———～孚帧旃
表１
配置
０ｌ２３４
————
ＴＤ－ＬＴＥ系统中ＰＨＩＣＨ组数目
Ｏ
————Ｌ——
ｌ２
——
３４
ＪＬ
５２Ｏ
一
６ｌ
ｌ
７
——
８
——
９
————
域等多个维度共享系统资源，因此系统容量的评估指标
也需要更加多维化，不仅要有可以支持小区用户数指标，
２
０
ｌｌＯ
Ｏ
——
ｌ
ｌ
０
ｌ
——
０ｌ００ｌ
Ｏ０
Ｏ００
Ｊ——
ｌ
０
Ｏ
１
也要有小区吞吐量（平均，峰值）等指标。而且对于小区用户数也需要区分同时调度用户数以及同时在线用户
数。
１１ｌ
０Ｏ１
——
——
００
Ｏ
０
０
Ｏ
ｌ
０
５Ｏ０
对于本文要研究的ＰＨＩＣＨ信道与ＰＤＣＣＨ信道，其信道容量的大小也会影响到ＴＤ－ＬＴＥ系统小区容量的指标。例如，ＰＨＩＣＨ信道数配置的不足会影响上行
数据的传输，从而降低小区吞吐量；ＰＤＣＣＨ信道资源
６１１ｌ
表２Ⅳｇ
１／６
ＴＤ－ＬＴＥ系统中ＰＨＩＣＨ信道容量（带宽２０ＭＨｚ。
子帧配置２，常规ｃＰ）ＰＨＩＣＨ组数
３７１３２５
ＰＨＩＣＨ信道数
２４５６１０４２００
配置的不足会影响到同时调度的用户数指标等等。
３．２
Ｉ／２
ｌ２
ＰＨＩＣＨ信道容量分析
ＰＨＩＣＨ信道用于承载为上行数据传输所反馈的下
行ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信息。因此本文定义ＴＤ－ＬＴＥ系统中
能够获得ＰＨＩＣＨ信道数来表征ＰＨＩＣＨ信道容量。
由公式（１）与表２我们可以看到，在一定系统带宽条件下，ＴＤ－ＬＴＥ系统可以提供的ＰＨＩＣＨ信道数与上
在ＬＴＥＦＤＤ系统中，所有子帧中的ＰＨＩＣＨ组数
目相同，由高层通过ＰＢＣＨ信道进行广播，在常规ＣＰ
下行配比与札的取值有关。
当需要进行上行传输的用户数以及数据包较多时，
条件下ＰＨＩＣＨ组数是总ＲＢ个数的１／４８、１／１６、１／８以及１／４；在扩展ＣＰ条件下ＰＨＩＣＨ组数是总ＲＢ个数的１／２４、１／８、１／４、１／２。但在ＴＤ－ＬＴＥ系统中，不同子帧中ＰＨＩＣＨ组数目不同，前述４种配置分别乘以０，１，２即为各子帧中的ＰＨＩＣＨ组数。具体各子帧
的ＰＨＩＣＨ组数目与上下行配比有关。如表１所示。
所以ＴＤ－ＬＴＥ系统中各个子帧的ＰＨＩＣＨ组数为：
可以选择配置较高的札取值。
但在Ｒ８系统设计中，ＰＨＩＣＨ资源的预留是比较
充裕的。
．
在实际进行网络参数配置时需要结合考虑ＰＤＣＣＨ
信道数的支持情况。
３．３
ＰＤＣＣＨ信道容量分析
类似地，首先定义ＴＤ－ＬＴＥ小区中能够支持的
嘲＝｛￡嚣‰＝
１／２，ｌ和２。脚，的取值见表ｌ。
㈩
ＰＤＣＣＨ信道数为表征ＰＤＣＣＨ信道容量。
ＰＤＣＣＨ信道放置在一个子帧的前ｎ（Ｎ≤３）
其中帆由ＰＢＣＨ进行广播，可以配置为１／６，
因此ＴＤ－ＬＴＥ系统中ＰＨＩＣＨ信道容量与系统带
ＯＦＤＭ符号，与下行数据采用ＴＤＭ的复用方式，数据最早可以在ＰＤＣＣＨ的最后一个ＯＦＤＭ符号开始。在ＴＤ－ＬＴＥ系统中定义了相对较大的ＣＣＥ，即９个
ＲＥＧ，来为ＰＤＣＣＨ信道进行资源分配。一个子帧内不３给出在系统带宽为２０ＭＨｚ，常规ＣＰ条件下，控制区同用户的ＣＣＥ是通过ＦＤＭ方式进行复用。这样不同域符号数分别为ｌ、２、３，ＴＤＤ子帧配置为格式１时，ＰＤＣＣＨ之间能够实现功率平衡，即通过ｅＮｏｄｅＢ控制
非子帧０和子帧５条件下ＰＤＣＣＨ信道可用ＣＣＥ数目。
可以将链路质量较好的ＵＥ的ＰＤＣＣＨ发射功率节省下
表３系统带宽２０ＭＨｚ．ＰＤＣＣＨ信道可用ＣＣＥ数目
来以分配给链路质量较差的ＵＥ。
天线端口Ｉ改２
天≥皂端口Ｉ＆４
——
ＰＤＣＣＨ信道影响的是同时调度用户数，因此在一舂．
天￡毙端口；数１
ｋ＝ｌｋ＝２ｋ＝３ｋ＝１ｋ＝２ｋ＝３ｋ＝１ｋ＝２ｋ＝３定配置条件下ＰＤＣＣＨ信道容量定义为可以同时调度的
ｌ／６
２６５９９３
２０
５４８７２０４１７４——ｆ
——
Ｈ＿
用户数。ＰＤＣＣＨ信道容量受限于ＰＤＣＣＨ可用ＣＣＥ
ｌ／２２５５８９ｌ１９
５２８６１９
３８
７２
—‘——Ｊ
—
ｌ
２３５６８９１７５０８４１７３４６８资源以及ＰＤＣＣＨ聚合度。
２１９
５２
８５
１３
４６
８０
１３
２６
６０
因此计算在控制区域内除去ＰＣＦＩＣＨ信道以及ＰＨＩＣＨ信道所占的无线资源后，剩下的资源为最大的
因此，可以得到在Ⅳｇ取值为１／６，ＰＤＣＣＨ不同承载ＰＤＣＣＨ信道的资源。因此在每个子帧分配ｋ个
聚合度下，在非子帧０和５条件下可以同时调度用户数
ＯＦＤＭ符号给控制区域时，一个ＴＴＩ内能够支持的最
最大为表４所示。
大调度用户数可以表示为：
表４
ＰＤＣＣＨ信道容量
Ｍ＝［（Ｎ啪ＤＬｒＮ…ＶＣｎＣ。“Ｎ…ＰｒｉｌＣ…Ｈ、１９１Ｎ…ＰＤＣ。Ｈ］
（２）
＼
天线端口数１
天线端口数２
天线端口数４
ＰＤＣＮＣＮＮ，
ｋ＝ｌｋ＝２ｋ＝３ｋ＝１｛丘＝２ｋ＝３七＝ｌ血＝２丘＝３其中Ｐ晒，饿．。为下行控制区域内可用ＲＥＧ数，１２６５９９３
２０５４
８７｝２０４１｝７４Ｐ唧锘器尹为ＰＣＦＩＣＨ信道占用的ＰＥＧ数，尸ｃ盯诺￡器
２
１３
２９
４６
１０
２７４３１０２０３７为ＰＨＩＣＨ信道占用的ＲＥＧ数，Ｐ倒ｃ…ＰｔｔＩＣＨ为一个
４
６
１４
２３
５
１３２ｌ
５
‘１０
１８
Ｌ—‘１●——
‘——
８３７ｌｌ２６
ｌＯ
２５
９
ＰＤＣＣＨ占用ＣＣＥ个数。
ＰＣＦＩＣＨ信道占用的ＲＥＧ数是固定的，２ｂｉｔ的需要说明的是在实际网络中ＰＤＣＣＨ聚合度是自适应
ＣＦＩ信息经过１／１６编码为３２ｂｉｔ，进行小区级加扰和
变化的。因此，可以根据现网中平均ＰＤＣＣＨ占用ＣＣＥ
ＱＰＳＫ调制后变成１６个信息符号，映射到控制区域第
个数来进行网络所容许的最大同时调度用户数的估算。
一个ＯＦＤＭ符号的４个ＲＥＧ上。
由于ＰＤＣＣＨ信道承载调度相关信息，因此
一个ＰＨＩＣＨ组占用的资源长度在ＰＢＣＨ信道中
ＰＤＣＣＨ信道数只会限制同一ＴＴＩ调度的用户数，但不
进行广播。一般来讲，经过扩频后的一个ＰＨＩＣＨ组信会限制同时在线用户数。但是当小区接入用户中如果绝
息符号经过小区级序列进行加扰、层映射及预编码之大部分用户速率都比较低，那么会限制小区峰值速率；后，映射到控制区域上第一个ＯＦＤＭ符号上，占用３
另外ＰＤＣＣＨ配置的０ＦＤＭ符号数目越多，相应的
个ＲＥＧ。
ＰＤＳＣＨ信道可用的ＯＦＤＭ符号数就会越少，小区峰值
因此，在常规ＣＰ条件下，结合公式（Ｉ），ＰＤＣＣＨ速率和平均速率就会越低，频谱效率下降。
信道容量公式可以变为：
Ｍ＝｛（啦．。－４—３×Ｉｍ×Ⅳｇ×Ⅳ嚣／８Ｉ）／９／ＮＰｃｃＤ：佣ｌ（２）
４结论
由于在不同的天线端口数条件下参考信号ＲＳ的数
目有所变化，因此可用ＲＥＧ数Ｐ凹，ｄＤＥＧ，Ｌ。不仅与控制
经过前面对于ＰＨＩＣＨ以及ＰＤＣＣＨ信道容量特点区域符号数ｋ有关，还与天线端口的配置情况有关。表
的分析，我们可以得到如下几点结论：
（１）ＰＨＩＣＨ信道容量计算方法如公式（１）所示。与
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系统带宽和上下行子帧配比密切相关，与参数Ⅳｇ取值
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能够支持的上行数据传输也越多。
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ＤＯＮＧｄｉａｎｇ－ｂｏ，ＬＩＮａｎ，ＧＡＯＰｅｎｇ
（ＣｈｉｎａＭｏｂｉｌｅ
ＧｒｏｕｐＤｅｓｉｇｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｃｈａｎｎｅｌｃａｐａｃｉｔｙｏｆｄｏｗｎｌｉｎｋｃｏｎｔｒｏｌｃｈａｎｎｅｌｓ，ｓｕｃｈａｓ，ＰＨＩＣＨａｎｄＰＤＣＣＨ，ｉｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｗｈｉｃｈｃａｎ
ａｆｆｅｃｔｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙ
ａｒｅ
ａｎａｌｙｓｉｚｅｄｄｅｅｐｌｙ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｓ
ｏｆｃｈａｎｎｅｌｃａｐａｃｉｔｙ
ａｒｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｆｏｒｔｈｅｒｅａｌｎｅｔｗｏｒｋｐｌａｎａｎｄｒｅａｌｎｅｔｗｏｒｋ
ｐａｒａｍｅｔｅｒａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ＰＨＩＣＨ；ＰＤＣＣＨ；ｃｈａｎｎｅｌｃａｐａｃｉｔｙ；ｎｕｍｂｅｒｏｆｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ
ｕｓｅｒｓ
ＴＤ—ＬＴＥ
６城市规模试验网基本建成第一阶段测试进展顺利
由中国移动承担的国家重大专项重点项目“ＴＤ－ＬＴＥ规模技术试验”取得重要进展，上海、杭州、南京、广州、深圳、
厦１＂３６城市核心网和无线网已基本建成，拟建基站规模超过１ｏｏｏ个，大部分基站设备已安装并开通。同时，第一阶段（即针对单模终端）测试工作进展顺利，６月已完成核心网、传输、承载和安全方面的测试，并开始无线网络性能测试，９月底有望
完成工业和信息化部确定的第一阶段试验目标。
在国家有关部委的带领下，ＴＤ－ＬＴＥ已经初步形成由中国企业主导、全球主流企业广泛参与，包括系统、终端、芯片、
测试仪表企业等在内的完整产业链。目前，已有２４家国际运营商加人“ＴＤ－ＬＴＥ全球发展倡议”，５家运营商启动商用网络
建设，１０家国际运营商明确商用计划，３２家国际运营商建立了试验网。在我国，工业和信息化部于２０１０年１２月批复同意ＴＤ－
ＬＴＥ规模试验总体方案，由中国移动承担上海、杭州、南京、广州、深圳、厦１＂３６城市ＴＤ—ＬＴＥ规模技术试验网和北京演示
网建设。几个月来，中国移动会同入选的系统设备和芯片企业，抓紧开展规模技术试验的网络建设、设备安装调测和网络优
化，各项工作进展顺利。
ＴＤ—ＬＴＥ应用研发进展也非常迅速，新系统可支持高清视频播放、高清视频监控、高速无线上网、高清视频会议等业・务，涵盖娱乐、办公和媒体应用等各个领域。２０１０年，中国移动建设的ＴＤ－ＬＴＥ演示网相继在上海世博会、广州亚运会上亮
相，基于ＴＤ－ＬＴＥ的移动高清会议、即摄即传等业务广受关注。２０１１年８月的大运会上，基于ＴＤ－ＬＴＥ网络的即摄即传系统和移动媒体采访车运用于大运会电视直播。
（本刊讯）