ダウンリンク制御の処理と手順

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この例では、5G New Radio 通信システムでの物理ダウンリンク制御チャネル (PDCCH) のブラインドサーチ復号化について説明します。チュートリアルDownlink Control Information のモデル化に基づいて、この例では、control resource set (CORESET) とサーチスペースの概念、その一般的な仕様を紹介し、PDCCH インスタンスがサーチスペース内の複数の候補の 1 つにマッピングされる仕組みについて説明します。送信された制御情報を受信機で復元するために、この例では候補のセットに対してブラインドサーチを実行します。

システムパラメーター

キャリア、CORESET、サーチスペースセット、PDCCH インスタンスにそれぞれ対応するシステムパラメーターを設定します。

rng(111);                               % Set RNG state for repeatability

% Carrier configuration
carrier = nrCarrierConfig;
carrier.NCellID = 2;                    % Cell identity
carrier.SubcarrierSpacing = 30;         % Carrier/BWP Subcarrier spacing
carrier.CyclicPrefix = 'normal';        % Cyclic prefix
carrier.NSlot      = 0;                 % Slot counter
carrier.NFrame     = 0;                 % Frame counter
carrier.NStartGrid = 10;                % Carrier offset
carrier.NSizeGrid  = 48;                % Size of carrier in RB

% CORESET configuration
coreset = nrCORESETConfig;
coreset.CORESETID = 1;                  % CORESET ID (0...11)
coreset.FrequencyResources = ones(1,4); % 6 RB sized
coreset.Duration = 1;                   % CORESET symbol duration (1,2,3)
coreset.CCEREGMapping = 'interleaved';  % CORESET Mapping
coreset.REGBundleSize = 2;              % L (2,6) or (3,6)
coreset.InterleaverSize = 2;            % R (2,3,6)
coreset.ShiftIndex = carrier.NCellID;   % default to NCellID

% Search space configuration
ss = nrSearchSpaceConfig;
ss.CORESETID = 1;                       % Associated CORESET ID (0...11)
ss.SearchSpaceType = 'ue';              % 'ue', 'common'
ss.StartSymbolWithinSlot = 0;           % Starting symbol in slot
ss.SlotPeriodAndOffset = [1 0];         % Search space period and offset
ss.Duration = 1;                        % Search space duration in slots
ss.NumCandidates = [4 2 1 0 0];         % For (1,2,4,8,16) levels respectively

% PDCCH configuration
pdcch = nrPDCCHConfig;
pdcch.NStartBWP  = 10;                  % BWP offset wrt CRB 0
pdcch.NSizeBWP   = 48;                  % Size of BWP in resource blocks
pdcch.CORESET = coreset;                % Associated CORESET
pdcch.SearchSpace = ss;                 % Associated SearchSpace
pdcch.RNTI = 1;                         % C-RNTI
pdcch.DMRSScramblingID = [];            % Use carrier.NCellID instead
pdcch.AggregationLevel = 4;             % Number of CCEs in PDCCH (1,2,4,8,16)
pdcch.AllocatedCandidate = 1;           % 1-based scalar

この例では、単一の PDCCH 送信と単一の bandwidth part を関連する CORESET とサーチスペースセットに対して使用する単一のスロット処理を想定しています。

複数の物理チャネルを使用した波形生成の詳細については、5G NR ダウンリンクベクトル波形の生成の例を参照してください。

PDCCH ビット容量

PDCCH インスタンスのビット容量は、PDCCH に対して構成された制御チャネル要素 (CCE) の数に基づいて決まります。CCE は、6 つのリソースエレメントグループ (REG) で構成され、REG は 1 つの OFDM シンボル内の 1 つのリソースブロック (RB) に相当します。

% Number of bits for PDCCH resources and actual indices
[ind,dmrs,dmrsInd] = nrPDCCHResources(carrier,pdcch);
E = 2*numel(ind);

DCI の符号化

関数nrDCIEncodeは、ダウンリンクフォーマットに基づく DCI メッセージビットを符号化します。DCI 符号化には、CRC の付加、Polar 符号化、PDCCH ビット容量 E に対するコードワードのレートマッチングの各段階が含まれます。

K = 64;                             % Number of DCI message bits
dciBits = randi([0 1],K,1,'int8');

dciCW = nrDCIEncode(dciBits,pdcch.RNTI,E);

PDCCH シンボルの生成とマッピング

関数nrPDCCHは、符号化された DCI ビットを物理ダウンリンク制御チャネル (PDCCH) にマッピングします。この関数は、スクランブルされた QPSK 変調シンボルを返します。スクランブルでは、ユーザー固有のパラメーターが使用されます。

if isempty(pdcch.DMRSScramblingID)
    nID = carrier.NCellID;
else
    nID = pdcch.DMRSScramblingID;
end
sym = nrPDCCH(dciCW,nID,pdcch.RNTI);

PDCCH シンボルは、OFDM グリッド内の割り当てられた候補に対応するリソースエレメントにマッピングされます。リソースグリッドにはまた、PDSCH シンボル、PBCH シンボル、その他の基準信号要素が含まれます。簡略化するために、この例では、グリッドに対する PDCCH DM-RS シンボルの追加のマッピングのみを行います。

carrierGrid = nrResourceGrid(carrier);
carrierGrid(ind) = sym;                 % PDCCH symbols
carrierGrid(dmrsInd) = dmrs;            % PDCCH DM-RS

次の図は、bandwidth part 全体にまたがるリソースグリッドの 1 つのスロットについて、選択した構成例の CORESET、サーチスペースセット、PDCCH インスタンスパラメーターのいくつかを示したものです。

OFDM 変調

キャリアグリッドを OFDM 変調します。スロットベースの処理にウィンドウ非処理を指定します。

[wave,winfo] = nrOFDMModulate(carrier,carrierGrid,'Windowing',0);

フェージングチャネル

生成した波形を、遅延プロファイル A と遅延スプレッド 30 ns の TDL フェージングチャネルで送信します。

channel = nrTDLChannel;
channel.DelayProfile = 'TDL-A';
channel.DelaySpread = 30e-9;
channel.NumTransmitAntennas = 1;
channel.NumReceiveAntennas = 1;
channel.SampleRate = winfo.SampleRate;

chInfo = info(channel);
maxChDelay = chInfo.MaximumChannelDelay;
txWave = [wave; zeros(maxChDelay, size(wave,2))];

rxWave = channel(txWave);

ノイズの付加

符号化率、QPSK 変調、サンプルレートをもとにレベルを指定したホワイトガウスノイズを受信信号に付加します。

EbNo = 6;                            % in dB
bps = 2;                             % bits per symbol, 2 for QPSK
EsNo = EbNo + 10*log10(bps);
snrdB = EsNo + 10*log10(K/E);
noiseVar = 10.^(-snrdB/10);          % assumes unit signal power
N0 = sqrt(noiseVar)/sqrt(2*winfo.Nfft);
noise = N0 * complex(randn(size(rxWave)),randn(size(rxWave)));
rxWaveN = rxWave + noise;

PDCCH と DCI のブラインド復号化

UE には、詳細な制御チャネル構造に関する情報がありません。そのため、UE は UE の RNTI を使用して各スロットの PDCCH 候補のセットを監視し、適切な候補 (またはインスタンス) を識別することで、受信した PDCCH シンボルをブラインドで復号化します。

候補の監視は、返されたチェックサムが既知の RNTI (UE) に対してゼロであるかを確認することで、候補に対応するリソースエレメントのセットの復号化を試みることを意味します。関数nrPDCCHSpaceを使用して、PDCCH リソースエレメントインデックス、および対応する DM-RS のシンボルとインデックスに関して、サーチスペースセットで指定されたすべての候補を判定します。

各候補について、フロントエンドの復元に次を含めます。

関数nrTimingEstimateを使用した DM-RS シンボルに基づくタイミングオフセットの推定、
関数nrOFDMDemodulateを使用した OFDM 復調、
関数nrChannelEstimateを使用した DM-RS シンボルに基づくチャネル推定、および
関数nrEqualizeMMSEを使用した MMSE イコライズ

これらによって、イコライズされた PDCCH シンボルの候補を取得します。

関数nrPDCCHDecodeを使用し、候補ごとにイコライズしたシンボルを既知のユーザー固有のパラメーターとチャネルノイズ分散で復調します。

受信した PDCCH コードワードのインスタンスに対し、関数nrDCIDecodeは、レートリカバリ、Polar 複合化、CRC 複合化の段階を含めます。出力マスク値が 0 の場合、PDCCH は正常に複合化されており、UE が DCI メッセージを処理できます。

この例では、DCI フォーマットと DCI ペイロードサイズ K が受信側にとって既知であることを前提にしています。実際にはそれらについても、サポートされているすべてのフォーマットと各フォーマットのビット長を外部ループで検索することになります。

listLen = 8;                         % polar decoding list length

% Get all possible candidates
[allInd,allDMRS,allDMRSInd] = nrPDCCHSpace(carrier,pdcch);

% Loop over all supported aggregation levels
decoded = false;
for alIdx = 1:5

    % Loop over all candidates at each aggregation level
    for cIdx = 1:pdcch.SearchSpace.NumCandidates(alIdx)

        % Get candidate
        cSymIdx = allInd{alIdx}(:,cIdx);
        cDMRS = allDMRS{alIdx}(:,cIdx);
        cDMRSInd = allDMRSInd{alIdx}(:,cIdx);

        % Timing estimate
        offset = nrTimingEstimate(carrier,rxWaveN,cDMRSInd,cDMRS);
        if offset > maxChDelay
            offset = 0;
        end
        rxWaveS = rxWaveN(1+offset:end,:);

        % OFDM demodulate the carrier
        rxCarrGrid = nrOFDMDemodulate(carrier,rxWaveS);

        % Channel estimate
        [hest,nVar] = nrChannelEstimate(carrier,rxCarrGrid,cDMRSInd,cDMRS);
        [rxSym,pdcchHest] = nrExtractResources(cSymIdx,rxCarrGrid,hest);

        % Equalization
        [pdcchEq,csi] = nrEqualizeMMSE(rxSym,pdcchHest,nVar);

        % Demodulate
        rxCW = nrPDCCHDecode(pdcchEq,nID,pdcch.RNTI,nVar);

        % Apply CSI
        csiRep = repmat(csi.',2,1);
        scalRxCW = rxCW.*csiRep(:);

        % Decode
        [decDCIBits,errFlag] = nrDCIDecode(scalRxCW,K,listLen,pdcch.RNTI);

        if isequal(errFlag,0)
            disp(['Decoded candidate #' num2str(cIdx)  ...
                ' at aggregation level ' num2str(2^(alIdx-1)) ...
                ' in slot'])
            decoded = true;
            if isequal(decDCIBits,dciBits)
                disp('   Recovered DCI bits with no errors');
            else
                disp('   Recovered DCI bits with errors');
            end
            break;
        end
    end
    % Dont loop over other aggregation levels if RNTI matched
    if decoded
        break;
    end
end

Decoded candidate #1 at aggregation level 4 in slot
   Recovered DCI bits with no errors

選択されたシステムパラメーターについて、復号化された情報は送信された情報ビットと一致しています。

この例では、ss 構成パラメーターで指定された単一のサーチスペースセット内のすべての候補を検索しました。複数のサーチスペースセットに対する検索では、定義されたすべてのセットに対して別の外部ループ処理が必要になります。

参考文献

3GPP TS 38.211. "NR; Physical channels and modulation" 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.
3GPP TS 38.212. "NR; Multiplexing and channel coding" 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.
3GPP TS 38.213. "NR; Physical layer procedures for control" 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.