关于TD_LTE网络物理层峰值吞吐率的分析

1、关于TD-LTE网络物理层峰值吞吐率的分析瞿水华，李铁峰，章莹，林坚立，郑石（中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司，深圳 518048）摘 要 本文主要着重探讨了TD-LTE网络小区和和终端物理层理论上的峰值吞吐率，分析了上下行不同时隙配比下是否与TD-SCDMA共存系统等不同情况的区别，最后给出相应的理论物理层峰值吞吐率，可供TD-LTE网 络规划参考。关键词 TD-LTE；吞吐率；时隙配比；特殊子帧中图分类号 TN929.5文献标识码 A文章编号 1008-5599（2012）10-0037-05随 着 中 国 移 动 TD-LTE 网 络 建 设 的 不 断 推 进， 宽带移动化将逐步

2、得到实现，用户将真正的体验到高速的 移动业务。IMT-Advanced 系 统 需 求 明 确 指 出 ：在 高 速 移 动 场景下，未来移动通信系统能够支持到 100Mbit/s，在 低速移动场景下，能够支持 1Gbit/s。LTE 是 3GPP 长 期 演 进 项 目， 兼 容 目 前 的 3G 系 统， 主 要 采 用 OFDM 和 MIMO 技 术 作 为 无 线 网 络 演 进 的 唯 一 标 准， 目 标 是 在 20MHz 频谱带宽下能够提供下行 100Mbit/s 和上行50Mbit/s 的峰值速率。 在网络规划和业务规划中，小区和终端各自的物理层峰值速率是很重要参考数值。在

3、TD-LTE 网络建设 中是否和 TD-SCDMA 共存系统也影响到两者的峰值速 率，因此有必要计算清楚各种情况下小区和终端的理论 物理层峰值速率。1时隙配比对特殊子帧的影响1.1TD-SCDMA 和 TD-LTE 共系统，TD-LTE 不同时隙配比下特殊子帧符号配比在 TD-LTE 扩 大 规 模 试 验 网 建 设 中， 其 中 F 频段 基 站 主 要 建 设 方 式 是 从 现 网 TD-SCDMA 基 站 升 级为 TD-LTE/TD-SCDMA 双 模 站，TD-LTE 和 TD- SCDMA 共 RRU，我们称之为共存系统。为避免干扰， 需要两系统时隙翻转上一致对齐，或者由于宽频

4、功放， 只能采用一种时隙翻转控制。目前 TD-SCDMA 现网上 下行时隙配比统一为 2:4，因此，TD-LTE 上下行时隙 配比只能是 1:3，如图 1 所示。为达到共存要求，上下行没有交叠（图中 T b>T a）， 则 TD-LTE 的 DwPTS 必 须 小 于 0.525ms（16128Ts)， 因 此， 特 殊 子 帧 只 能 采 用 3:9:2 或 者 3:10:1 的 符 号收稿日期 ：2012-09-10表1 特殊子帧上UE不同的传输能力图1 TD-LTE（1:3）和TD-SCDMA（2:4）共存配 置， 这 种 情 况 协 议 规 定 特 殊 子 帧 不 传 数 据，

5、容 量 损失 约 为 20%。 计 算 方 法 ：TS36.213 规 定， 特 殊 时 隙 DwPTS 如果用于传输数据，那么吞吐量按照正常下行 时隙的 0.75 倍传输。如果采用 10:2:2 配置，则下行容 量为 3 个正常时隙吞吐量 +0.75 倍正常时隙吞吐量。如 果丢失此 0.75 倍传输机会，系统侧则损失的吞吐量为0.75/3.75=20% 。如果 TD-SCDMA 上下行时隙配比为 3:3，共存情 况下，TD-LTE 上下行时隙配成 2 ：2，如图 2 所示。符号配成 10 ：2 ：2。2可传输数据业务有效符号资源计算2.1 时隙配比上下行 1:3，特殊子帧 3:9:22.1.

6、1 子帧 0 符号资源子帧 0 可用资源应该为 12×13×100（总的 RE）-12×100（CRS）-(12×3+8)×6（PBCH）- 12×6（SSS）=14064。第 1 部分总体资源 ：从时域维度看 1 个子帧包含 2 个时隙，1 个时隙包含 7 个符号 ；从频域看，20MHz 包 含 1200 个 子 载 波， 与 时 域 的 符 号 构 成 二 维 资 源 图 案， 符 号 资 源 分 配 图 参 见 协 议 TS36.211，6.2.2 Resource elements。从 LTE 最 小 的 调 度 资 源 RB

7、 分 析，1 个 RB 内 包 含 12 个 子 载 波（SC），14 个 符 号（SY）， 其 中 1 个 符 号为 PDCCH 所占用，则 1 个 RB 内可用的资源（RE） 为 12×13。1 个 子 帧 内 包 含 100 个 RB， 则 总 资 源 为12×13×100。第 2 部分是 CRS 所占符号资源 ：LTE 系统中引入 了 导 频 符 号（cell-specific reference signal），CRS 图 案 参 见 TS36.211，10.1.2 Mapping to resource elements。 对 于 2×2 M

8、IMO 方 案 的 2port 场 景，1 个 RB 内包含 16 个 CRS RE，不传数据。但这 16 个 CRS RE 应该扣除 PDCCH 中已有的 4 个 CRS RE。第 3 部分是 PBCH 所占符号资源：根据 36.211 6.6 的规定，PBCH（广播信道）承载于子帧 0 的时隙 1 的图2 TD-LTE（2:2）和TD-SCDMA（3:3）共存为达到共存要求，上下行没有交叠（图中 T b>T a）。则 TD-LTE 的 DwPTS 必 须 小 于 0.85ms（26112Ts)， 可以采用 10:2:2 的配置，这种情况下特殊子帧可以传 数 据， 协 议 规 定 CA

9、T3 和 CAT4 在 特 殊 子 帧 的 传 输 能 力可参见协议 ：如表 1 所示。1.2 TD-SCDMA 和 TD-LTE 不共系统，TD-LTE 不同时 隙配比下特殊子帧符号配比在 不 共 存 情 况 下，TD-LTE 任 何 时 隙 配 比 的 特 殊 子帧符号可随意配置，为提高下行带宽，推荐特殊子帧特殊子帧等级 3RB 数量75分配 TB SizeMCS2746888MCS2855056101944等级 4RB 数量75分配 TB SizeMCS2855056MCS2855056110112符号 0 3，每个符号 6 个 RB（72 个子载波），其中符号 0 需要扣除 12 个

10、CRS 占用的 RE。第 4 部分是 SSS 所占符号资源：根据 36.211 6.11.2 的规定，SSS（辅同步信号）承载于时隙 1 符号 6 的 72 个 RE，需要扣除。2.1.2 其它子帧符号资源计算子 帧 3 可 以 资 源 ：12×13×100（ 总 的 RE）-12×100（CRS）=14400。子 帧 4 可 以 资 源 ：12×13×100（ 总 的 RE）-12×100（CRS）=14400。子帧 5 无 PBCH，可用资源比子帧 0 多。2.1.3 计算峰值速率的原则吞吐率计算总原则，根据 UE 能力限制与信道

11、配置 限制、信道码率限制三者的最小值得出最终的吞吐率。2.1.4 信道码率限制按 照 承 载 的 64QAM 比 特 计 算， 子 帧 0 ：14064×6=84384 ；子 帧 1 ：9928×6=59568; 子 帧 3 ：14400×6=86400 ；子帧 4 ：14400×6=86400。 协 议 要 求 有 效 信 道 码 率（ 定 义 为 含 CRC 的 下 行信 息 比 特 数 / 物 理 信 道 承 载 能 力 ） 小 于 等 于 0.93， 见36.213 7.1.7。计算信道码率 ：除 PDCCH，还有 9 个符号可用。子 帧 1 可

12、 用 资 源 ：12×9×100（ 总 的 RE）-8×100（CRS）-12×6（PSS）=9928。子 帧 4 可 以 资 源 ：12×13×100（ 总 的 RE）-12×100（CRS）=14400。子帧 5 与子帧 0 对称，但无 PBCH，可用资源稍多。 子帧 1 与子帧 6 对称，可用资源相同。子帧 4 与子帧 9 对称，可用资源相同。2.2.2 信道码率限制承载的 64QAM 比特 ： 子帧 0 ：14064×6=84384; 子帧 1 ：9928×6=59568; 子帧 4 ：14400

13、×6=86400。协 议 要 求 有 效 信 道 码 率（ 定 义 为 含 CRC 的 下 行 信 息 比 特 数 / 物 理 信 道 承 载 能 力 ） 小 于 等 于 0.93， 见36.213 7.1.7。计算信道码率 ： 计算信道码率 ：75376+24子 帧 0 ：(75376+24+×24)/84384=6144-240.897，小于 0. 93 门限（子帧 5 比子帧 0 可用资源多，当然也满足条件）;75376+24子 帧 1 ：(55056+24+×24)/59568=6144-2475376+24子 帧 0 ：(75376+24+×2

14、4)/84384=0.9283， 小 于 0.93 门 限 ( 按 照 75RB 查 表，36.2137.1.7);6144-240.8972，小于 0.93 门限，子帧 5 可用资源多，同样也满足；75376+2475376+24子 帧 3 ：(75376+24+0.8763，小于 0.93 门限 ； 子 帧 4 ：(75376+24+0.8763，小于 0.93 门限。×24)/86400=子 帧 4 ：(75376+24+×24)/86400=6144-2475376+246144-240.8763， 小 于 0.93 门 限（ 若 大 于 0.93， 则 需 要 降

15、 低MCS 直到等效码率小于 0.93）子帧。×24)/86400=6144-243小区吞峰值吐率计算若大于 0.93，则需要降低 MCS 直到等效码率小于0.93，6144 为码块大小，详见 36.212 5.1.2。2.2 时隙配比上下行 2:2，特殊子帧 10:2:22.2.1 符号资源子 帧 0 可 用 资 源 ：12×13×100（ 总 的 RE）-12×100（CRS）-(12×3+8)×6（PBCH）- 12×6（SSS）=14064。特 殊 子 帧 采 用 10:2:2 配 比，DwPts 可 以 传 数，

16、扣理论上讲，计算小区峰值吞吐率不需要考虑信道码率，认为除去必要的开销外，系统能调度其余所有的符 号传数据，因此 ：3.1 共存系统时隙配比 3 ：1小 区 峰 值 吞 吐 率 =(84384+86400+86400)×2×2/10/1000（10ms） 102.9Mbit/s。3.2 独立系统时隙配比 3 ：1小 区 峰 值 吞 吐 率 （84384+59568+86400+86400）×2×2/10/1000（10ms）=126.7Mbit/s。3.3 时隙配比 2 ：2（如 D 频段独立系统）小 区 峰 值 吞 吐 率 （84384+59568+86

17、400)×2×2/10/1000（10ms）=92.1Mbit/s。82.3Mbit/s。4.2 根据 UE 能力限制与信道配置限制、信道码率限制， CAT3 得到峰值吞吐率计算4.2.1 共存系统上下行时隙配比 1 ：3( 5 1 0 2 4 + 5 1 0 2 4 + 5 1 0 2 4 ) × 2 × 2 / 1 0 / 1 0 0 0 =61.2Mbit/s。4.2.2 独立系统上下行时隙配比 1 ：3由 于 特 殊 子 帧 可 配 成 10:2:2， 协 议 规 定 在 75RB 中 选 取 两 个 TB Size 使 之 最 接 近 Cat3

18、 的 限 制 (102048), 为 MCS28(55056) + MCS27(46888)， 可 参 看 TS36.213，Table 7.1.7.2.1-1， 值 得 说 明 的 是 如 果 两 个 PORT 都 采 用 MCS28 (55056) 就 超 过 了 CAT3 UE 的 能 力， 因 此 这 种 情 况 下 CAT3 的 峰 值 吞 吐率如下 ：(51024+51024+51024)×2×2+(55056+46888)×2)/10/1000=81.6Mbit/s。4.2.3 上下行时隙隙配比 2 ：2 同上，特殊时隙可传数据， (51024+51

19、024)×2×2+(55056+46888)×2)/10/1000=61.2Mbit/s。4.3 终端上行峰值速率是否共存系统不影响终端上行峰值速率，CAT3 和 CAT4 上下能力相同，而且上行终端无 MIMO，可以简 单的按照表 3 来计算。4.3.1 CAT3 和 CAT4、上下时隙配比 1 ：351024×2/10/1000=10.2Mbit/s。4.3.2 CAT3 和 CAT4、上下时隙配比 2 ：2(51024+51024)×2/10/1000=20.4Mbit/s。4UE 峰值吞吐率计算协 议 TS 36.306 4.1 规 定

20、 了 等 级 1、2、3、4、5种级别的终端，每种终端的下行处理能力如表 2 所示。表2 不同终端的下行业务传输能力从 表 2 看，CAT3 和 CAT4 在 2×2 天 线 配 置 下，UE 单层支持的最大处理能力分别为 51024 和 75376。 假 设 CFI =1（ 一 般 子 帧 和 特 殊 子 帧 都 是 1 个 控 制信 道 符 号 PDCCH）， 其 它 信 道 类 型 采 用 协 议 要 求， 见36.211 6.6、6.10、6.11。并假设下行每个子帧都可以 调度到 100RB。4.1 根据 UE 能力限制与信道配置限制、信道码率限制， CAT4 得到峰值吞吐

21、率计算4.1.1 共存系统上下行时隙配比 1 ：3( 7 5 3 7 6 + 7 5 3 7 6 + 7 5 3 7 6 ) × 2 × 2 / 1 0 / 1 0 0 0 =90.4Mbits。4.1.2 独立系统上下时隙配比 1 ：3(75376+75376+75376+55056)×2×2/10/1000=112.5Mbit/s。4.1.3 上下行时隙配比 2 ：2（包括共存和非共存）( 7 5 3 7 6 + 7 5 3 7 6 + 5 5 0 5 6 ) × 2 × 2 / 1 0 / 1 0 0 0 =表3 不同终端的上行

22、业务传输能力UE 等级一个 TTI 上行最大处 理能力是否支持 64QAM等级 15160No等级 225456No等级 351024No等级 451024No等级 575376YesMIMOSIMOUE 等级一个 TTI 下行 最大处理能力一个 TTI 下行 最大处理能力下行最大 支持的层等级 110296102961等级 251024510242等级 3102048753762等级 4150752753762等级 529955214977645结论表4 速率汇总小区峰值速率（Mbit/s）通过计算，在 1 ：3 配置情况下，小区 下 行 峰 值 速 率 最 高 达 到 1 2 6 M b

23、i t / s , 而 CAT3 的 终 端 下 行 峰 值 速 率 达 到81Mbit/s，CAT4 的 终 端 峰 值 速 率 能 达 到 112Mbit/s。但在 1 ：3 配置时，终端 上行峰值速率也只有 10Mbit/s，这情况 可 能 会 影 响 到 高 清 业 务 需 求。 具 体 中 情 况峰值速率汇总如表 4 所示。手机下行峰值速率率（Mbit/s）手机上行峰值速率（Mbit/s）大致相符。CAT4 类终端目前尚不成熟，对测试结果尚不能下结论。实测情况分析 ：在目前 D 频段（2 ：2 配置）网上，室外大站好点 CAT3 终端实测下行速率达到 57Mbit/s， 室 内 覆

24、盖 小 区 好 点（ 信 噪 比 大 于 23dB） 实 测 达 到59Mbit/s， 两 个 CAT3 终 端 同 步 下 载， 每 个 终 端 速 率 在 40Mbit/s 左右，小区吞吐率达到 80Mbit/s ；F 频段 网络 3 ：1 在室外极好点（信噪比大于 25dB 以上）能测 到 下 行 速 率 达 61Mbit/s， 总 体 上 实 测 情 况 与 理 论 分 析参考文献1 3GPP TS 36.211 V9.1.0 Physical Channels and ModulationS. 2 3GPP TS 36.211 V9.4.0 Multiplexing and Channel CodingS. 3 3GPP TS 36.211 V9.4.0 Physical Layer ProceduresS.4 3GPP TS 36.306 V9.6.0 User EquipmentCapabilitiesS.(UE)RadioAccessOn analysis of physical-layer peak throughput in TD-LTE n