李婷

（福建工程學(xué)院 國脈信息學(xué)院， 福建 福州 350004）

TD-LTE物理層上下行理論峰值速率計算分析

李婷

（福建工程學(xué)院 國脈信息學(xué)院， 福建 福州 350004）

通過分析TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)，結(jié)合TD-LTE上下行鏈路的信道定義，分析了TD-LTE物理層上下行理論峰值速率的計算方法.計算得出不同子幀配比時的具體數(shù)值，進(jìn)而說明TDD比FDD在速率調(diào)整上更具靈活性和優(yōu)勢.

TD-LTE；理論速率；幀結(jié)構(gòu)；開銷

1 引言

隨著工信部4G牌照的發(fā)放，中國大陸也進(jìn)入了全面鋪開4G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程，TD-LTE的應(yīng)用熱潮將隨之而至.關(guān)于TD-LTE的相關(guān)技術(shù)必然被越來越多的業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注和提及.在眾多的討論聲中，不論專業(yè)人士還是普通用戶最多提及的一個技術(shù)詞匯就是TD-LTE能夠達(dá)到的最大速率，即峰值速率.

實際應(yīng)用中由于系統(tǒng)配置不同、無線環(huán)境變化、使用終端型號等因素影響，峰值速率是會變化的值，只能給出下行100Mbps以上，上行 50Mbps以上的大致范圍而無法給出一個確定數(shù)據(jù).但理論上，針對不同的系統(tǒng)配置，在不考慮無線環(huán)境的不良影響時，TD-LTE的物理層上下行峰值速率是可以計算的，即為定值.

2 TD-LTE 無線幀結(jié)構(gòu)

一個 10ms的 TDD無線幀由兩個 5ms的半幀構(gòu)成.每個半幀由8個常規(guī)時隙（長度相同，共4ms）和DwPTS、GP和UpPTS三個特殊時隙（長度可配置，總長度為1ms）構(gòu)成[1].TDD每個特殊子幀會作為下行到上行的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在[1]中7種分配策略里，子幀6是否含有特殊時隙對應(yīng)上下行子幀切換點(diǎn)周期為5ms或是10ms.

3 上下行鏈路開銷分析

普通子幀的下行鏈路開銷由下行共享信道（PDSCH）的控制信息、下行同步信號、下行參考信號（本文僅涉及到其中的 CRS）、物理廣播信道（PBCH）、物理控制格式指示信道（PCFICH）、物理HARQ指示信道（PHICH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理多播信道（PMCH）這些用于承載非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源在普通子幀上占用資源粒子（RE）資源粒子（RE）構(gòu)成的.

上行鏈路開銷則由物理隨機(jī)接入信道（PRACH）、物理上行共享信道（PUSCH）的控制信息以及物理上行控制信道（PUCCH）占用 RE構(gòu)成.[1]

因此，上下行鏈路開銷占用的 RE總數(shù)即為以上上下行非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)所占的RE數(shù)總和.

4 理論峰值計算分析

物理層吞吐量取決于MAC層調(diào)度選擇的傳輸塊大小（TBS），理論峰值吞吐率就是在一定條件下計算可以選擇的最大 TBS.TBS由資源塊（RB）數(shù)和調(diào)制編碼方式（MCS）的階數(shù)查表得到，具體計算思路如下：

（1）針對每個子幀計算可用的 RE數(shù)：可用 RE數(shù) =信道占用RE數(shù)－每個子幀里非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源占用的開銷；

（2）計算每個子幀 RE可攜帶的比特數(shù)：可攜帶比特數(shù)=可用 RE數(shù)×調(diào)制系數(shù)（在此選擇最大的調(diào)制階數(shù) 6，對應(yīng)的編碼方式為 64QAM）；

（3）依據(jù)可用的 RB數(shù)選擇滿足編碼效率（CR，由于 CFI限制，編碼效率最大為 0.93）的 TBS，由 CR=TBS/可攜帶比特數(shù)，得到 TBS=可攜帶比特數(shù)×CR，當(dāng) CR=0.93時 TBS取得最大值；

（4）根據(jù)時隙配比累加各個子幀的 TBS（若為雙碼字則將結(jié)果乘以 2），計算出最終吞吐率即為峰值速率.另外由于每個半幀有 5個子幀，每個子幀 1000bit得到峰值速率的計算公式為：

以 20MHz帶寬（此時物理資源最多為 100RB，每個 RB含 12個子載波），2×2MIMO，子幀配比 1（DL：UL=1:1），特殊子幀配比 7（10:2:2，符號數(shù)為 14），PDCCH和 PBCH各 1符號，編碼方式 64QAM為例進(jìn)行計算：

根據(jù)表1，下行子幀有：0、1、4、5、6、9.分別計算各子幀的 TBS：

子幀 0：可用 RE=（（（符號數(shù) -PDCCH-PBCH-同步信號）*每 RB子載波數(shù) -CRS）*6RB+（（符號數(shù) -PDCCH）*每RB子載波數(shù) -CRS）*剩余 RB數(shù)）*調(diào)制系數(shù) =（（（14-1-4-1）*12-8）*6+（（14-1）*12-12）*（100-6））*6=84384＞75376（100RB對應(yīng)的 TBS），因此 TBS選擇 75376（MCS28）.

子幀 1：可用 RE=（（（符號數(shù) -PDCCH-主同步）*每 RB子載波數(shù) -CRS）*6RB+（（符號數(shù) -PDCCH）*每 RB子載波數(shù)-CRS）*剩 余 RB數(shù)）*調(diào) 制 系 數(shù) =（（（10-1-1）*12-8）*6+（（10-1）*12-8）*（100-6））*6=59568，TBS選擇 55056（MCS24）.

子幀 4：可用 RE=（（（符號數(shù) -PDCCH）*每 RB子載波數(shù) -CRS）*總 RB數(shù)）*調(diào)制系數(shù) =（（（14-1）*12-12）*100）*6=86400，TBS選擇 75376（MCS28）.

子幀 5：可用 RE=（（（符號數(shù) -PDCCH–輔同步）*每RB子載波數(shù) -CRS）*6RB+（（符號數(shù) -PDCCH）*每 RB子載波數(shù) -CRS）*剩余 RB數(shù)）*調(diào)制系數(shù) =（（（14-1-1）*12-12）*6+（（14-1）*12-12）*（100-6））*6=85968，TBS選 擇 75376（MCS28）.

子幀6和子幀9分別與子幀1和子幀4計算方法相同.

下行峰值速率 =（（75376+55056+75376+75376+55056 +75376）/5）*1000=82.323Mbps

同樣以 PUCCH 16RB，PRACH周期為 5ms為例計算，上行子幀有 2、3、7、8，假設(shè) PRACH在子幀 3和子幀 8：

子幀 2：可用 RE=（（符號數(shù) -DMRS）*每 RB子載波數(shù)*（總 RB數(shù) -PUCCH））*調(diào)制系數(shù) =（（14-2）*12*（100-16））*6=72576，TBS選擇 61664（MCS28）；

子幀 3：可用 RE=（（符號數(shù) -DMRS）*每 RB子載波數(shù)*（總 RB數(shù) -PUCCH-PRACH））*調(diào)制系數(shù) =（（14-2）*12*（100-16-6））*6=67392，TBS選擇 57336（MCS28）；

子幀7和子幀8分別與子幀2和子幀3計算方法相同.

上行峰值速率 =（（61664+57336）*2/5）*1000=23.8Mbps.

按以上方法分別計算 20MHz帶寬時不同子幀配比、不同特殊子幀配比以及 PRACH周期時的單小區(qū)物理上下行理論峰值速率,用戶的峰值速率還受到終端設(shè)備類型的影響，LTE協(xié)議中規(guī)定了不同類型終端的最大吞吐量，見表1終端類型為 CAT3，CAT4，CAT5時的上下行理論峰值速率：

5 總結(jié)

本文通過分析 TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)和鏈路開銷，得到計算 TD-LTE物理層理論峰值的方法，進(jìn)而得到如表1所示的結(jié)果.可以看出 TDD可以根據(jù)不同的子幀和特殊子幀的配比對上下行峰值速率進(jìn)行調(diào)整.FDD的一個無線幀為長度 10ms而沒有再細(xì)分成長度為 5ms的半幀且其幀結(jié)構(gòu)中不包含 TDD特殊子幀所含有的 DwPTS、GP和 UpPTS三個特殊時隙，因此 FDD的上下行峰值速率不能通過幀配比來進(jìn)行.可見，TD-LTE在速率上更能夠滿足不同業(yè)務(wù)的需求，應(yīng)用更加靈活也更具優(yōu)勢.

表1 單用戶理論峰值速率

〔1〕易睿得，趙治，等.LTE 系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.144～170.

〔2〕3GPP TS 36.213 V8.6.0(2009-03). 第三代合作 伙伴計劃(3GPP)物理層協(xié)議，2009.

〔3〕康海歡.TD-LTE 物理層下行理論峰值速率分析[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2013（5）：28～31.

〔4〕朱震海，張真楨，等.TD-LTE 鏈路開銷及峰值速率探討[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2012（7）：69～73.

TN929.5

A

1673-260X（2014）08-0024-02

（JB13376）LTE 網(wǎng)絡(luò)無線性能分析與性能優(yōu)化研究，批文號：閩科教[2013]46 號