TD-LTE鏈路開銷及峰值速率探討

朱震海，張真楨，陸清清

（1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司浙江分公司，杭州 310012；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司杭州分公司，杭州310015）

1 概述

LTE（Long Term Evolution）是UMTS的長(zhǎng)期演進(jìn)，是準(zhǔn)4G的技術(shù)。關(guān)于TD-LTE 20MHz帶寬的理論峰值速率（本文討論的都是20MHz帶寬），不同的資料有不同的算法和結(jié)果而且它們的差異也比較大。本文力求給出較為科學(xué)的計(jì)算方法和準(zhǔn)確的結(jié)果。關(guān)于下行，本文首先深入的研究了TD-LTE普通子幀下行鏈路開銷；再分析了MAC（媒體接入控制）層實(shí)際可用的TBS（傳輸塊大?。┖臀锢韺涌捎糜诔休d用戶數(shù)據(jù)的RE（資源粒子）資源；最后，分析了特殊子幀可用來傳輸用戶數(shù)據(jù)的RE資源，并給出物理層下行理論峰值速率的計(jì)算方法和結(jié)果。關(guān)于上行，本文也是首先研究TD-LTE普通子幀上行鏈路開銷；然后，分析了MAC層實(shí)際可用的TBS和物理層可用于承載用戶數(shù)據(jù)的RE資源并給出了MAC層上行理論峰值速率的計(jì)算方法和結(jié)果。

2 普通子幀下行鏈路開銷

普通子幀下行鏈路開銷是由下行同步信號(hào)、下行參考信號(hào)、PBCH（物理廣播信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）、PHICH（物理HARQ指示信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PDSCH用于承載非業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的資源在普通子幀上占用的RE構(gòu)成的。

2.1 PSS/SSS（下行同步信號(hào)）

在TDD幀中，PSS信號(hào)位于第1子幀和第6子幀（特殊子幀）的第3個(gè)OFDM符號(hào)，SSS信號(hào)位于第0子幀和第5子幀的第7個(gè)OFDM符號(hào)。在頻域上占用下行頻帶中心62個(gè)子載波，兩邊各預(yù)留5個(gè)子載波作為保護(hù)帶。因此，在每個(gè)5ms半幀的普通子幀上，PSS/SSS共占用了72個(gè)RE。

2.2 下行參考信號(hào)

LTE物理層定義了3種下行參考信號(hào)：CRS、MBSFN、DRS。本文討論的峰值速率只涉及CRS。兩天線端口發(fā)送的情況下，R0（天線端口0的參考信號(hào)）、R1（天線端口1的參考信號(hào)）在普通子幀的每個(gè)PRB上占用8個(gè)RE。因此，在每個(gè)5ms半幀的普通子幀上，如果時(shí)隙配置為DSUUD，則下行共有400個(gè)PRB其中CRS占用了3200個(gè)RE，如果時(shí)隙配置為DSUDD，則下行共有600個(gè)PRB其中CRS占用了4800個(gè)RE。

2.3 PBCH

LTE系統(tǒng)廣播分為MIB（Master Information Block） 和 SIB（System Information Block），MIB在PBCH上傳輸，SIB在DL-SCH上調(diào)度傳輸。PBCH的傳輸周期為40ms，一個(gè)40ms周期內(nèi)，每10ms重復(fù)傳輸。在每個(gè)10ms的無(wú)線幀上，PBCH占用第0子幀第2個(gè)時(shí)隙的前面4個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)，在頻域上占用下行頻帶中心72個(gè)子載波。在物理資源映射時(shí)，對(duì)于1、2或者4的發(fā)射天線數(shù)目，都總是空出4天線的CRS?？捎?jì)算出，在PBCH占用的時(shí)頻資源上共空出48個(gè)RE做用做CRS。因此，在每個(gè)10ms的無(wú)線幀上，PBCH共占用了240（4×72-48=240）個(gè)RE。

2.4 PCFICH、PHICH、PDCCH

以下以CFI=3為例計(jì)算PCFICH、PHICH、PDCCH占用的開銷資源：在一個(gè)1ms的普通子幀中，PDCCH與PCFICH、PHICH一起占用前面3個(gè)OFDM（但要除去CRS占用的RE）。在1ms普通子幀中的前面3個(gè)OFDM符號(hào)上，用于R0和R1共有400個(gè)RE，而用于 PDCCH、PCFICH、PHICH的 共 有3200個(gè)RE。因此，在每個(gè)5ms半幀的普通子幀上，如果時(shí)隙配置為DSUUD則PDCCH、PCFICH、PHICH三個(gè)物理信道共占用6400個(gè)RE，如果時(shí)隙配置為DSUDD則共占用9600個(gè)RE。

2.5 PDSCH

與PDSCH相關(guān)的信道映射關(guān)系如圖1所示。

圖1 信道映射關(guān)系

在測(cè)試峰值的環(huán)境下，除業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息外，映射到PDSCH上的只有承載SIB1（小區(qū)接入有關(guān)的參數(shù)、調(diào)度信息）和SIB2（公共和共享信道配置）的廣播信息。SIB1的時(shí)域調(diào)度是固定的，周期為80ms，在80ms內(nèi)每20ms重復(fù)一次，占用了8個(gè)PRB。SIB2周期為動(dòng)態(tài)配置，一般是160 ms重復(fù)一次，相對(duì)于5ms的半幀周期占用的RE很少，在峰值計(jì)算中可以忽略。因此，在20 ms的周期中，開銷在PDSCH中占用了672個(gè)RE。

通過以上的分析，普通子幀下行鏈路的開銷可以總結(jié)為如表1所示。

表1 普通子幀下行鏈路開銷

3 下行理論峰值速率計(jì)算

通過分析MAC層TBS資源和物理層可用于承載用戶數(shù)據(jù)的RE資源，給出幾種常見配置的下行峰值速率理論值。

3.1 MAC層可用TBS的分析

UE的下行速率與TBS的確定有直接的關(guān)系。在TBS的確定過程中，UE需要首先讀取PDCCH DCI的調(diào)制編碼方案域IMCS，通過查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.1-1[4]確定其調(diào)制方式及TBS大小索引ITBS， 同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)DCI信息的資源指示信息域中的指示確定PDSCH傳輸占用的PRB的個(gè)數(shù)NPRB。UE根據(jù)ITBS與NPRB，通過查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]、Table 7.1.7.2.2-1[4]確定 TBS大小。目前關(guān)于理論峰值速率計(jì)算，不同的資料往往有不同的結(jié)果，其中比較準(zhǔn)確的一種計(jì)算方法是通過查表，用單層最大傳輸塊75376bit的雙層TBS來計(jì)算下行理論峰值速率。下面我們來討論是否可以用這種方法來計(jì)算TD-LTE在幾種常見配置下的峰值速率理論值？

被開銷占用的RE是不能用來傳輸用戶數(shù)據(jù)的，根據(jù)表1，我們可以計(jì)算出用來傳輸用戶數(shù)據(jù)的RE。把它乘以最大效率（效率指每個(gè)符號(hào)承載的信息比特，64QAM、近似編碼率0.93為最大效率）可以得出能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特，如表2所示。

5ms周期里并不是在每個(gè)普通子幀上都有RE資源被PSS/SSS、PBCH、PDSCH上的SIB1占用。即使是在沒有這個(gè)幾個(gè)信道的普通子幀上，在表2中的4種配置下，能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特也只能最高達(dá)到73656bit（物理層），因此，在表2中的4種配置下，UE能夠索引的ITBS與NPRB是不能同時(shí)達(dá)到最大值的（75376bit）。

3.2 物理層下行理論峰值速率計(jì)算

在LTE中，調(diào)度功能由調(diào)度器完成，調(diào)度器位于eNode B的MAC層，包括下行調(diào)度器和上行調(diào)度器，分別負(fù)責(zé)完成對(duì)下行共享信道的資源分配和上行共享信道的資源分配。eNode B在下行資源分配時(shí)，需要考慮UE上報(bào)的CQI、UE的緩存、RSRP等來最終確定UE的TBS。各廠家在具體實(shí)現(xiàn)上，有自己的算法。以下從物理層理論的角度，給出承載用戶數(shù)據(jù)的下行速率能達(dá)到的峰值速率。在峰值速率計(jì)算中，考慮的持續(xù)時(shí)間是至少保持1s以上。

在3.1中，討論了普通子幀的情況，在峰值速率計(jì)算中還必須考慮特殊子幀。為了與現(xiàn)網(wǎng)的TD-SCDMA鄰頻組網(wǎng)、時(shí)隙對(duì)齊，目前LTE的子幀配置為DSUDD而且特殊子幀DwPTS:GP:UpPTS配置為3:9:2。這種情況下，特殊子幀不能用來作為PDSCH的傳輸。目前，DSUUD配置時(shí)，特殊子幀的DwPTS:GP:UpPTS配置為10:2:2。這種情況下，DwPTS時(shí)隙的10個(gè)OFDM符號(hào)中，前2個(gè)符號(hào)用于PDCCH，第3個(gè)符號(hào)用于PSS，后7個(gè)符號(hào)在除去CRS以后用于PDSCH傳輸用戶數(shù)據(jù)。這7個(gè)符號(hào)共有100個(gè)PRB，其中CRS占用800個(gè)RE（2天線端口），可以用于PDSCH傳輸用戶數(shù)據(jù)的有7600個(gè)RE，即能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特（物理層）為42408bit。

表2 平均1個(gè)普通子幀能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特（物理層）

表3 物理層理論峰值速率

在雙流情況下，物理層理論峰值速率計(jì)算公式可以表達(dá)為：

a=5ms周期內(nèi)所有普通子幀能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特（物理層），

b=5ms周期特殊子幀能夠承載用戶數(shù)據(jù)的最大信息比特（物理層）。

計(jì)算結(jié)果如表3所示。

4 上行理論峰值速率計(jì)算

與下行不同，目前的終端（Category 3或Category 4） 上行不支持64QAM,在16QAM時(shí)，上行的編碼率不會(huì)超過0.93（見4.1的分析）。因此，對(duì)于上行理論峰值速率計(jì)算，我們用MAC層的TBS來計(jì)算是可行的，結(jié)果也更加接近于應(yīng)用層的理論峰值速率。

4.1 普通子幀上行開銷分析及MAC層TBS分析

普通子幀上行開銷由上行參考信號(hào)（DMRS、SRS）、PRACH（物理隨機(jī)接入信道）、PUCCH（上行物理控制信道）、以及在PUSCH傳送上的控制信息構(gòu)成的。

（1）PRACH。在頻域上，PRACH占用6個(gè)PRB，用于正常覆蓋的PRACH格式0在時(shí)域上占用1ms（目前的網(wǎng)絡(luò)配置為PRACH格式0）。

（2）PUCCH。在時(shí)頻域上PUCCH占用1個(gè)RB-pair的物理資源，采用時(shí)隙跳頻的方式，在上行頻帶的兩邊傳輸。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，配置4個(gè)PUCCH信道已經(jīng)是較少占用資源的一種配置。

（3）上行參考信號(hào)。LTE物理層定義了兩種上行參考信號(hào)：解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）、Sounding參考信號(hào)（SRS）。DMRS在共享信道PUSCH上，每個(gè)時(shí)隙內(nèi)DMRS占用1個(gè)OFDM符號(hào)。DMRS在90個(gè)RB（時(shí)域?yàn)?ms）上占有2160個(gè)RE。SRS主要用于頻率選擇性調(diào)度。SRS不是必須的。在上行90個(gè)RB（時(shí)域?yàn)?ms）用于PUSCH時(shí)，PUSCH上 SRS占用資源的最多的情況是每5ms占用540個(gè)RE。

（4）用戶有上行數(shù)據(jù)PUSCH在發(fā)送時(shí)，如果需要同時(shí)發(fā)送物理層上行控制信息（CSI或者ACK），那么這些信息將與數(shù)據(jù)信息一起復(fù)用在PUSCH上傳輸。ACK占用1bit或者2bit。CSI是長(zhǎng)度20bit的數(shù)據(jù)流。因此，單用戶在信道好而且穩(wěn)定的情況下，有上行數(shù)據(jù)在PUSCH上發(fā)送時(shí)，即使需要同時(shí)發(fā)送物理層上行控制信息，它占用的資源也很少，我們暫時(shí)不考慮它。

根據(jù)以上的分析，1個(gè)子幀上行可用于傳輸用戶數(shù)據(jù)的資源為12420個(gè)RE（物理層）。用16QAM的調(diào)制方式，如果近似編碼率達(dá)到0.93，則能承載的最大信息比特為46202bit。

對(duì)于Category 3或Category 4終端，根據(jù)TS36.213 Table 8.6.1-1[4]，最大支持的MCS是20。根據(jù)以上分析，最多有90個(gè)RB可用于PUSCH，再根據(jù)TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]查到可用的TBS是39232bit。在16QAM的調(diào)制方式下，12420個(gè)RE，用于承載39232 bit信息時(shí)，它的編碼速率是小于0.93的。

4.2 MAC層的理論峰值速率計(jì)算

（1）DSUDD時(shí)系配置時(shí)，MAC層的理論峰值速率=39232bit/5ms=7.84Mbit/s。

（2）DSUUD時(shí)系配置時(shí)，MAC層的理論峰值速率=2×39232bit/5ms=15.68Mbit/s。

5 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

表4 測(cè)試結(jié)果

由于條件限制，我們只對(duì)一種網(wǎng)絡(luò)配置做實(shí)證測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)配置：子幀配置為DSUDDDSUDD、常規(guī)長(zhǎng)度CP、CFI為3，特殊子幀配置為DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2。實(shí)證測(cè)試結(jié)果見表4所示。

下行吞吐量的測(cè)試結(jié)果與表3物理層理論峰值速率的79.55Mbit/s接近，因此，該配置下的物理層理論峰值速率計(jì)算基本符合實(shí)際。

上行吞吐量的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)超過了4.2節(jié)中的計(jì)算結(jié)果，MCS也已經(jīng)超過協(xié)議所規(guī)定的20。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的RB的調(diào)度情況為：RB0～RB5，RB96～RB99調(diào)度次數(shù)為0，RB6～RB20總是有一半時(shí)間在調(diào)度，RB21～RB95全部調(diào)度。我們把這個(gè)測(cè)試結(jié)果做一個(gè)理論計(jì)算。MCS=23，被調(diào)度的RB我們折算成83個(gè)，則查表得到的TBS為42368bit，根據(jù)4.2節(jié)的計(jì)算方法，我們可以得到：（1）DSUDD時(shí)系配置時(shí)，MAC層的理論峰值速率為8.47Mbit/s；（2）DSUUD時(shí)系配置時(shí)，MAC層的理論峰值速率為16.95Mbit/s。據(jù)廠家的反饋，該廠家設(shè)備做到的上行MCS確實(shí)能夠超過20。因此，4.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的差異，主要原因在于16QAM時(shí)實(shí)際能達(dá)到的上行最大MCS超過了協(xié)議上的20，而4.2節(jié)的計(jì)算方法是可行的。

6 總結(jié)

本文以理論結(jié)合實(shí)測(cè)的方式深入研究了LTE的峰值速率，對(duì)于下行給出了物理層理論峰值速率(實(shí)測(cè)中，在沒有重傳的情況下，物理層峰值速率與MAC層很接近)，對(duì)于上行給出了MAC層理論峰值速率，分析過程嚴(yán)密、科學(xué)，計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)測(cè)情況，對(duì)幫助人們深刻認(rèn)識(shí)LTE有重要的實(shí)際意義。但是，本文的研究也存在一些不足：一、對(duì)于下行，只能給出物理層的理論峰值速率；二、只對(duì)一種網(wǎng)絡(luò)配置做了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

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[3]3GPP TS 36.212, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA),Multiplexing and Channel Coding[S].

[4]3GPP TS 36.213, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA),Physical Layer Procedures[S].