TD-LTE下行峰值吞吐量分析與計(jì)算

王力男，李 昶，王永超

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司，河北石家莊050035)

0 引言

在中國(guó)移動(dòng)TD-LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮到與TDSCDMA的鄰頻共存的問題，通常采用2種TD-LTE配置:上下行子幀配比類別1(即2∶2)，特殊子幀配比類別7(即10∶2∶2);上下行子幀配比類別2(即3∶1)，特殊子幀配比類別5(即3∶9∶2)。

上述配置情況下，可獲取的上/下行峰值吞吐量差異很大。實(shí)際測(cè)試中，峰值吞吐量除了受到上述時(shí)隙配置的影響外，還受到無(wú)線環(huán)境、測(cè)試終端以及參數(shù)設(shè)置等因素的影響。那么，明確這些因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響大小，并了解其排除和優(yōu)化方法，對(duì)未來的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和優(yōu)化工作具有重要意義。

理想條件下，單用戶所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率稱為系統(tǒng)峰值吞吐量。LTE系統(tǒng)中，最值得關(guān)注的是物理層吞吐量和MAC層吞吐量。物理層吞吐量可以采用開銷分析法來計(jì)算，但是不夠精確。實(shí)際測(cè)試中，MAC層吞吐量是根據(jù)MS上報(bào)的CQI信息來獲取的，它能夠體現(xiàn)無(wú)線環(huán)境和調(diào)度算法的影響。因此，采用MAC層吞吐量來進(jìn)行計(jì)算較為準(zhǔn)確。本文著重分析MAC層吞吐量影響因素，通過舉例給出了詳細(xì)的吞吐量計(jì)算方法，提供了實(shí)驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果來證明文中的結(jié)論，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試、分析和對(duì)比工作有較大的幫助。

1 MAC層峰值吞吐量相關(guān)原理

LTE中上/下行調(diào)度算法在MAC層實(shí)現(xiàn)。eNodeB MAC子層的MAC調(diào)度器負(fù)責(zé)LTE空口上下行方向上的調(diào)度傳輸。下行方向上，eNodeB根據(jù)UE上報(bào)的CQI信息選擇合適的編碼策略(MCS)以及傳輸塊大小(TBS)，并結(jié)合資源利用情況來給用戶分配PRB。MCS、PRB數(shù)以及TBS大小三者之間相互作用，共同決定了用戶可獲取的吞吐量［1－8］。

UE首先對(duì)無(wú)線信道質(zhì)量如SINR進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的CQI，然后發(fā)送CQI報(bào)告到eNodeB。eNodeB中采用鏈路適配算法，根據(jù)CQI信息來選擇最有效的調(diào)制和MCS。

不同CQI索引值意味著特定調(diào)制方式和特定碼率(即信息比特與總比特?cái)?shù)的比值)的組合，從而對(duì)應(yīng)于不同的傳輸效率。系統(tǒng)規(guī)定有效的CQI索引值為 1～15，其中 CQI索引 1的頻譜效率=0.152 3，只用于PDCCH。

UE上報(bào)CQI的目的是為了讓系統(tǒng)側(cè)根據(jù)無(wú)線狀況選擇合適的下行MCS。LTE中上下行規(guī)定了32種 MCS格式，分別對(duì)應(yīng)于 QPSK、16QAM和64QAM等特定的調(diào)制方式和碼率，其對(duì)應(yīng)的調(diào)制階數(shù)分別為2/4/6。下行方向上這3種調(diào)制方式都支持，而上行方向上64QAM為可選項(xiàng)。距離eNodeB遠(yuǎn)的用戶SINR值低，可以使用更可靠的調(diào)制方式比如QPSK;距離eNodeB近的用戶SINR高，對(duì)調(diào)制方式的可靠性要求低，所以可以采用64QAM或者16QAM。因此，鏈路適配算法中，為每種MCS設(shè)定一個(gè)特定的SINR門限，eNodeB將UE上報(bào)的CQI值轉(zhuǎn)換為SINR值，再根據(jù)MCS所對(duì)應(yīng)的SINR門限就可以獲取下行可用MCS。

TS36.213規(guī)定，TBS大小由PRB數(shù)目與TBS序號(hào)共同決定，而MCS序號(hào)與TBS序號(hào)之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。故系統(tǒng)確定MCS之后，還需要根據(jù)資源利用狀況來分配PRB，隨后就可以獲取傳輸所使用的TBS大小。TBS大小表示調(diào)度周期1 ms之內(nèi)所傳送的數(shù)據(jù)塊大小，因此用戶可獲取的速率也可以相應(yīng)地計(jì)算出來。

表1 MCS與TBS之間的關(guān)系

2 MAC層峰值吞吐量影響因素

2．1 帶寬

LTE中，采用資源單元(RE)作為時(shí)頻資源的最小表示單位，采用資源塊(RB)作為調(diào)度的最小單位。RE時(shí)域上為一個(gè)符號(hào)，頻域上為一個(gè)子載波，帶寬為15 kHz。正常循環(huán)前綴(CP)條件下，RB為12個(gè)子載波和7個(gè)符號(hào)數(shù)的組合，頻域?qū)挾?180 kHz，時(shí)域長(zhǎng)度占 1 個(gè)時(shí)隙，為 0．5 ms［9－12］。由此可見，帶寬不同，所包含的子載波數(shù)和可用RB數(shù)也有區(qū)別，從而其所能提供的峰值速率也有較大差異。

2．2 幀結(jié)構(gòu)

TD-LTE支持7種上下行常規(guī)子幀配比和9種特殊子幀配比。常規(guī)子幀和特殊子幀的配比不同的情況下，上行和下行可用資源數(shù)差別很大，從而對(duì)上下行吞吐量造成很大影響。

TD-LTE上下行時(shí)隙配置如表2所示。其中，“D”代表此子幀用于下行傳輸，“U”代表此子幀用于上行傳輸，“S”是由DwPTS、GP和UpPTS組成的特殊子幀。

表2 TD-LTE上下行時(shí)隙配置

TD-LTE特殊子幀共有9種，如表3所示。其中，下行DwPTS可用于傳送數(shù)據(jù)，所以會(huì)對(duì)吞吐量產(chǎn)生影響。DwPTS對(duì)容量的影響取決于特殊子幀中符號(hào)的比例。

表3 TD-LTE特殊時(shí)隙配置

特殊子幀的總長(zhǎng)度為14個(gè)符號(hào)，假設(shè)其中DwPTS為12個(gè)符號(hào)，GP與UpPTS為2個(gè)符號(hào)(這是GP與UpPTS之和的最小值)。以DL/UL資源配置類別1為例，它包含4個(gè)下行子幀和2個(gè)特殊幀，另外3GPP規(guī)定，特殊子幀需要按照0.75個(gè)PRB進(jìn)行折算，因此總的有效下行子幀數(shù)為4+2*12/14*0.75=5.28。

需要注意的是，特殊子幀為5時(shí)，根據(jù)3GPP規(guī)定，DwPTS不能用于傳送下行數(shù)據(jù)。

2．3 有效信道碼率

有效碼率為下行信息比特?cái)?shù)(包括CRC比特)除以PDSCH物理信道比特?cái)?shù)。根據(jù)3GPP TS36.213的規(guī)定，如果下行有效碼率超過0.930，則UE在初始傳送時(shí)，可以忽略對(duì)傳輸塊的解碼。有效碼率等于(TBS+24)/(PRB中有效RE數(shù))，其中，24表示CRC比特，PRB中有效RE數(shù)表示需要去除PDCCH符號(hào)、BCH、SCH以及參考信號(hào)的開銷。

PDCCH承載下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)，包括用于下行和上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度信息和上行功率控制信息等。PDCCH在每1 ms子幀中占用1～3個(gè)符號(hào)，相應(yīng)的開銷如表4所示(表中RE總數(shù)的單位均為每個(gè)子幀中的RE)。PDCCH符號(hào)數(shù)對(duì)碼率的影響較大，如果PDCCH符號(hào)數(shù)設(shè)置過大，則有效碼率降低，系統(tǒng)不得不調(diào)整TBS，從而對(duì)最終吞吐量造成影響。

表4 PDCCH開銷

例如，PDCCH符號(hào)數(shù)目配置為3時(shí)，物理層開銷增加，有效碼率可能會(huì)超過0.93，從而需要降低MCS或者PRB數(shù)目來獲取合適的TBS大小，從而對(duì)峰值吞吐量產(chǎn)生影響。不同PDCCH符號(hào)數(shù)的影響計(jì)算舉例如下。

假設(shè)MCS=28，PRB=100，則根據(jù) MCS與 TBS對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，TBS編號(hào)為26，故對(duì)應(yīng)的TBS大小為75 376 bit，加上24 bit CRC之后為75 400 bit。

當(dāng)PDCCH符號(hào)數(shù)為3(即 CFI=3)時(shí)，100個(gè)PRB中RE數(shù)為:(14符號(hào)/子幀)*(100*12 RE/符號(hào))=16 800RE/子幀;CFI所占用的 RE數(shù):16 800－(3*(100*12))=13 200 RE/子幀;假定采用64QAM，則物理層比特?cái)?shù)為:6*13 200=79 200 bit/子幀;則碼率為75 400/79 200=0．952，大于0.930，因此需要調(diào)整PRB和MCS組合，降低TBS。

當(dāng)PDCCH符號(hào)數(shù)為1(即CFI=1)時(shí)，同理計(jì)算出碼率為75 400/93 600=0.806，小于0.930，故無(wú)需調(diào)整MCS和PRB，可以使用75 376的TBS。

由此可見，峰值吞吐量測(cè)試工作中，需要考慮PDCCH符號(hào)數(shù)的設(shè)置和影響。

2．4 終端類型

計(jì)算峰值吞吐量時(shí)，還需要考慮終端特性。如果終端不能支持最大TBS，則上下行峰值吞吐量會(huì)受到限制。不同終端類別所支持的最大TBS如表5所示，列出了在一個(gè)DL-SCH TTI內(nèi)，UE分別在2個(gè)和單個(gè)TB上能夠接收的DL-SCH傳輸塊的最大比特?cái)?shù)。表5中，Cat3終端所支持的單碼字最大TBS為51 024，不能達(dá)到最大75 376，故下行峰值吞吐量會(huì)受到限制。

表5 LTE終端特性

3 MAC層峰值吞吐量計(jì)算舉例

根據(jù)以上分析，MAC層峰值吞吐量可以根據(jù)MCS、TBS以及PRB這三者之間的關(guān)系來計(jì)算。

下面舉例說明中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中不同時(shí)隙配比所能提供的下行峰值吞吐量理論值。

假設(shè)系統(tǒng)帶寬為20 MHz，可用PRB數(shù)為100，如果系統(tǒng)采用最大MCS索引28，如表1所示，則其對(duì)應(yīng)的TBS索引為26。

TBS索引號(hào)為26時(shí)，100個(gè)PRB所對(duì)應(yīng)的TBS為75 376，即1個(gè) TTI中(即1 ms)傳輸75 376 bit，如表6所示。

表6 傳輸塊大小

3．1 1/7 配比(即 2∶2/10∶2∶2)

假設(shè)TD-LTE下，上下行信道配置類型為1(即10 ms周期內(nèi) DL∶UL∶S=4 ∶4 ∶2)，特殊子幀配置類型為 7(即 10∶2∶2方式)。

子幀中下行控制信道占用3個(gè)符號(hào)，傳輸天線數(shù)為1，則將DwPTS折合后，10 ms周期內(nèi)總下行有效信道數(shù)為:

4+(14－4)/14*2=5.07。

所以10 ms內(nèi)的下行速率是:

75 376*5.07=382 264 bit。

擴(kuò)展到1 s，下行速率是:

382 264*100=38.3 Mbps。

按照單流的速率來查雙流的速率。單流的速率75 376所對(duì)應(yīng)的雙流速率為149 776。按照和單流是一樣的方法，得到TD-LTE的峰值速率(2∶2配比)為:

149 776*5．07*100=75．9 Mbps。

實(shí)際無(wú)線環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳送過程中可能存在丟包和誤碼，從而需要進(jìn)行重傳。因此，最大保持速率需要在峰值速率的基礎(chǔ)上去除丟包和重傳的影響。

3．2 2/5 配比(即 3∶1/3∶9∶2)

根據(jù)規(guī)范要求，特殊子幀5(即3∶9∶2)中的Dw-PTS中不能傳送下行數(shù)據(jù)。

上下行時(shí)隙配比是1∶3，則一個(gè)5 ms的TD-LTE半幀里有3個(gè)下行時(shí)隙。所以5 ms內(nèi)的下行速率為149 776*3=449 328 bit。

擴(kuò)展到 1 s，則下行速率為:449 328*200=89 865 600 bit=89.9 Mbps。3．3 UE Cat3/4 結(jié)果對(duì)比

上述計(jì)算結(jié)果中，單碼字 TBS采用最大值75 376。對(duì)于Cat3終端來說，其所支持的TBS可能受限于51 024，故其峰值速率受到限制。因此，1/7配比下，Cat3終端所能達(dá)到的速率只有51.7 Mbps左右;2/5配比下，Cat3終端所能達(dá)到的速率只有55.4 Mbps左右。

4 下行峰值吞吐量測(cè)試結(jié)果舉例

實(shí)驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試中，PDCCH符號(hào)數(shù)采用不同配置，并且分別采用Cat3和Cat4終端進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，可以明顯看出參數(shù)設(shè)置與終端類型帶來的性能差異。

4．1 PDCCH符號(hào)數(shù)(CFI參數(shù))的影響

采用 3∶1和 3∶9 ∶2配置，并分別配置 PDCCH 符號(hào)數(shù)為1或者3，Cat4終端測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 CFI配置對(duì)吞吐量的影響

可以看到，配置CFI=3時(shí)，系統(tǒng)開銷增加，導(dǎo)致碼率可能超過0.93，因此需要相應(yīng)地降低MCS或者PRB數(shù)，進(jìn)而降低TBS來滿足碼率小于0.93的要求。表7中，相對(duì)于CFI=1來說，CFI=3的MCS降低值為1，PRB數(shù)降低3個(gè)，TBS從72 653降低為63 284，從而導(dǎo)致吞吐量降低約15%。

4．2 終端級(jí)別的影響

設(shè)置CFI=3，對(duì)比Cat3和Cat4的測(cè)試結(jié)果，如表8所示。

表8 UE特性對(duì)吞吐量的影響

可以看到，采用Cat4測(cè)試終端時(shí)，TBS平均值為63 776，而 Cat3終端可以得到的 TBS均值只有43 816，從而吞吐量降低約30%。

5 結(jié)束語(yǔ)

TD-LTE系統(tǒng)針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境有不同的時(shí)隙配比類型，不同的配比類型所能達(dá)到的系統(tǒng)峰值吞吐量有所不同。針對(duì)中國(guó)移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中2種不同配比類型得到了不同的吞吐量的計(jì)算結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試基本一致，因此提出的計(jì)算方法可以精確地得到系統(tǒng)的峰值吞吐量。對(duì)TD-LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試、分析和對(duì)比工作有較大幫助。

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