TD-LTE下載速率的影響因素和提升措施研究

張思為，柏 楊

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京100080）

1 引言

影響TD-LTE 下載速率的因素可主要?dú)w納為網(wǎng)絡(luò)側(cè)因素、終端側(cè)因素、互聯(lián)網(wǎng)側(cè)因素以及用戶行為因素。其中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)因素主要包括無線空口環(huán)境、系統(tǒng)資源分配、天線發(fā)射技術(shù)、R9 和R10 中新技術(shù)等；終端側(cè)因素主要包括終端等級、終端對網(wǎng)絡(luò)側(cè)主設(shè)備功能點(diǎn)支持程度等；互聯(lián)網(wǎng)側(cè)因素主要包括出口網(wǎng)關(guān)帶寬、服務(wù)網(wǎng)站等；用戶行因素為主要包括下載方式、應(yīng)用軟件等。網(wǎng)絡(luò)側(cè)是無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、優(yōu)化的核心，也是影響LTE 下載速率的關(guān)鍵，本文將從理論速率方面入手，結(jié)合拉網(wǎng)測試數(shù)據(jù)對其展開分析。

2 TD-LTE 理論速率計(jì)算與分析

TD-LTE 下載峰值速率與以下因素有關(guān)。

①網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)：系統(tǒng)帶寬、子幀配置比例、特殊時(shí)隙中DwPTS 符號數(shù)等。

②資源調(diào)度參數(shù)：MCS 調(diào)度（包括Modulation和TBS）。

當(dāng)前TD-LTE 組網(wǎng)普遍采用20 MHz 系統(tǒng)帶寬，子幀配置為SA2（3 下行∶1 上行）。特殊子幀配置，D/E 頻段：SSP7（10∶2∶2）；F 頻段：SSP5（3∶9∶2）?；谶@些條件，以D 頻段且空口雙流為例計(jì)算峰值速率。根據(jù)3GPP 協(xié)議查找PDSCH的MCS Index，找出對應(yīng)的Modulation Order 和TBS Index，見表1。

根據(jù)表1 可知，MCS 最大為28，對應(yīng)Modulation Order 為6，即64QAM 調(diào)制方式，TBS Index 為26。

根據(jù)表2 可知，當(dāng)最大系統(tǒng)帶寬的TBS Index26比特?cái)?shù)為75 376，特殊時(shí)隙DwPTS≥9 時(shí)，其最大承載比特?cái)?shù)為常規(guī)子幀的0.75 倍，得55 056。

根據(jù)表3 可知，雙流最大系統(tǒng)帶寬最大比特?cái)?shù)為149 776（當(dāng)特殊時(shí)隙DwPTS≥9 時(shí)，最大比特?cái)?shù)為110136）。因此，每半幀（5 ms）峰值速率為109.27 Mbit/s（3個(gè)下行子幀峰值速率149776/1024×3/5=87.76Mbit/s，特殊子幀峰值速率110 136/1 024/5=21.51 Mbit/s）。

根據(jù)上述計(jì)算方法，可以得到不同網(wǎng)絡(luò)配置的峰值速率，見表4。

表1 MCS Index 對應(yīng)的Modulation Order 和TBS Index

表4 所得速率為鏈路層PDCP 峰值吞吐率，已非常接近應(yīng)用層下載速率，結(jié)合表4 可預(yù)估計(jì)出應(yīng)用層下載速率的理論值，然而根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)用層的下載速率與理論值相差甚遠(yuǎn)，后文將根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)圍繞網(wǎng)絡(luò)側(cè)因素對應(yīng)用層下載速率的影響展開深入分析。

3 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù)

影響下載速率的網(wǎng)絡(luò)側(cè)因素較多，無線空口環(huán)境是其中一個(gè)關(guān)鍵因素，主要體現(xiàn)在RSRP、SINR 和MCS 這3 項(xiàng)指標(biāo)上，這些指標(biāo)均會(huì)影響下載速率。

根據(jù)XX 市拉網(wǎng)數(shù)據(jù)，對下載速率和RSRP、SINR、MCS 進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，測試場景主要包括密集城區(qū)和普通城區(qū)，可代表當(dāng)?shù)豑D-LTE 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。針對拉網(wǎng)測試數(shù)據(jù)設(shè)定下載速率門限為35 Mbit/s 以便于分析，采取調(diào)整測試終端接收電平（RSRP）和測試終端所處無線環(huán)境底噪（SINR）等方法，以達(dá)到統(tǒng)計(jì)各RSRP、SINR 和MCS 分段所對應(yīng)下載速率的目的，選取部分典型數(shù)據(jù)整理后見表5。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，要達(dá)到35 Mbit/s 速率，RSRP的均值在-85 dBm 左右，SINR 均值要達(dá)到16 dB 以上，下行MCS 均值要達(dá)到19 以上。結(jié)合全部拉網(wǎng)測試數(shù)據(jù)，對RSRP、SINR、MCS 與下載速率進(jìn)行擬合，得到無線空口質(zhì)量指標(biāo)與下載速率關(guān)系，如圖1所示。

表2 TBS_L1

根據(jù)圖1 不難發(fā)現(xiàn)，MCS 與下載速率兩者變化更為擬合，結(jié)合LTE 相關(guān)技術(shù)原理，MCS 與眾多因素相關(guān)，主要為SINR 、CQI 以及廠家自有調(diào)度算法。在TD-LTE 建網(wǎng)初期網(wǎng)絡(luò)空載情況下，可采取優(yōu)化算法的方式來提升MCS值，但最根本的提升手段還是與無線環(huán)境相關(guān)，圖2 為拉網(wǎng)數(shù)據(jù)中MCS 與SINR的對應(yīng)關(guān)系。

4 下載速率提升方法

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，影響下載速率的網(wǎng)絡(luò)側(cè)因素主要為覆蓋、干擾、MCS。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)空載的情況下，PRB調(diào)度數(shù)并非是影響下載速率的主要原因，也與主設(shè)備所采用的相關(guān)調(diào)度算法有關(guān)（可見后續(xù)XX 市室內(nèi)測試案例分析），具備一定的提升空間。覆蓋、干擾、MCS 三者呈因果關(guān)系，即在覆蓋良好且重疊覆蓋度不高、鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配置合理的情況下，可達(dá)到降低干擾的目的（SINR值高），如此使得終端上報(bào)至主設(shè)備的信道條件CQI值高，主設(shè)備根據(jù)CQI值結(jié)合相關(guān)映射算法為終端配置較好的MCS，促使下載速率提升。因此，SINR 與速率有更直接的正向關(guān)系。

表3 TBS_L1~L2

表4 不同網(wǎng)絡(luò)配置的峰值速率

表5 典型數(shù)據(jù)整理

圖1 無線空口質(zhì)量指標(biāo)與下載速率

圖2 拉網(wǎng)數(shù)據(jù)中MCS 與SINR的對應(yīng)關(guān)系

在近期測試中，XX 市室內(nèi)測試有一典型案例——PRB 調(diào)度數(shù)極高，但速率偏低。該測試數(shù)據(jù)可佐證PRB 調(diào)度數(shù)與速率無直接關(guān)系，數(shù)據(jù)見表6。

根據(jù)表6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，下行每秒PRB 調(diào)度數(shù)達(dá)15 萬，已非常接近PRB 調(diào)度數(shù)理論上限值（16 萬），但卻只有7.8 Mbit/s的下載速率。雖然PRB 調(diào)度數(shù)很高，但該室內(nèi)點(diǎn)覆蓋差，干擾強(qiáng)，平均RSRP為-100dBm，SINR 為-5 dB，TM2 占比90%，QPSK 調(diào)制方式占比80%，速率偏低屬于正常現(xiàn)象。在TM2 下，CAT4 終端理論最高速率在45 Mbit/s 左右，而SINR 為-5 dB的正常速率為理論最高速率的20%左右，因此，即使在PRB 調(diào)度接近滿調(diào)度的情況下，平均速率在10 Mbit/s 左右也基本合理。PRB 調(diào)度數(shù)主要與主設(shè)備所采用的調(diào)度算法相關(guān)，在該室內(nèi)點(diǎn)測試中可能為單用戶獨(dú)占小區(qū)全部資源，但這些資源使用得不好，其承載效能因覆蓋、干擾等短板未能達(dá)到最佳。

根據(jù)TD-LTE 下載峰值速率計(jì)算方法對比分析實(shí)測下載速率與峰值速率的差異，以歸納總結(jié)提升下載速率的方法。以XX 市近期測試結(jié)果為例，MCS計(jì)為20（對應(yīng)傳輸塊序號見表7 中深色單元格），空口最大PRB 數(shù)計(jì)為100，根據(jù)相關(guān)3GPP 規(guī)范，普通子幀雙流情況下傳輸塊大小為78 704 bit（單流傳輸塊大小為表8 中深色單元格，其對應(yīng)雙流傳輸塊大小為表9 中深色單元格），特殊子幀雙流情況下傳輸塊大小為59 256 bit（按普通子幀0.75 折算）。

鏈路層吞吐率理論值為：（78 704/1 024）×3/5+（59 256/1 024）×1/5=57.69 Mbit/s。根據(jù)基礎(chǔ)理論鏈路層相對于應(yīng)用層逐層包頭冗余開銷（5%），除去因傳輸塊重傳帶來的開銷近似5%，應(yīng)用層理論速率預(yù)估計(jì)為52 Mbit/s。綜上所述，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用層下載速率最大值與應(yīng)用層理論速率還有很大差距。根據(jù)下載速率與覆蓋、干擾、MCS 和PRB調(diào)度數(shù)之間的關(guān)系，為達(dá)到提升TD-LTE 下載速率目的，可采取以下手段。

（1）覆蓋

合理規(guī)劃建設(shè)覆蓋區(qū)域，優(yōu)化網(wǎng)間互操作參數(shù)配置，減少各類不必要、不合理的互操作過程，相關(guān)案例分析如圖3 所示。

表6 FTP 業(yè)務(wù)KPI 指標(biāo)

表7 對應(yīng)傳輸塊序號

在分析XX 市測試數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)噩F(xiàn)網(wǎng)配置了LTE 系統(tǒng)內(nèi)重定向以實(shí)現(xiàn)異頻互操作，根據(jù)圖3在RRC Release LTE 系統(tǒng)內(nèi)重定向后有短暫的瞬時(shí)速率0（實(shí)線框），而隨后有RRC Reconfiguration LTE 異頻切換瞬時(shí)速率無明顯變化（虛線框）。初步分析：常規(guī)切換具備空口資源接力特性，即原小區(qū)資源在UE 接入目標(biāo)小區(qū)并分配了相關(guān)資源后才釋放，并且相關(guān)信元中具備較多的目標(biāo)小區(qū)參數(shù)，能降低切換時(shí)延，提高切換成功率，而重定向則先切斷原小區(qū)資源，然后指定UE 接入目標(biāo)小區(qū)，在此期間可能會(huì)有業(yè)務(wù)中斷現(xiàn)象。

（2）干擾

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如通過采用異頻組網(wǎng)的方式避免同頻干擾，有效遏制干擾，使得終端上報(bào)至網(wǎng)絡(luò)側(cè)的CQI 有明顯提升，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可向終端配置更高階的MCS，并且當(dāng)?shù)噩F(xiàn)網(wǎng)可精細(xì)化配置A1 閉測門限，使得在單用戶獨(dú)占小區(qū)資源時(shí)，減少主設(shè)備配置不必要的異系統(tǒng)測量GAP，降低對吞吐率的影響。

（3）MCS

優(yōu)化主設(shè)備資源調(diào)度算法，如通過優(yōu)化相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)在終端反饋的CQI 無明顯提升情況下，主設(shè)備向終端配置高階MCS，使得終端具備更大傳輸塊以及更高階調(diào)制解調(diào)方式，以提升下載速率，并結(jié)合相應(yīng)保障手段減少因提高M(jìn)CS 階數(shù)對數(shù)據(jù)傳輸性能造成的影響。

表8 單流傳輸塊大小

表9 對應(yīng)雙流傳輸塊大小

圖3 信令截圖

（4）上層協(xié)議優(yōu)化

如TCP 性能優(yōu)化、高效撥號方式選取等，通過修改TCP 相關(guān)參數(shù)，如Socket 緩沖區(qū)大小，快速重傳以及在主設(shè)備配置TCP 優(yōu)化相關(guān)功能點(diǎn)，如TCP代理功能等，減少TCP 交互時(shí)延，提高TCP 傳輸性能；或選用更為高效的撥號方式（虛擬網(wǎng)卡撥號方式），避免傳統(tǒng)PPP 撥號方式逐字節(jié)檢測的處理過程，有效降低終端處理器負(fù)荷，使得終端快速反饋ACK 至上層，降低傳輸層交互時(shí)延。

5 結(jié)束語

目前TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已初具規(guī)模，對現(xiàn)網(wǎng)的優(yōu)化工作變得日益重要，本文將影響TD-LTE 下載速率的各因素進(jìn)行了歸納總結(jié)，并從基礎(chǔ)理論和相關(guān)協(xié)議兩方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對拉網(wǎng)測試數(shù)據(jù)與無線側(cè)各參數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合具體案例分析并提出了提升下載速率的措施，涵蓋覆蓋、干擾、資源調(diào)度以及傳輸層性能等方法，為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量的改善提出了可優(yōu)化整改的方向。

1 3GPP TS 36.101 V10.6.0.User Equipment（UE）Radio Transmission and Reception（Release 10）[S].2012.

2 王天順.互調(diào)干擾研究[J].航空電子技術(shù),1997.12.

3 BEHZAD R.RF Microelectronics[M].Prentice Hall,2011.

4 3GPP TS 36.104 V10.6.0.Base Station（BS） Radio Transmission and Reception（Release 10）[S].2012.

5 石鑫俊.LTE 系統(tǒng)信道估計(jì)算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2011.

6 郭瑞龍.LTE 系統(tǒng)覆蓋性能的研究[D].內(nèi)蒙古大學(xué),2012.