TD-LTE物理层上下行理论峰值速率计算分析

李婷

（福建工程学院 国脉信息学院， 福建 福州 350004）

TD-LTE物理层上下行理论峰值速率计算分析

李婷

（福建工程学院 国脉信息学院， 福建 福州 350004）

通过分析TD-LTE的帧结构，结合TD-LTE上下行链路的信道定义，分析了TD-LTE物理层上下行理论峰值速率的计算方法.计算得出不同子帧配比时的具体数值，进而说明TDD比FDD在速率调整上更具灵活性和优势.

TD-LTE；理论速率；帧结构；开销

1 引言

随着工信部4G牌照的发放，中国大陆也进入了全面铺开4G网络的进程，TD-LTE的应用热潮将随之而至.关于TD-LTE的相关技术必然被越来越多的业内人士所关注和提及.在众多的讨论声中，不论专业人士还是普通用户最多提及的一个技术词汇就是TD-LTE能够达到的最大速率，即峰值速率.

实际应用中由于系统配置不同、无线环境变化、使用终端型号等因素影响，峰值速率是会变化的值，只能给出下行100Mbps以上，上行 50Mbps以上的大致范围而无法给出一个确定数据.但理论上，针对不同的系统配置，在不考虑无线环境的不良影响时，TD-LTE的物理层上下行峰值速率是可以计算的，即为定值.

2 TD-LTE 无线帧结构

一个 10ms的 TDD无线帧由两个 5ms的半帧构成.每个半帧由8个常规时隙（长度相同，共4ms）和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙（长度可配置，总长度为1ms）构成[1].TDD每个特殊子帧会作为下行到上行的转换点，在[1]中7种分配策略里，子帧6是否含有特殊时隙对应上下行子帧切换点周期为5ms或是10ms.

3 上下行链路开销分析

普通子帧的下行链路开销由下行共享信道（PDSCH）的控制信息、下行同步信号、下行参考信号（本文仅涉及到其中的 CRS）、物理广播信道（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）这些用于承载非业务数据资源在普通子帧上占用资源粒子（RE）资源粒子（RE）构成的.

上行链路开销则由物理随机接入信道（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构成.[1]

因此，上下行链路开销占用的 RE总数即为以上上下行非业务数据所占的RE数总和.

4 理论峰值计算分析

物理层吞吐量取决于MAC层调度选择的传输块大小（TBS），理论峰值吞吐率就是在一定条件下计算可以选择的最大 TBS.TBS由资源块（RB）数和调制编码方式（MCS）的阶数查表得到，具体计算思路如下：

（1）针对每个子帧计算可用的 RE数：可用 RE数 =信道占用RE数－每个子帧里非业务数据资源占用的开销；

（2）计算每个子帧 RE可携带的比特数：可携带比特数=可用 RE数×调制系数（在此选择最大的调制阶数 6，对应的编码方式为 64QAM）；

（3）依据可用的 RB数选择满足编码效率（CR，由于 CFI限制，编码效率最大为 0.93）的 TBS，由 CR=TBS/可携带比特数，得到 TBS=可携带比特数×CR，当 CR=0.93时 TBS取得最大值；

（4）根据时隙配比累加各个子帧的 TBS（若为双码字则将结果乘以 2），计算出最终吞吐率即为峰值速率.另外由于每个半帧有 5个子帧，每个子帧 1000bit得到峰值速率的计算公式为：

以 20MHz带宽（此时物理资源最多为 100RB，每个 RB含 12个子载波），2×2MIMO，子帧配比 1（DL：UL=1:1），特殊子帧配比 7（10:2:2，符号数为 14），PDCCH和 PBCH各 1符号，编码方式 64QAM为例进行计算：

根据表1，下行子帧有：0、1、4、5、6、9.分别计算各子帧的 TBS：

子帧 0：可用 RE=（（（符号数 -PDCCH-PBCH-同步信号）*每 RB子载波数 -CRS）*6RB+（（符号数 -PDCCH）*每RB子载波数 -CRS）*剩余 RB数）*调制系数 =（（（14-1-4-1）*12-8）*6+（（14-1）*12-12）*（100-6））*6=84384＞75376（100RB对应的 TBS），因此 TBS选择 75376（MCS28）.

子帧 1：可用 RE=（（（符号数 -PDCCH-主同步）*每 RB子载波数 -CRS）*6RB+（（符号数 -PDCCH）*每 RB子载波数-CRS）*剩 余 RB数）*调 制 系 数 =（（（10-1-1）*12-8）*6+（（10-1）*12-8）*（100-6））*6=59568，TBS选择 55056（MCS24）.

子帧 4：可用 RE=（（（符号数 -PDCCH）*每 RB子载波数 -CRS）*总 RB数）*调制系数 =（（（14-1）*12-12）*100）*6=86400，TBS选择 75376（MCS28）.

子帧 5：可用 RE=（（（符号数 -PDCCH–辅同步）*每RB子载波数 -CRS）*6RB+（（符号数 -PDCCH）*每 RB子载波数 -CRS）*剩余 RB数）*调制系数 =（（（14-1-1）*12-12）*6+（（14-1）*12-12）*（100-6））*6=85968，TBS选 择 75376（MCS28）.

子帧6和子帧9分别与子帧1和子帧4计算方法相同.

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

同样以 PUCCH 16RB，PRACH周期为 5ms为例计算，上行子帧有 2、3、7、8，假设 PRACH在子帧 3和子帧 8：

子帧 2：可用 RE=（（符号数 -DMRS）*每 RB子载波数*（总 RB数 -PUCCH））*调制系数 =（（14-2）*12*（100-16））*6=72576，TBS选择 61664（MCS28）；

子帧 3：可用 RE=（（符号数 -DMRS）*每 RB子载波数*（总 RB数 -PUCCH-PRACH））*调制系数 =（（14-2）*12*（100-16-6））*6=67392，TBS选择 57336（MCS28）；

子帧7和子帧8分别与子帧2和子帧3计算方法相同.

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

按以上方法分别计算 20MHz带宽时不同子帧配比、不同特殊子帧配比以及 PRACH周期时的单小区物理上下行理论峰值速率,用户的峰值速率还受到终端设备类型的影响，LTE协议中规定了不同类型终端的最大吞吐量，见表1终端类型为 CAT3，CAT4，CAT5时的上下行理论峰值速率：

5 总结

本文通过分析 TD-LTE的帧结构和链路开销，得到计算 TD-LTE物理层理论峰值的方法，进而得到如表1所示的结果.可以看出 TDD可以根据不同的子帧和特殊子帧的配比对上下行峰值速率进行调整.FDD的一个无线帧为长度 10ms而没有再细分成长度为 5ms的半帧且其帧结构中不包含 TDD特殊子帧所含有的 DwPTS、GP和 UpPTS三个特殊时隙，因此 FDD的上下行峰值速率不能通过帧配比来进行.可见，TD-LTE在速率上更能够满足不同业务的需求，应用更加灵活也更具优势.

表1 单用户理论峰值速率

〔1〕易睿得，赵治，等.LTE 系统原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.144～170.

〔2〕3GPP TS 36.213 V8.6.0(2009-03). 第三代合作 伙伴计划(3GPP)物理层协议，2009.

〔3〕康海欢.TD-LTE 物理层下行理论峰值速率分析[J].互联网天地，2013（5）：28～31.

〔4〕朱震海，张真桢，等.TD-LTE 链路开销及峰值速率探讨[J].电信工程技术与标准化，2012（7）：69～73.

TN929.5

A

1673-260X（2014）08-0024-02

（JB13376）LTE 网络无线性能分析与性能优化研究，批文号：闽科教[2013]46 号