TD-LTE下行峰值吞吐量分析与计算

王力男，李 昶，王永超

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.中国移动通信集团河北有限公司，河北石家庄050035)

0 引言

在中国移动TD-LTE系统网络中，考虑到与TDSCDMA的邻频共存的问题，通常采用2种TD-LTE配置:上下行子帧配比类别1(即2∶2)，特殊子帧配比类别7(即10∶2∶2);上下行子帧配比类别2(即3∶1)，特殊子帧配比类别5(即3∶9∶2)。

上述配置情况下，可获取的上/下行峰值吞吐量差异很大。实际测试中，峰值吞吐量除了受到上述时隙配置的影响外，还受到无线环境、测试终端以及参数设置等因素的影响。那么，明确这些因素对测试结果的影响大小，并了解其排除和优化方法，对未来的TD-LTE网络维护和优化工作具有重要意义。

理想条件下，单用户所能达到的最大数据速率称为系统峰值吞吐量。LTE系统中，最值得关注的是物理层吞吐量和MAC层吞吐量。物理层吞吐量可以采用开销分析法来计算，但是不够精确。实际测试中，MAC层吞吐量是根据MS上报的CQI信息来获取的，它能够体现无线环境和调度算法的影响。因此，采用MAC层吞吐量来进行计算较为准确。本文着重分析MAC层吞吐量影响因素，通过举例给出了详细的吞吐量计算方法，提供了实验网测试结果来证明文中的结论，对系统设计以及系统现场性能测试、分析和对比工作有较大的帮助。

1 MAC层峰值吞吐量相关原理

LTE中上/下行调度算法在MAC层实现。eNodeB MAC子层的MAC调度器负责LTE空口上下行方向上的调度传输。下行方向上，eNodeB根据UE上报的CQI信息选择合适的编码策略(MCS)以及传输块大小(TBS)，并结合资源利用情况来给用户分配PRB。MCS、PRB数以及TBS大小三者之间相互作用，共同决定了用户可获取的吞吐量［1－8］。

UE首先对无线信道质量如SINR进行测量，并将测量值转换为相应的CQI，然后发送CQI报告到eNodeB。eNodeB中采用链路适配算法，根据CQI信息来选择最有效的调制和MCS。

不同CQI索引值意味着特定调制方式和特定码率(即信息比特与总比特数的比值)的组合，从而对应于不同的传输效率。系统规定有效的CQI索引值为 1～15，其中 CQI索引 1的频谱效率=0.152 3，只用于PDCCH。

UE上报CQI的目的是为了让系统侧根据无线状况选择合适的下行MCS。LTE中上下行规定了32种 MCS格式，分别对应于 QPSK、16QAM和64QAM等特定的调制方式和码率，其对应的调制阶数分别为2/4/6。下行方向上这3种调制方式都支持，而上行方向上64QAM为可选项。距离eNodeB远的用户SINR值低，可以使用更可靠的调制方式比如QPSK;距离eNodeB近的用户SINR高，对调制方式的可靠性要求低，所以可以采用64QAM或者16QAM。因此，链路适配算法中，为每种MCS设定一个特定的SINR门限，eNodeB将UE上报的CQI值转换为SINR值，再根据MCS所对应的SINR门限就可以获取下行可用MCS。

TS36.213规定，TBS大小由PRB数目与TBS序号共同决定，而MCS序号与TBS序号之间存在一定的对应关系，如表1所示。故系统确定MCS之后，还需要根据资源利用状况来分配PRB，随后就可以获取传输所使用的TBS大小。TBS大小表示调度周期1 ms之内所传送的数据块大小，因此用户可获取的速率也可以相应地计算出来。

表1 MCS与TBS之间的关系

2 MAC层峰值吞吐量影响因素

2．1 带宽

LTE中，采用资源单元(RE)作为时频资源的最小表示单位，采用资源块(RB)作为调度的最小单位。RE时域上为一个符号，频域上为一个子载波，带宽为15 kHz。正常循环前缀(CP)条件下，RB为12个子载波和7个符号数的组合，频域宽度 180 kHz，时域长度占 1 个时隙，为 0．5 ms［9－12］。由此可见，带宽不同，所包含的子载波数和可用RB数也有区别，从而其所能提供的峰值速率也有较大差异。

2．2 帧结构

TD-LTE支持7种上下行常规子帧配比和9种特殊子帧配比。常规子帧和特殊子帧的配比不同的情况下，上行和下行可用资源数差别很大，从而对上下行吞吐量造成很大影响。

TD-LTE上下行时隙配置如表2所示。其中，“D”代表此子帧用于下行传输，“U”代表此子帧用于上行传输，“S”是由DwPTS、GP和UpPTS组成的特殊子帧。

表2 TD-LTE上下行时隙配置

TD-LTE特殊子帧共有9种，如表3所示。其中，下行DwPTS可用于传送数据，所以会对吞吐量产生影响。DwPTS对容量的影响取决于特殊子帧中符号的比例。

表3 TD-LTE特殊时隙配置

特殊子帧的总长度为14个符号，假设其中DwPTS为12个符号，GP与UpPTS为2个符号(这是GP与UpPTS之和的最小值)。以DL/UL资源配置类别1为例，它包含4个下行子帧和2个特殊帧，另外3GPP规定，特殊子帧需要按照0.75个PRB进行折算，因此总的有效下行子帧数为4+2*12/14*0.75=5.28。

需要注意的是，特殊子帧为5时，根据3GPP规定，DwPTS不能用于传送下行数据。

2．3 有效信道码率

有效码率为下行信息比特数(包括CRC比特)除以PDSCH物理信道比特数。根据3GPP TS36.213的规定，如果下行有效码率超过0.930，则UE在初始传送时，可以忽略对传输块的解码。有效码率等于(TBS+24)/(PRB中有效RE数)，其中，24表示CRC比特，PRB中有效RE数表示需要去除PDCCH符号、BCH、SCH以及参考信号的开销。

PDCCH承载下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)，包括用于下行和上行数据传输的调度信息和上行功率控制信息等。PDCCH在每1 ms子帧中占用1～3个符号，相应的开销如表4所示(表中RE总数的单位均为每个子帧中的RE)。PDCCH符号数对码率的影响较大，如果PDCCH符号数设置过大，则有效码率降低，系统不得不调整TBS，从而对最终吞吐量造成影响。

表4 PDCCH开销

例如，PDCCH符号数目配置为3时，物理层开销增加，有效码率可能会超过0.93，从而需要降低MCS或者PRB数目来获取合适的TBS大小，从而对峰值吞吐量产生影响。不同PDCCH符号数的影响计算举例如下。

假设MCS=28，PRB=100，则根据 MCS与 TBS对应关系可知，TBS编号为26，故对应的TBS大小为75 376 bit，加上24 bit CRC之后为75 400 bit。

当PDCCH符号数为3(即 CFI=3)时，100个PRB中RE数为:(14符号/子帧)*(100*12 RE/符号)=16 800RE/子帧;CFI所占用的 RE数:16 800－(3*(100*12))=13 200 RE/子帧;假定采用64QAM，则物理层比特数为:6*13 200=79 200 bit/子帧;则码率为75 400/79 200=0．952，大于0.930，因此需要调整PRB和MCS组合，降低TBS。

当PDCCH符号数为1(即CFI=1)时，同理计算出码率为75 400/93 600=0.806，小于0.930，故无需调整MCS和PRB，可以使用75 376的TBS。

由此可见，峰值吞吐量测试工作中，需要考虑PDCCH符号数的设置和影响。

2．4 终端类型

计算峰值吞吐量时，还需要考虑终端特性。如果终端不能支持最大TBS，则上下行峰值吞吐量会受到限制。不同终端类别所支持的最大TBS如表5所示，列出了在一个DL-SCH TTI内，UE分别在2个和单个TB上能够接收的DL-SCH传输块的最大比特数。表5中，Cat3终端所支持的单码字最大TBS为51 024，不能达到最大75 376，故下行峰值吞吐量会受到限制。

表5 LTE终端特性

3 MAC层峰值吞吐量计算举例

根据以上分析，MAC层峰值吞吐量可以根据MCS、TBS以及PRB这三者之间的关系来计算。

下面举例说明中国移动网络中不同时隙配比所能提供的下行峰值吞吐量理论值。

假设系统带宽为20 MHz，可用PRB数为100，如果系统采用最大MCS索引28，如表1所示，则其对应的TBS索引为26。

TBS索引号为26时，100个PRB所对应的TBS为75 376，即1个 TTI中(即1 ms)传输75 376 bit，如表6所示。

表6 传输块大小

3．1 1/7 配比(即 2∶2/10∶2∶2)

假设TD-LTE下，上下行信道配置类型为1(即10 ms周期内 DL∶UL∶S=4 ∶4 ∶2)，特殊子帧配置类型为 7(即 10∶2∶2方式)。

子帧中下行控制信道占用3个符号，传输天线数为1，则将DwPTS折合后，10 ms周期内总下行有效信道数为:

4+(14－4)/14*2=5.07。

所以10 ms内的下行速率是:

75 376*5.07=382 264 bit。

扩展到1 s，下行速率是:

382 264*100=38.3 Mbps。

按照单流的速率来查双流的速率。单流的速率75 376所对应的双流速率为149 776。按照和单流是一样的方法，得到TD-LTE的峰值速率(2∶2配比)为:

149 776*5．07*100=75．9 Mbps。

实际无线环境下，数据传送过程中可能存在丢包和误码，从而需要进行重传。因此，最大保持速率需要在峰值速率的基础上去除丢包和重传的影响。

3．2 2/5 配比(即 3∶1/3∶9∶2)

根据规范要求，特殊子帧5(即3∶9∶2)中的Dw-PTS中不能传送下行数据。

上下行时隙配比是1∶3，则一个5 ms的TD-LTE半帧里有3个下行时隙。所以5 ms内的下行速率为149 776*3=449 328 bit。

扩展到 1 s，则下行速率为:449 328*200=89 865 600 bit=89.9 Mbps。3．3 UE Cat3/4 结果对比

上述计算结果中，单码字 TBS采用最大值75 376。对于Cat3终端来说，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终端所能达到的速率只有51.7 Mbps左右;2/5配比下，Cat3终端所能达到的速率只有55.4 Mbps左右。

4 下行峰值吞吐量测试结果举例

实验网测试中，PDCCH符号数采用不同配置，并且分别采用Cat3和Cat4终端进行测试对比，可以明显看出参数设置与终端类型带来的性能差异。

4．1 PDCCH符号数(CFI参数)的影响

采用 3∶1和 3∶9 ∶2配置，并分别配置 PDCCH 符号数为1或者3，Cat4终端测试结果如表7所示。

表7 CFI配置对吞吐量的影响

可以看到，配置CFI=3时，系统开销增加，导致码率可能超过0.93，因此需要相应地降低MCS或者PRB数，进而降低TBS来满足码率小于0.93的要求。表7中，相对于CFI=1来说，CFI=3的MCS降低值为1，PRB数降低3个，TBS从72 653降低为63 284，从而导致吞吐量降低约15%。

4．2 终端级别的影响

设置CFI=3，对比Cat3和Cat4的测试结果，如表8所示。

表8 UE特性对吞吐量的影响

可以看到，采用Cat4测试终端时，TBS平均值为63 776，而 Cat3终端可以得到的 TBS均值只有43 816，从而吞吐量降低约30%。

5 结束语

TD-LTE系统针对不同的应用环境有不同的时隙配比类型，不同的配比类型所能达到的系统峰值吞吐量有所不同。针对中国移动TD-LTE网络中2种不同配比类型得到了不同的吞吐量的计算结果，并与实验网的测试结果进行对比，结果表明理论计算与实际测试基本一致，因此提出的计算方法可以精确地得到系统的峰值吞吐量。对TD-LTE系统设计，以及系统现场性能测试、分析和对比工作有较大帮助。

［1］ 3GPP TS 36．213．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures［S］，2009．

［2］ 3GPPTS36．306．Evolved UniversalTerrestrialRadio Access(E-UTRA);User Equipment(UE)Radio Access Capabilities［S］，2011．

［3］ 3GPP TR25．913．Requirements for Evolved UTRA(EUTRA)and Evolved UTRAN(E-UTRAN)［S］，2009．

［4］ 3GPP R1-072578．Summary of Downlink Performance Evaluation［S］，2007．

［5］ 张 浩，师彦静，蒋 毅．TD-LTE中MBSFN动态区域配置研究［J］．无线电通信技术，2013，39(5):6－10．

［6］ 李 青．TD-LTE系统 PCI规划方法研究［J］．无线电通信技术，2013，39(5):66－67．

［7］ 杨桂芹，胡 滢，赵春和．3GPP LTE中基于 HARQ技术的吞吐量性能研究［J］．无线电工程，2013，43(4):48－50．

［8］ 肖清华，毛卓华，凌文杰，等．TD-LTE容量能力综合分析［J］．邮电设计技术，2012(4):36－40．

［9］ 陈书贞，张 旋，王珏镇，等．LTE关键技术与无线性能(第一版)［M］．北京:机械工业出版社，2012:5－10．

［10］张新程，田 韬，周晓津，等．LTE空中接口技术与性能(第一版)［M］．北京:人民邮电出版社，2007:28－30．

［11］沈 嘉，索士强，全海洋，等．3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计［M］．北京:人民邮电出版社，2008:247－249．

［12］王映民，孙韶辉．TD-LTE技术原理与系统设计［M］．北京:人民邮电出版社，2010:88－90．