TD-LTE各種上下行配置的性能比較?

呂星哉，陳崢，史聃，蔣智寧

TD-LTE各種上下行配置的性能比較?

呂星哉，陳崢，史聃，蔣智寧

（上海貝爾股份有限公司，上海201206）

TD-LTE是我國擁有核心自主知識產權的下一代無線通信技術標準，共有7種不同的上下行配置，以靈活支持不同的上下行業務需求。通過研究不同上下行配置對應的各種時序，得出不同上下行配置對上下行時延的影響。通過分析在不同上下行配置下信道質量反饋、上行探測信號、混合自適應重傳等技術的配置，研究了不同上下行配置對上下行吞吐量及頻譜效率的影響。同時利用系統仿真驗證了以上分析結果，給出了不同上下行配置性能下時延、吞吐量、頻譜效率性能。研究結果為不同業務和組網要求下上下行配置的選擇提供了參考依據。

無線通信；TD-LTE；上下行配置；包時延；吞吐量

1 引言

LTE技術是3GPP組織制定的下一代無線通信技術標準［1，2］，其雙工方式主要有兩大類，一類為頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD），另一類為時分雙工（Time Division Duplex，TDD）。使用TDD的LTE系統又被稱為TD-LTE系統，是我國擁有核心自主知識產權的通信技術標準，可與TD-SCDMA共存［3］，并可以兼容LTE-A的后續技術演進［4］。在3GPP協議中幀格式2對應于TD-LTE系統，并分為7種不同的上下行和特殊子幀的配置，TDLTE系統可以采用其中任何一種配置組合以適應不同的上下行業務需求［5］。不同上下行配置有不同的UE測量匯報的周期、混合自動重發請求（Hybrid Automatic Repeat-reQuest，HARQ）的往返時延（Round Trip Time，RTT）［6］，以及保護間隔等的開銷。這些因素進而會影響上下行的吞吐量、頻譜效率，以及包的時延等無線網絡的關鍵性能指標。因此，本文從時延和頻譜效率兩方面研究TD-LTE系統的不同上下行配置對各種關鍵性能指標的影響，以作為實際中布網和參數配置的參考。

2 TD-LTE的幀格式

文獻［5］中定義了TD-LTE的幀格式，如圖1所示。

TD-LTE中一個無線幀的幀長為10ms，分為10個1ms的子幀，每個子幀又分為兩個0.5ms的時隙。除上下行子幀外，還設計了特殊子幀作為TDD系統上下行傳輸的切換點。特殊子幀由下行導頻時隙、保護間隔和上行導頻時隙三部分組成，其中下行導頻時隙在某些特殊子幀配置下可以發送數據，而保護間隔及上行導頻時隙則不能發送數據。

TD-LTE幀格式分為如表1中所示的7種配置，其中上下行切換點分為5ms周期和10ms周期兩種配置，在1個無線幀中，分別有兩個和1個特殊子幀。

3 不同上下行配置下的時延

3.1 上行時延

上行的包時延可以定義為用戶設備（User E-quipment，UE）的無線協議層從應用層收到一個包并轉發，到eNB（evolved Node B）端向網絡側轉發此包間的時間間隔，其具體的時延計算如下式：

式中，TUL-Delay為上行包的總時延，可以分解為多個部分的時延之和；TApp，UE為UE應用層將包傳輸到UE無線協議層的時延；TUE，PDCP為UE的PDCP層處理數據所花費的時間；TWait-SR為UE等待調度請求（Scheduling Request，SR）所用的時間；TSR是SR在空口上傳輸的時間，為1ms；TeNB，SR為eNB處理SR信號的時間；TeNB，SCH為eNB運行調度器分配上行資源所需要的時間；TWait-PDCCH為eNB等待能傳送分配上行資源信令的PDCCH分配機會所需的時間；TPDCCH為PDCCH在空口上傳輸所需的時間，為1ms；TWait-PUSCH為UE收到PDCCH的資源分配信令后，等待對應的PUSCH所需的時間；TPUSCH為PUSCH在空口上傳輸所需的時間，為1ms；N為PUSCH的重傳次數，TUL，RTT為上行重傳的往返時延；TeNB，RxD為eNB無線協議層數據面處理接收數據所需要的時間；TeNB，net為eNB的無線協議層將包轉發到網絡側所需的時延。

在式（1）的各時延中，不同上下行配置影響的時延為T Wait-SR、T Wait-PDCCH和T Wait-PUSCH。SR的周期會影響TWait-SR。在10ms上下行轉換點的配置下，無法配置SR的周期為5ms，只能配置為10ms。在5ms周期下，平均等待時間為3ms；在10ms周期下，平均等待時間則為5.5ms。TWait-PDCCH、TWait-PUSCH

則與10ms無線幀內上行子幀個數有關。對于上行子幀較少的配置，這兩個時延較大，對時延敏感的突發業務會有較大影響。

3.2 下行時延

下行的包時延可以定義為eNB的無線協議層從網絡側收到一個包并轉發，到UE的應用層收到此包間的時間間隔，其具體的時延為

式中，Tnet，eNB是eNB從網絡側的收包時延；TeNB，SCH是eNB調度數據分配資源需要的時間；TeNB，TxD為eNB無線協議層數據面處理發送數據所需要的時間；TWait-PDSCH為等待下行發送機會的時間；TPDSCH為PDSCH信道在空口上傳輸的時延，為1ms；N為重傳次數；TDL，RTT為上行重傳的往返時延；TUE，PDSCH為UE物理層接收PDSCH數據所需的時延；TUE，RXD為UE無線協議層數據面處理接收數據所需要的時間；TUE，App為UE無線協議層向其應用層轉發包所需的時間。

式（2）的各時延中，不同上下行配置影響的部分為TWait-PDSCH和TDL，RTT。對于下行子幀較多的配置，TWait-PDSCH會比較小，而在上下行比較平衡的配置中，TDL，RTT比較小，否則較大。同時可見，由于發送SR需要時間，上行時延一般大于下行時延。

4 不同上下行配置下的吞吐量

4.1 下行吞吐量和頻譜效率

下行的吞吐量受以下幾個因素的影響。

（1）下行子幀的個數

具有更多下行子幀和特殊子幀個數的配置將擁有更大的下行吞吐量。

（2）CQI（Channel Quality Indication）匯報的延時

CQI是UE反饋給eNB的下行信道質量信息指示，10ms上下行轉換點配置中，CQI匯報的周期只能是｛1，10，20，40，80，160｝ms的配置，而缺少5 ms的配置。1ms配置由于匯報的是連續的下行子幀上的信道質量，開銷大且增益不大，而即使采用非周期CQI匯報，10ms時隙轉換點也無法以5ms的間隔上報CQI，因此對速度較高的UE的性能有一定的影響。

（3）SRS（Sounding Reference Signal）發送周期

對下行而言，SRS的作用是利用信道的互易性估計出波束賦形的權重。在10ms上下行轉換點配置中，SRS信號只能以10ms為周期發送，因此高速的UE的下行波束賦形性能會有較大損失。

（4）HARQ性能

10 ms上下行轉換點相對而言會引入更大的HARQ時延，重傳的間隔時間較長。更長的重傳間隔使兩次重傳間的無線信道更加不相關，在某些信道衰落條件下能夠帶來較好的時間分集增益，提升吞吐量。但是付出的代價是時延更大。

（5）ACK／NACK綁定

由于在某些配置下，上行子幀數小于下行子幀數。需要將多個下行幀和傳輸塊上對應的多個ACK／NACK反饋進行綁定，返回一個單獨的ACK／NACK。這樣，則這多個傳輸塊中任何一個出錯，都需全部重傳，從而造成資源的浪費，降低吞吐量。

下行頻譜效率SDL的計算公式為

式中，RDL為下行吞吐量，B為系統帶寬，TD-SF、TDWPTS、TU-SF、TUPPTS分別代表一個無線幀中下行子幀、下行導頻時隙、上行子幀、上行導頻時隙所占用的時間。注意到，特殊子幀會降低頻譜效率，因此在相同的吞吐量下，5ms上下行轉換點因1個無線幀內有兩個特殊子幀，其頻譜效率會小于10ms上下行轉換點。

4.2 上行吞吐量和頻譜效率

上行的吞吐量受以下幾個因素的影響。

（1）上行子幀的個數

具有更多上行子幀個數的配置將擁有更大的下行吞吐量。

（2）SRS發送周期

在上行，SRS一般用于功率控制及頻率選擇性調度。而與下行類似，10ms上下行轉換點配置中，SRS信號也只能以10ms為周期發送，從而會影響高速的UE的上行性能。

上行頻譜效率SUL的計算公式為

式中，RUL為下行吞吐量，其余變量含義同式（3）。同樣，特殊子幀也會降低上行頻譜效率。

5 數值結果

對不同的TD-LTE系統的上下行配置，通過系統仿真來驗證性能。仿真采用的網絡結構為：使用19個基站，共57個小區，基站間的距離設置為500m。每個小區有20個用戶。信道模型使用SCME［7］模型，其陰影衰落設置為8 dB。仿真中使用的系統帶寬設置為10 MHz，基站端配置8天線，用戶端配置兩天線。用戶的運動速度設置為3 km／h。下行傳輸模式采用雙流波束賦形，上行則使用最大比合并接收機接收。仿真中對CQI、Sounding參考信號與SR機會的周期配置不同。5ms上下行切換點的配置，如上下行配置0、1、2、6設置為5ms，其余10ms切換點配置設置為10ms，特殊子幀一致都設定為配置7。

由第3節中的分析可知，上行時延一般大于下行時延，是系統時延的瓶頸，因此此處主要驗證上行時延的性能。圖2為不同上下行配置的上行包的平均時延。由圖可見，上下行配置1擁有最小的上行平均時延，其原因是上下行配置1的上下切換點為5ms，而且上下行資源配置比較均衡。同時除上下行配置6以外，10ms切換點的配置的時延一般大于5ms的時延，原因如第3節中的分析。另外，在相同上下行切換點周期下，上下行資源均衡的配置的時延要小于上下行資源比例差異較大的配置的時延。

圖3給出了不同上下行配置下的吞吐量，圖4則為不同上下行配置下的頻譜效率。從圖中可見，配置5能提供最大的下行吞吐量，適用于上行業務較少而下行負載重的場景；而配置0能提供最大的上行吞吐量，這是由這兩種配置分給上下行的無線資源決定的；而配置0、1、6能提供較為均衡的上下行吞吐量，適用于上下行業務量對等的場景。

從頻譜效率看，下行在各個不同的配置下頻譜效率均較為一致，都在1.9 bit／s·Hz-1左右，而10ms切換點配置的下行頻譜效率會稍稍高于5ms切換點配置的下行頻譜效率。這是因為一個無線幀內特殊子幀只有1個，其頻譜效率會提高。雖然根據第4節中的分析，CQI周期設置會提高5ms切換點配置的下行頻譜效率，但是在此仿真中，用戶的運動速度較慢，因此CQI延時并不顯著影響eNB端對無線信道和干擾衰落情況的跟蹤。

各個上下行配置的上行頻譜效率在1.4～1.58之間，都低于下行頻譜效率。原因有兩個，一是下行可以采用雙流傳輸，實現在同一個時頻資源上空分復用；二是在特殊子幀的下行導頻時隙，eNB可以傳輸下行數據，而上行導頻時隙，UE不能傳輸上行數據。因此特殊子幀對上行頻譜效率的影響要甚于下行。從圖4中可見，基本上各配置中上行子幀數與特殊子幀的比值決定了上行頻譜效率大小。此時用戶運動較慢，Sounding RS發送周期的影響很小。

在多小區系統中，鄰小區干擾是影響容量的最大因素，通過文獻［8，9］中的干擾抑制技術，可以進一步提升系統吞吐量和頻譜效率。

6 結論

本文比較了TD-LTE系統中不同上下行配置下的包時延、吞吐量和頻譜效率，分析了不同上下行配置中性能差異的原因及其適用的范圍。通過分析及仿真發現，5ms切換點的上下行配置在時延方面具有優勢，10ms切換點的上下行配置在頻譜效率上具有優勢；上下行資源平衡的配置在時延方面會比下行資源占優勢的配置時延更小，而上行的頻譜效率相對下行在不同配置下差異更大。

［1］Stefania Sesia，Issam Toufik，Matthew Baker.LTE，TheUMTSLong Term Evolution：From Theory to Practice［M］. New York：JohnWiley＆Sons，2009.

［2］沈嘉.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

SHEN Jia.3GPPLong Term Evolution：Principle and System Design［M］.Beijing：People′s Posts＆Telecommunications Press，2008.（in Chinese）

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［4］Pennanen H，Haataja T，Leinonen J，et al.System level evaluation of TDD based LTE-Advanced MIMO-OFDMA systems［C］／／Proceedings of 2010 IEEE GLOBALCOM Workshops.Miami，FL：IEEE，2010：809-813.

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LV Xing-zai was born in Yongkang，Zhejiang Province，in 1983.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2009.He isnow a system senior engineer in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research interests include radio resource management，multi-antenna technology in LTE system.

Email：xingzai.a.lv＠alcatel-sbell.com.cn

陳崢（1975—），男，江蘇南京人，2007年獲中國科學技術大學通信與信息系統專業博士學位，現為上海貝爾股份有限公司高級軟件工程師，主要從事LTE eNodeB產品的設計和開發工作；

CHEN Zhengwasborn in Nanjing，Jiangsu Province，in 1975. He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2007.He is now a senior software engineer in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research concerns design and implementation of LTE eNodeBs.

史聃（1981—），男，江蘇徐州人，2008年獲中國科學技術大學通信與信息系統專業博士學位，現為上海貝爾股份有限公司系統高級工程師，主要研究方向為無線通信系統功放數字預失真技術；

SHIDan was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1981.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2008.He is now a system senior engineer in Alcatel -Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research concerns digital pre-distortion technology in wireless communication system.

蔣智寧（1976—），男，湖南人，2000年獲中國科學技術大學通信與信息系統專業碩士學位，現為上海貝爾股份有限公司無線產品部系統設計顧問工程師，主要研究方向為移動通信基站系統的算法設計與仿真。

JIANG Zhi-ningwasborn in Hunan Province，in 1976.He received the M.S.degree from University of Science and Technology of China in 2000.He is currently working for Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.as a system advisory engineer in wireless R＆D Department.His research interests include algorithm design and simulation ofmobile communication systems.

Com parison of Different UL-DL Configurations of TD-LTE

LVXing-zai，CHEN Zheng，SHIDan，JIANG Zhi-ning
（Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.，Shanghai201206，China）

TD-LTE（Time Duplex-Long Term Evolution）is the next generation ofwireless communication standard，on which China has independent kernel intellectual property rights.It defines 7 different UL-DL（Uplink-Downlink）configurations to flexibly supportdifferent traffic requirements in uplink and downlink.By studying the timing of different UL-DL configurations，the impact of differentUL-DL configurations on the UL and DL delay is given.The impacts on the throughputand spectral efficiency of differentUL-DL configurations are also proposed by analysing the configuration of channel quality feedback，sounding reference signal transmission and hybrid transmission of different UL-DL configurations.The analysis result is verified by system level simulation and the actual delay，throughput and spectral efficiency of different UL-DL configurations are given，which provides a reference for the selection of UL-DL configuration under specific traffic and networking requirements.

wireless communication；TD-LTE；UL-DL configuration；packet delay；throughput

The National Science＆Technology Major Project（2010ZX03002-003）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.001

呂星哉（1983—），男，浙江永康人，2009年獲中國科學技術大學通信與信息系統專業博士學位，現為上海貝爾股份有限公司系統高級工程師，主要研究方向為無線資源管理、多天線技術；

1001-893X（2011）10-0001-05

2011-06-10；

2011-09-06

國家科技重大專項資助項目（2010ZX03002-003）