TD-LTE鏈路開銷及峰值速率探討

朱震海，張真楨，陸清清

（1 中國移動通信集團設計院有限公司浙江分公司，杭州 310012；2 中國移動通信集團浙江有限公司杭州分公司，杭州310015）

1 概述

LTE（Long Term Evolution）是UMTS的長期演進，是準4G的技術。關于TD-LTE 20MHz帶寬的理論峰值速率（本文討論的都是20MHz帶寬），不同的資料有不同的算法和結果而且它們的差異也比較大。本文力求給出較為科學的計算方法和準確的結果。關于下行，本文首先深入的研究了TD-LTE普通子幀下行鏈路開銷；再分析了MAC（媒體接入控制）層實際可用的TBS（傳輸塊大?。┖臀锢韺涌捎糜诔休d用戶數據的RE（資源粒子）資源；最后，分析了特殊子幀可用來傳輸用戶數據的RE資源，并給出物理層下行理論峰值速率的計算方法和結果。關于上行，本文也是首先研究TD-LTE普通子幀上行鏈路開銷；然后，分析了MAC層實際可用的TBS和物理層可用于承載用戶數據的RE資源并給出了MAC層上行理論峰值速率的計算方法和結果。

2 普通子幀下行鏈路開銷

普通子幀下行鏈路開銷是由下行同步信號、下行參考信號、PBCH（物理廣播信道）、PCFICH（物理控制格式指示信道）、PHICH（物理HARQ指示信道）、PDCCH（物理下行控制信道）、PDSCH用于承載非業務數據的資源在普通子幀上占用的RE構成的。

2.1 PSS/SSS（下行同步信號）

在TDD幀中，PSS信號位于第1子幀和第6子幀（特殊子幀）的第3個OFDM符號，SSS信號位于第0子幀和第5子幀的第7個OFDM符號。在頻域上占用下行頻帶中心62個子載波，兩邊各預留5個子載波作為保護帶。因此，在每個5ms半幀的普通子幀上，PSS/SSS共占用了72個RE。

2.2 下行參考信號

LTE物理層定義了3種下行參考信號：CRS、MBSFN、DRS。本文討論的峰值速率只涉及CRS。兩天線端口發送的情況下，R0（天線端口0的參考信號）、R1（天線端口1的參考信號）在普通子幀的每個PRB上占用8個RE。因此，在每個5ms半幀的普通子幀上，如果時隙配置為DSUUD，則下行共有400個PRB其中CRS占用了3200個RE，如果時隙配置為DSUDD，則下行共有600個PRB其中CRS占用了4800個RE。

2.3 PBCH

LTE系統廣播分為MIB（Master Information Block） 和 SIB（System Information Block），MIB在PBCH上傳輸，SIB在DL-SCH上調度傳輸。PBCH的傳輸周期為40ms，一個40ms周期內，每10ms重復傳輸。在每個10ms的無線幀上，PBCH占用第0子幀第2個時隙的前面4個連續的OFDM符號，在頻域上占用下行頻帶中心72個子載波。在物理資源映射時，對于1、2或者4的發射天線數目，都總是空出4天線的CRS?？捎嬎愠觯赑BCH占用的時頻資源上共空出48個RE做用做CRS。因此，在每個10ms的無線幀上，PBCH共占用了240（4×72-48=240）個RE。

2.4 PCFICH、PHICH、PDCCH

以下以CFI=3為例計算PCFICH、PHICH、PDCCH占用的開銷資源：在一個1ms的普通子幀中，PDCCH與PCFICH、PHICH一起占用前面3個OFDM（但要除去CRS占用的RE）。在1ms普通子幀中的前面3個OFDM符號上，用于R0和R1共有400個RE，而用于 PDCCH、PCFICH、PHICH的 共 有3200個RE。因此，在每個5ms半幀的普通子幀上，如果時隙配置為DSUUD則PDCCH、PCFICH、PHICH三個物理信道共占用6400個RE，如果時隙配置為DSUDD則共占用9600個RE。

2.5 PDSCH

與PDSCH相關的信道映射關系如圖1所示。

圖1 信道映射關系

在測試峰值的環境下，除業務數據信息外，映射到PDSCH上的只有承載SIB1（小區接入有關的參數、調度信息）和SIB2（公共和共享信道配置）的廣播信息。SIB1的時域調度是固定的，周期為80ms，在80ms內每20ms重復一次，占用了8個PRB。SIB2周期為動態配置，一般是160 ms重復一次，相對于5ms的半幀周期占用的RE很少，在峰值計算中可以忽略。因此，在20 ms的周期中，開銷在PDSCH中占用了672個RE。

通過以上的分析，普通子幀下行鏈路的開銷可以總結為如表1所示。

表1 普通子幀下行鏈路開銷

3 下行理論峰值速率計算

通過分析MAC層TBS資源和物理層可用于承載用戶數據的RE資源，給出幾種常見配置的下行峰值速率理論值。

3.1 MAC層可用TBS的分析

UE的下行速率與TBS的確定有直接的關系。在TBS的確定過程中，UE需要首先讀取PDCCH DCI的調制編碼方案域IMCS，通過查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.1-1[4]確定其調制方式及TBS大小索引ITBS， 同時，系統根據DCI信息的資源指示信息域中的指示確定PDSCH傳輸占用的PRB的個數NPRB。UE根據ITBS與NPRB，通過查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]、Table 7.1.7.2.2-1[4]確定 TBS大小。目前關于理論峰值速率計算，不同的資料往往有不同的結果，其中比較準確的一種計算方法是通過查表，用單層最大傳輸塊75376bit的雙層TBS來計算下行理論峰值速率。下面我們來討論是否可以用這種方法來計算TD-LTE在幾種常見配置下的峰值速率理論值？

被開銷占用的RE是不能用來傳輸用戶數據的，根據表1，我們可以計算出用來傳輸用戶數據的RE。把它乘以最大效率（效率指每個符號承載的信息比特，64QAM、近似編碼率0.93為最大效率）可以得出能夠承載用戶數據的最大信息比特，如表2所示。

5ms周期里并不是在每個普通子幀上都有RE資源被PSS/SSS、PBCH、PDSCH上的SIB1占用。即使是在沒有這個幾個信道的普通子幀上，在表2中的4種配置下，能夠承載用戶數據的最大信息比特也只能最高達到73656bit（物理層），因此，在表2中的4種配置下，UE能夠索引的ITBS與NPRB是不能同時達到最大值的（75376bit）。

3.2 物理層下行理論峰值速率計算

在LTE中，調度功能由調度器完成，調度器位于eNode B的MAC層，包括下行調度器和上行調度器，分別負責完成對下行共享信道的資源分配和上行共享信道的資源分配。eNode B在下行資源分配時，需要考慮UE上報的CQI、UE的緩存、RSRP等來最終確定UE的TBS。各廠家在具體實現上，有自己的算法。以下從物理層理論的角度，給出承載用戶數據的下行速率能達到的峰值速率。在峰值速率計算中，考慮的持續時間是至少保持1s以上。

在3.1中，討論了普通子幀的情況，在峰值速率計算中還必須考慮特殊子幀。為了與現網的TD-SCDMA鄰頻組網、時隙對齊，目前LTE的子幀配置為DSUDD而且特殊子幀DwPTS:GP:UpPTS配置為3:9:2。這種情況下，特殊子幀不能用來作為PDSCH的傳輸。目前，DSUUD配置時，特殊子幀的DwPTS:GP:UpPTS配置為10:2:2。這種情況下，DwPTS時隙的10個OFDM符號中，前2個符號用于PDCCH，第3個符號用于PSS，后7個符號在除去CRS以后用于PDSCH傳輸用戶數據。這7個符號共有100個PRB，其中CRS占用800個RE（2天線端口），可以用于PDSCH傳輸用戶數據的有7600個RE，即能夠承載用戶數據的最大信息比特（物理層）為42408bit。

表2 平均1個普通子幀能夠承載用戶數據的最大信息比特（物理層）

表3 物理層理論峰值速率

在雙流情況下，物理層理論峰值速率計算公式可以表達為：

a=5ms周期內所有普通子幀能夠承載用戶數據的最大信息比特（物理層），

b=5ms周期特殊子幀能夠承載用戶數據的最大信息比特（物理層）。

計算結果如表3所示。

4 上行理論峰值速率計算

與下行不同，目前的終端（Category 3或Category 4） 上行不支持64QAM,在16QAM時，上行的編碼率不會超過0.93（見4.1的分析）。因此，對于上行理論峰值速率計算，我們用MAC層的TBS來計算是可行的，結果也更加接近于應用層的理論峰值速率。

4.1 普通子幀上行開銷分析及MAC層TBS分析

普通子幀上行開銷由上行參考信號（DMRS、SRS）、PRACH（物理隨機接入信道）、PUCCH（上行物理控制信道）、以及在PUSCH傳送上的控制信息構成的。

（1）PRACH。在頻域上，PRACH占用6個PRB，用于正常覆蓋的PRACH格式0在時域上占用1ms（目前的網絡配置為PRACH格式0）。

（2）PUCCH。在時頻域上PUCCH占用1個RB-pair的物理資源，采用時隙跳頻的方式，在上行頻帶的兩邊傳輸。在實際網絡應用中，配置4個PUCCH信道已經是較少占用資源的一種配置。

（3）上行參考信號。LTE物理層定義了兩種上行參考信號：解調參考信號（DMRS）、Sounding參考信號（SRS）。DMRS在共享信道PUSCH上，每個時隙內DMRS占用1個OFDM符號。DMRS在90個RB（時域為1ms）上占有2160個RE。SRS主要用于頻率選擇性調度。SRS不是必須的。在上行90個RB（時域為1ms）用于PUSCH時，PUSCH上 SRS占用資源的最多的情況是每5ms占用540個RE。

（4）用戶有上行數據PUSCH在發送時，如果需要同時發送物理層上行控制信息（CSI或者ACK），那么這些信息將與數據信息一起復用在PUSCH上傳輸。ACK占用1bit或者2bit。CSI是長度20bit的數據流。因此，單用戶在信道好而且穩定的情況下，有上行數據在PUSCH上發送時，即使需要同時發送物理層上行控制信息，它占用的資源也很少，我們暫時不考慮它。

根據以上的分析，1個子幀上行可用于傳輸用戶數據的資源為12420個RE（物理層）。用16QAM的調制方式，如果近似編碼率達到0.93，則能承載的最大信息比特為46202bit。

對于Category 3或Category 4終端，根據TS36.213 Table 8.6.1-1[4]，最大支持的MCS是20。根據以上分析，最多有90個RB可用于PUSCH，再根據TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]查到可用的TBS是39232bit。在16QAM的調制方式下，12420個RE，用于承載39232 bit信息時，它的編碼速率是小于0.93的。

4.2 MAC層的理論峰值速率計算

（1）DSUDD時系配置時，MAC層的理論峰值速率=39232bit/5ms=7.84Mbit/s。

（2）DSUUD時系配置時，MAC層的理論峰值速率=2×39232bit/5ms=15.68Mbit/s。

5 實測驗證

表4 測試結果

由于條件限制，我們只對一種網絡配置做實證測試。網絡配置：子幀配置為DSUDDDSUDD、常規長度CP、CFI為3，特殊子幀配置為DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2。實證測試結果見表4所示。

下行吞吐量的測試結果與表3物理層理論峰值速率的79.55Mbit/s接近，因此，該配置下的物理層理論峰值速率計算基本符合實際。

上行吞吐量的測試結果已經超過了4.2節中的計算結果，MCS也已經超過協議所規定的20。實測數據的RB的調度情況為：RB0～RB5，RB96～RB99調度次數為0，RB6～RB20總是有一半時間在調度，RB21～RB95全部調度。我們把這個測試結果做一個理論計算。MCS=23，被調度的RB我們折算成83個，則查表得到的TBS為42368bit，根據4.2節的計算方法，我們可以得到：（1）DSUDD時系配置時，MAC層的理論峰值速率為8.47Mbit/s；（2）DSUUD時系配置時，MAC層的理論峰值速率為16.95Mbit/s。據廠家的反饋，該廠家設備做到的上行MCS確實能夠超過20。因此，4.2節的計算結果與實測的差異，主要原因在于16QAM時實際能達到的上行最大MCS超過了協議上的20，而4.2節的計算方法是可行的。

6 總結

本文以理論結合實測的方式深入研究了LTE的峰值速率，對于下行給出了物理層理論峰值速率(實測中，在沒有重傳的情況下，物理層峰值速率與MAC層很接近)，對于上行給出了MAC層理論峰值速率，分析過程嚴密、科學，計算結果基本符合實測情況，對幫助人們深刻認識LTE有重要的實際意義。但是，本文的研究也存在一些不足：一、對于下行，只能給出物理層的理論峰值速率；二、只對一種網絡配置做了實測驗證。

[1]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.3

[2]趙訓威，林輝.3GPP長期演進（LTE）系統架構與技術規范[M].北京：人民郵電出版社，2010.1

[3]3GPP TS 36.212, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA),Multiplexing and Channel Coding[S].

[4]3GPP TS 36.213, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA),Physical Layer Procedures[S].