TD-LTE链路开销及峰值速率探讨

朱震海，张真桢，陆清清

（1 中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，杭州 310012；2 中国移动通信集团浙江有限公司杭州分公司，杭州310015）

1 概述

LTE（Long Term Evolution）是UMTS的长期演进，是准4G的技术。关于TD-LTE 20MHz带宽的理论峰值速率（本文讨论的都是20MHz带宽），不同的资料有不同的算法和结果而且它们的差异也比较大。本文力求给出较为科学的计算方法和准确的结果。关于下行，本文首先深入的研究了TD-LTE普通子帧下行链路开销；再分析了MAC（媒体接入控制）层实际可用的TBS（传输块大小）和物理层可用于承载用户数据的RE（资源粒子）资源；最后，分析了特殊子帧可用来传输用户数据的RE资源，并给出物理层下行理论峰值速率的计算方法和结果。关于上行，本文也是首先研究TD-LTE普通子帧上行链路开销；然后，分析了MAC层实际可用的TBS和物理层可用于承载用户数据的RE资源并给出了MAC层上行理论峰值速率的计算方法和结果。

2 普通子帧下行链路开销

普通子帧下行链路开销是由下行同步信号、下行参考信号、PBCH（物理广播信道）、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用于承载非业务数据的资源在普通子帧上占用的RE构成的。

2.1 PSS/SSS（下行同步信号）

在TDD帧中，PSS信号位于第1子帧和第6子帧（特殊子帧）的第3个OFDM符号，SSS信号位于第0子帧和第5子帧的第7个OFDM符号。在频域上占用下行频带中心62个子载波，两边各预留5个子载波作为保护带。因此，在每个5ms半帧的普通子帧上，PSS/SSS共占用了72个RE。

2.2 下行参考信号

LTE物理层定义了3种下行参考信号：CRS、MBSFN、DRS。本文讨论的峰值速率只涉及CRS。两天线端口发送的情况下，R0（天线端口0的参考信号）、R1（天线端口1的参考信号）在普通子帧的每个PRB上占用8个RE。因此，在每个5ms半帧的普通子帧上，如果时隙配置为DSUUD，则下行共有400个PRB其中CRS占用了3200个RE，如果时隙配置为DSUDD，则下行共有600个PRB其中CRS占用了4800个RE。

2.3 PBCH

LTE系统广播分为MIB（Master Information Block） 和 SIB（System Information Block），MIB在PBCH上传输，SIB在DL-SCH上调度传输。PBCH的传输周期为40ms，一个40ms周期内，每10ms重复传输。在每个10ms的无线帧上，PBCH占用第0子帧第2个时隙的前面4个连续的OFDM符号，在频域上占用下行频带中心72个子载波。在物理资源映射时，对于1、2或者4的发射天线数目，都总是空出4天线的CRS。可计算出，在PBCH占用的时频资源上共空出48个RE做用做CRS。因此，在每个10ms的无线帧上，PBCH共占用了240（4×72-48=240）个RE。

2.4 PCFICH、PHICH、PDCCH

以下以CFI=3为例计算PCFICH、PHICH、PDCCH占用的开销资源：在一个1ms的普通子帧中，PDCCH与PCFICH、PHICH一起占用前面3个OFDM（但要除去CRS占用的RE）。在1ms普通子帧中的前面3个OFDM符号上，用于R0和R1共有400个RE，而用于 PDCCH、PCFICH、PHICH的 共 有3200个RE。因此，在每个5ms半帧的普通子帧上，如果时隙配置为DSUUD则PDCCH、PCFICH、PHICH三个物理信道共占用6400个RE，如果时隙配置为DSUDD则共占用9600个RE。

2.5 PDSCH

与PDSCH相关的信道映射关系如图1所示。

图1 信道映射关系

在测试峰值的环境下，除业务数据信息外，映射到PDSCH上的只有承载SIB1（小区接入有关的参数、调度信息）和SIB2（公共和共享信道配置）的广播信息。SIB1的时域调度是固定的，周期为80ms，在80ms内每20ms重复一次，占用了8个PRB。SIB2周期为动态配置，一般是160 ms重复一次，相对于5ms的半帧周期占用的RE很少，在峰值计算中可以忽略。因此，在20 ms的周期中，开销在PDSCH中占用了672个RE。

通过以上的分析，普通子帧下行链路的开销可以总结为如表1所示。

表1 普通子帧下行链路开销

3 下行理论峰值速率计算

通过分析MAC层TBS资源和物理层可用于承载用户数据的RE资源，给出几种常见配置的下行峰值速率理论值。

3.1 MAC层可用TBS的分析

UE的下行速率与TBS的确定有直接的关系。在TBS的确定过程中，UE需要首先读取PDCCH DCI的调制编码方案域IMCS，通过查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.1-1[4]确定其调制方式及TBS大小索引ITBS， 同时，系统根据DCI信息的资源指示信息域中的指示确定PDSCH传输占用的PRB的个数NPRB。UE根据ITBS与NPRB，通过查3GPP TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]、Table 7.1.7.2.2-1[4]确定 TBS大小。目前关于理论峰值速率计算，不同的资料往往有不同的结果，其中比较准确的一种计算方法是通过查表，用单层最大传输块75376bit的双层TBS来计算下行理论峰值速率。下面我们来讨论是否可以用这种方法来计算TD-LTE在几种常见配置下的峰值速率理论值？

被开销占用的RE是不能用来传输用户数据的，根据表1，我们可以计算出用来传输用户数据的RE。把它乘以最大效率（效率指每个符号承载的信息比特，64QAM、近似编码率0.93为最大效率）可以得出能够承载用户数据的最大信息比特，如表2所示。

5ms周期里并不是在每个普通子帧上都有RE资源被PSS/SSS、PBCH、PDSCH上的SIB1占用。即使是在没有这个几个信道的普通子帧上，在表2中的4种配置下，能够承载用户数据的最大信息比特也只能最高达到73656bit（物理层），因此，在表2中的4种配置下，UE能够索引的ITBS与NPRB是不能同时达到最大值的（75376bit）。

3.2 物理层下行理论峰值速率计算

在LTE中，调度功能由调度器完成，调度器位于eNode B的MAC层，包括下行调度器和上行调度器，分别负责完成对下行共享信道的资源分配和上行共享信道的资源分配。eNode B在下行资源分配时，需要考虑UE上报的CQI、UE的缓存、RSRP等来最终确定UE的TBS。各厂家在具体实现上，有自己的算法。以下从物理层理论的角度，给出承载用户数据的下行速率能达到的峰值速率。在峰值速率计算中，考虑的持续时间是至少保持1s以上。

在3.1中，讨论了普通子帧的情况，在峰值速率计算中还必须考虑特殊子帧。为了与现网的TD-SCDMA邻频组网、时隙对齐，目前LTE的子帧配置为DSUDD而且特殊子帧DwPTS:GP:UpPTS配置为3:9:2。这种情况下，特殊子帧不能用来作为PDSCH的传输。目前，DSUUD配置时，特殊子帧的DwPTS:GP:UpPTS配置为10:2:2。这种情况下，DwPTS时隙的10个OFDM符号中，前2个符号用于PDCCH，第3个符号用于PSS，后7个符号在除去CRS以后用于PDSCH传输用户数据。这7个符号共有100个PRB，其中CRS占用800个RE（2天线端口），可以用于PDSCH传输用户数据的有7600个RE，即能够承载用户数据的最大信息比特（物理层）为42408bit。

表2 平均1个普通子帧能够承载用户数据的最大信息比特（物理层）

表3 物理层理论峰值速率

在双流情况下，物理层理论峰值速率计算公式可以表达为：

a=5ms周期内所有普通子帧能够承载用户数据的最大信息比特（物理层），

b=5ms周期特殊子帧能够承载用户数据的最大信息比特（物理层）。

计算结果如表3所示。

4 上行理论峰值速率计算

与下行不同，目前的终端（Category 3或Category 4） 上行不支持64QAM,在16QAM时，上行的编码率不会超过0.93（见4.1的分析）。因此，对于上行理论峰值速率计算，我们用MAC层的TBS来计算是可行的，结果也更加接近于应用层的理论峰值速率。

4.1 普通子帧上行开销分析及MAC层TBS分析

普通子帧上行开销由上行参考信号（DMRS、SRS）、PRACH（物理随机接入信道）、PUCCH（上行物理控制信道）、以及在PUSCH传送上的控制信息构成的。

（1）PRACH。在频域上，PRACH占用6个PRB，用于正常覆盖的PRACH格式0在时域上占用1ms（目前的网络配置为PRACH格式0）。

（2）PUCCH。在时频域上PUCCH占用1个RB-pair的物理资源，采用时隙跳频的方式，在上行频带的两边传输。在实际网络应用中，配置4个PUCCH信道已经是较少占用资源的一种配置。

（3）上行参考信号。LTE物理层定义了两种上行参考信号：解调参考信号（DMRS）、Sounding参考信号（SRS）。DMRS在共享信道PUSCH上，每个时隙内DMRS占用1个OFDM符号。DMRS在90个RB（时域为1ms）上占有2160个RE。SRS主要用于频率选择性调度。SRS不是必须的。在上行90个RB（时域为1ms）用于PUSCH时，PUSCH上 SRS占用资源的最多的情况是每5ms占用540个RE。

（4）用户有上行数据PUSCH在发送时，如果需要同时发送物理层上行控制信息（CSI或者ACK），那么这些信息将与数据信息一起复用在PUSCH上传输。ACK占用1bit或者2bit。CSI是长度20bit的数据流。因此，单用户在信道好而且稳定的情况下，有上行数据在PUSCH上发送时，即使需要同时发送物理层上行控制信息，它占用的资源也很少，我们暂时不考虑它。

根据以上的分析，1个子帧上行可用于传输用户数据的资源为12420个RE（物理层）。用16QAM的调制方式，如果近似编码率达到0.93，则能承载的最大信息比特为46202bit。

对于Category 3或Category 4终端，根据TS36.213 Table 8.6.1-1[4]，最大支持的MCS是20。根据以上分析，最多有90个RB可用于PUSCH，再根据TS36.213 Table 7.1.7.2.1-1[4]查到可用的TBS是39232bit。在16QAM的调制方式下，12420个RE，用于承载39232 bit信息时，它的编码速率是小于0.93的。

4.2 MAC层的理论峰值速率计算

（1）DSUDD时系配置时，MAC层的理论峰值速率=39232bit/5ms=7.84Mbit/s。

（2）DSUUD时系配置时，MAC层的理论峰值速率=2×39232bit/5ms=15.68Mbit/s。

5 实测验证

表4 测试结果

由于条件限制，我们只对一种网络配置做实证测试。网络配置：子帧配置为DSUDDDSUDD、常规长度CP、CFI为3，特殊子帧配置为DwPTS:GP:UpPTS=3:9:2。实证测试结果见表4所示。

下行吞吐量的测试结果与表3物理层理论峰值速率的79.55Mbit/s接近，因此，该配置下的物理层理论峰值速率计算基本符合实际。

上行吞吐量的测试结果已经超过了4.2节中的计算结果，MCS也已经超过协议所规定的20。实测数据的RB的调度情况为：RB0～RB5，RB96～RB99调度次数为0，RB6～RB20总是有一半时间在调度，RB21～RB95全部调度。我们把这个测试结果做一个理论计算。MCS=23，被调度的RB我们折算成83个，则查表得到的TBS为42368bit，根据4.2节的计算方法，我们可以得到：（1）DSUDD时系配置时，MAC层的理论峰值速率为8.47Mbit/s；（2）DSUUD时系配置时，MAC层的理论峰值速率为16.95Mbit/s。据厂家的反馈，该厂家设备做到的上行MCS确实能够超过20。因此，4.2节的计算结果与实测的差异，主要原因在于16QAM时实际能达到的上行最大MCS超过了协议上的20，而4.2节的计算方法是可行的。

6 总结

本文以理论结合实测的方式深入研究了LTE的峰值速率，对于下行给出了物理层理论峰值速率(实测中，在没有重传的情况下，物理层峰值速率与MAC层很接近)，对于上行给出了MAC层理论峰值速率，分析过程严密、科学，计算结果基本符合实测情况，对帮助人们深刻认识LTE有重要的实际意义。但是，本文的研究也存在一些不足：一、对于下行，只能给出物理层的理论峰值速率；二、只对一种网络配置做了实测验证。

[1]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，2011.3

[2]赵训威，林辉.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，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].