TD-LTE网络吞吐率最优原则研究

瞿水华，郑石，章莹，顾箭

（中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司，深圳 518048）

1 前言

在TD-LTE系统中，为提高系统整体性能采用了多天线技术，可以进行分集发射和接收，抵抗无线信道的衰落；也可以波束成形，提高干扰抑制性能；在信号足够好的情况，可实现空分复用，提高系统容量。依据吞吐率最优原则，eNode B根据UE上报的RI及CQI自适应地调整输出最佳的TM、MCS，实现不同信道条件下的最优吞吐率。本文包含了TD-LTE的无线信号处理流程和结果，吞吐率最优原则和吞吐率峰值饱和度等方面的研究内容。

2 无线信号处理

2.1 无线信号处理流程

无线信道质量决定终端最终所用的TM和MCS，MCS和信噪比强相关，3GPP规定了不同的MCS对应的传输能力和效率。在TD-LTE系统中，TM及MCS的决定是由UE及eNode B共同配合完成的，其处理流程如图1所示。

图1 无线信号处理流程图

其中，Step2在Step1的基础上，UE分别用Rank1和Rank2 SINR计算相应的CQI、MCS，以此计算出对应的吞吐率，以吞吐率大小确定上报相应的RI及CQI，作为eNode B完成下行调度计算的主要输入信息：TM（传输模式)， MCS（调制编码等级)，RI（Rank Indication，秩信息）包含Rank1和Rank2，CQI（Channel Quality Indicator，信道质量信息），对RI和CQI的具体信息可参考3GPP。

eNode B根据UE上报的RI及CQI，结合误分组情况，最终输出TM、MCS、RB等信息。

2.2 UE对无线信号处理

TD-LTE无线信号的收发原理如下：

假设接收信号矩阵为R，信道矩阵为H，干扰矩阵为N，发送信号矩阵为S，分别表示如下：

UE对无线信号的处理分为均衡前信号的平均SINR，均衡后信号的单流Rank1 SINR和双流Rank2 SINR，主要计算过程如下。

（1）均衡前信号平均SINR计算：

接收到的信号：R=HS+N

接收到的有用信号功率：E(||HS||2)=E((HS)(HS)H)=E(HSSHHH)=||H||2

平均SINR=均衡前有用信号功率/均衡前噪声功率

（2）均衡后信号SINR计算：

平均SINR一般不用于RI及CQI的计算，通常情况下UE对接收信号做均衡处理，均衡后的信号再用于RI及CQI的计算。均衡过程如下：

接收到的信号：R=HS+N

均衡后接收到的信号：wR=wHS+wN

接收到的有用信号功率：PS=E{||wHS||2}=E{(wHS)(wHS)H}=||wH||2

干扰噪声功率：PN=PR-PS=HHwH-||wH||2

均衡后SINR=均衡后有用信号功率/均衡后噪声功率

均衡后SINR分为单流Rank1 SINR和双流Rank2 SINR。在不同的无线环境下，UE测量到的平均SINR、Rank1 SINR和Rank2 SINR之间会有所差别，实际测试情况是Rank1 SINR比平均SINR平均高1.3 dB，Rank2 SINR比平均SINR平均低6～10 dB。

UE根据测量到的Rank1 SINR、Rank2 SINR计算对应的CQI及RI，并依据吞吐率最优原则将最优的CQI及RI上报给eNode B。

本文所谈到的SINR都是指平均SINR。

3 TM自适应原理及特征

3.1 TM自适应原理

不同天线模式适用于不同无线环境，无线环境变化瞬息，TM需根据信道条件变化进行切换，使得网络性能达到最优。3GPP规定了不同TM之间的切换方式，当前网络主要支撑TM2（发射分级，单流）、TM3（空分复用，双流）和TM7（单流波束成形），切换流程如图2所示。

图2 TM切换流程图

TM的切换主要涉及到TM7与单流的切换，双流跟单流的切换。

3.2 TM自适应遵循吞吐率最优原则整体特征

在密集城区50个F频段基站场景下，进行空扰遍历测试，得到吞吐率和MCS随平均SINR变化的趋势曲线，按照SINR从低到高分为3个区域，小于-3 dB的基本是单流区，[-3,10] dB的是单双流混合区，大于10 dB后进入主双流区，如图3所示。

图3 SINR-MCS-THR关系图

整个信号区间内满足吞吐率最优原则，吞吐率随SINR呈单调上升趋势。在单流区，主要包含TM7、TM2及TM3 Rank1，MCS随SINR成单调上升；在单双流混合区，先是单流占主导，MCS随SINR上升而上升，随着SINR逐步变好双流比例提升，由于Rank2 SINR相比 Rank1 SINR低，所以平均MCS有下降趋势，呈现“拱起”特征；进入双流区后，SINR足够好，双流占主导，整个MCS随SINR成上升趋势。

4 吞吐率最优原则

在实际应用中，终端上报RI和CQI，以及系统调度计算TM、MCS输出都遵循吞吐率最优原则。吞吐率最优原则包括3个方面。

4.1 单流与双流的切换遵循吞吐率最优原则

双流可以使用相同的时频资源传输不同的内容，理论上最大可以提升一倍的吞吐率，根据前面分析，在双流情况下由于两个存在矢量叠加，双流之间的存在干扰，信号均衡后终端测量的双流SINR（Rank2 SINR）会比单流SINR（Rank1 SINR）平均低7 dB左右，经计算得到单流吞吐率和SINR的曲线，在同一SINR值下调7 dB后计算双流吞吐率和其半值，如图4，当单流信号SINR达到25 dB以后进入饱和状态，而双流在SINR达到25 dB后，还能继续上升逐步达到理论峰值速率。

因此，单流与双流的切换遵循吞吐率最优原则：

（1）理论上信号质量好到一定程度后，一般在8～13 dB，双流吞吐率优于单流。实际测试表明：在小区中点区域，双流吞吐率明显好于单流。

（2）单双流随实际环境的变化而动态变化，单双流的切换遵循吞吐率最优原则。

4.2 双流与信道相关度关系遵循吞吐率最优原则

通常情况下，信道相关度越低，越容易进入TM3 Rank2，但信道相关度不是分配双流的唯一因素，实际测试发现，在SINR足够好的条件下，而此时信号相关度高但也能进入双流，双流吞吐率明显高于单流，此时相关度越高，Rank2 SINR相对平均SINR降低越多，如图5所示，深色区域强相关（相关度为1），SINR回退了13 dB进入了双流，能在双通道室分质量好点测到理论峰值吞吐率，就是这个道理。因此，即使相关性好的无线环境下，也可能使用双流，双流和信道相关度的关系也要遵循吞吐率最优原则。

图4 理论计算单/双流吞吐率随Rank1 SINR分布

图5 双流和相关度输出图表

图6 不同MCS下BF相对单流吞吐率增益图

4.3 TM7与TM2的切换遵循吞吐率最优原则

TM7可以提升小区边缘信号质量，但同时也增加了导频开销，约7.2%。如图6，经过计算，以TM2 MCS为基准，TM7在每一阶TM2 MCS上增加1阶与TM2的吞吐率对比，当TM2 MCS小于15阶时，TM7较TM2有明显增益，但在15阶以后，反而因导频开销的缘故，TM7较TM2不再有增益。

实际测试中如图3所示，MCS15对应 SINR约14～15 dB，而以图7为例，BF（TM7）主要分布在SINR 15 dB以下，两者结果比较吻合。TM7和TM2的切换遵循吞吐率最优原则：TM7在信道相关性较好时才能分配，TM7与TM2随实际环境的变化而变化，小区边缘区域使用TM7时平均吞吐率大于TM2。

5 饱和度实例分析

在实际测试中往往发现信号很好的地方吞吐量达不到理论峰值，下面从饱和度的角度对该类问题进行分析。

5.1 饱和度计算

（1）在时隙配比为2:2，特殊子帧为3:9:2，Cat3 类终端下行每TTI可接收数据分组大小为102 048 byte，最大下行速率可以达到61.2 Mbit/s；

（2）在信号条件足够好，且信号稳定的条件下，测试DL平均速率为 59 Mbit/s；则饱和度（%）为：59 Mbit/s/61.2 Mbit/s＝96.4%；

（3）一般情况下，在信道条件很好且无邻区干扰情况下，饱和度达到95%以上，评测认为终端与设备都正常。

5.2 饱和度分析

图7 TM随SINR区间分布图

图8 数据分组重传率

图9 双流时SINR回退分析表图

选择单扇区空旷场景进行饱和度测试，测试发现在SINR>28 dB的点其饱和度也仅为83.61%，从图8来看，发现有高达5%的重传率，从图9来看，深色区域由于相关度高，SINR回退很大，导致MCS上不去。关闭该扇区的第一层邻区再测试，重传率有所下降，Rank2 SINR和MCS得到大幅提升，饱和度也提升到95%。

总体上，影响饱和度有两大因素：

空扰时，虽然邻区PCI模三错开，RS干扰较小，但邻区RS对服务扇区业务子载波产生干扰，导致服务扇区饱和度降低；

信道相关性越低，双流SINR越高，饱和度越高。

6 结论

在实际应用中，终端上报RI和CQI，以及系统侧调度算法输出TM及MCS，都应遵循吞吐率最优原则。终端采用Rank1和Rank2分别去尝试，以吞吐率最优方式决定上报RI和CQI，系统最终输出的MCS和TM遵循3个吞吐率最优原则，实现数据传输效率最大化。

[1] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical layer procedures(Release 9)[S].

[2] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation (Release 10)[S].

[3] 瞿水华，李铁峰，章莹，林坚立，郑石. 关于TD-LTE网络物理层峰值吞吐率的分析[J]. 电信工程技术与标准化，2012(10).