TD－LTE系统帧配置方法的研究

李校林，石 魁，金 渝，田海燕

(1.重庆邮电大学 重庆 400065;2.重庆信科设计有限公司 重庆 400065)

TD-LTE［1］作为 TD-SCDMA 的演进技术，继承了TD-SCDMA的帧结构形式。TD-LTE支持7种类型的帧配置，每种配置的上下行时隙分配比例各不相同，导致不同帧配置下，TD-LTE系统的上下行峰值速率有很大变化。由于TD-LTE更多地承载高带宽需求的非对称业务，因此当小区内承载的业务不同时，采用的帧配置类型对系统容量有很大的影响。合理地对小区的时隙进行规划，可以有效地提升系统容量，提高系统的资源利用率。

文献［2］虽然给出了TD-LTE下行理论峰值速率的计算公式，但过于简单，只能起到估算的作用，不能精确地计算出上行和下行系统吞吐量，因此，不能用于时隙规划。文献［3］虽然提到帧配置是影响系统容量的主要因素，但并未给出具体的理论依据。文献［4］虽然指出TD-LTE系统可以通过灵活配置上下行时隙比例来提高系统容量，但是并未给出具体的帧配置方法。

1 TD-LTE帧配置对系统容量的影响

1.1 TD-LTE系统吞吐量计算方法

TD-LTE系统吞吐量是评估系统容量的重要因素，是确定小区帧配置的前提条件。只有精确地计算出系统吞吐量，才能保证小区选择到最佳的帧配置类型，有效提升系统容量。

根据文献［5］中各物理信道的说明及资源映射方式，本文分别归纳总结出TD-LTE系统上下行吞吐量计算方法。

下行吞吐量计算方法

式中:D表示系统下行吞吐量;a表示空间复用的层数;N表示物理下行共享信道(PDSCH)占用的资源单元(RE)数，由式(2)给出;M表示调制方式;R表示编码效率;L表示一个无线帧的长度。

式中:P表示一个无线帧中下行子帧占用的RE数，由式(3)给出;Q表示常规子帧中下行控制信息占用的RE数，由式(4)给出;V表示特殊子帧中控制信息占用的RE数，由式(5)给出。

式中:Nsym表示一个PRB对内的OFDM符号个数;NZ表示一个RB内子载波的个数;Ndl和Nspe分别表示在确定的帧配置下，无线帧中下行子帧和特殊子帧的个数;NRB表示RB个数。由于特殊子帧中DwPTS用于下行数据的传输，因此计算时将特殊子帧视为下行子帧。

式(4)右边参数分别表示物理下行控制信道(PDCCH)、物理广播信道(PBCH)、辅同步信号(SSS)、小区专用参考信号(Cell-RS)、UE专用参考信号(UE-RS)以及空符号占用的RE数。

式(5)右边参数分别表示主同步信号(PSS)、PDCCH，Cell-RS和UE-RS占用的RE数。为了简化公式，将保护间隔(GP)和上行导频时隙(UpPTS)视为控制信息。

根据公式(1)～(5)，可精确计算出TD-LTE系统下行吞吐量D。

上行吞吐量的计算与下行类似，主要区别在于控制信息，计算方法如下

式中:U表示系统上行吞吐量;N表示物理上行共享信道(PUSCH)占用的RE数，由(7)式给出;其余参数含义与(1)式相同。

式中:P表示无线帧中上行子帧占用的RE数，由式(8)给出;Q表示无线帧内上行控制信息占用的RE数，由式(9)给出。

式中:Nul表示在确定的系统帧配置下，无线帧中上行子帧的个数;其他参数与式(3)相同。

式(9)右边参数分别表示:物理上行控制信道(PUCCH)、物理随机接入信道(PRACH)、物理上行共享信道中的解调参考信号(PUSCH-DRS)和PUCCH中的解调参考信号(PUCCH-DRS)占用的RE数。

根据式(6)～(9)，可精确地计算出TD-LTE系统上行吞吐量U。

1.2 帧配置对系统容量的影响

根据上式，对TD-LTE系统峰值速率进行仿真。仿真参数设置如下:20 MHz带宽，64QAM调制方式，常规CP，特殊子帧选择配置5，下行采用2×2天线，上行采用1×2天线。仿真结果如图1所示。

图1 TD-LTE系统峰值速率

图1所示该仿真结果直观反映出帧配置对系统容量的影响。如图所示，不同帧配置对应的上下行峰值速率明显不同，即系统容量不同。

TD-LTE系统的优势是可以承载各种高带宽上下行非对称业务。当小区内承载的业务种类不同时，灵活选择帧配置类型，可以有效提高系统的资源利用率。下面对单业务小区的帧配置方法进行分析。

2 TD-LTE单业务小区帧配置方法

2.1 TD-LTE单业务小区帧配置方法

假设小区内只有单一业务A，其上下行带宽需求分别为u和d。当采用确定的帧配置且信道质量稳定时，小区所能承载的下行和上行用户数分别为

式中:D和U分别如式(1)和式(6)所示。

由式(3)和式(8)可以看出，当改变小区的帧配置时，D和U的值发生相应变化，导致小区内承载的用户数变化。由式(1)和式(6)可知，D和U还与当前的编码调制方式有关。

由于TD-LTE采用的是完全自适应的编码调制方式，信道质量是动态变化的，因此，在上下行信道质量趋于稳定的情况下，可以通过估算小区内承载的用户数来确定小区的最佳帧配置类型。显然，使小区内承载的用户数达到最大的帧配置可作为本小区的最佳帧配置。

信道质量趋于稳定时，小区所能承载的最大用户数为

式中:i表示当前小区的帧配置类型，i=0，1，…，6;n表示小区的最佳帧配置，n∈i;j和k分别表示小区内上行和下行信道质量，j=k=1，2，…，15 。

同时，式(1)和式(6)变化为

此时的帧配置n为该小区的最佳帧配置。

2.2 仿真分析

为了验证上述方法的正确性，本文设计并建立了一个基于帧结构的TD-LTE小区业务吞吐量仿真平台。通过小区用户平均吞吐量的仿真，可以对2.1节的理论数据进行验证。仿真流程如图2所示。

图2 TD-LTE小区业务吞吐量仿真流程

选取3种TD-LTE典型业务进行仿真，如表1所示。

表1 TD-LTE 典型业务［9］

仿真结果如图3～8所示。

因为上下行信道独立，所以图中的CQI有225种取值，其大小为j+k×15，j和k分别对应图2中的上行CQI值和下行CQI值，j和k为正整数且 j∈(1，15)，k∈(1，15)。图3、图4和图5分别为3种业务根据上文所述计算公式得到的不同CQI下使用户数最大的帧配置类型;图6、图7和图8分别为3种业务在不同CQI下仿真得到的用户平均吞吐量。对比图3和图6可以看出，在相同CQI值下，用户平均吞吐量最大时的帧配置即为用户数最大的帧配置。例如，当CQI为180时，由图6可以看出，帧配置0的用户平均吞吐量最大，约为4.5 Mbit/s;同时，在该CQI下，由图3中可以看出，采用帧配置0时系统承载的用户数最大。图5和图8同样如此。由于一般情况下，一个RB只能分配给一个特定的用户，而流媒体手机视频(大屏幕)业务的下行带宽需求使得资源分配有剩余，因此，图5和图6相比，有部分帧配置未使理论用户数与用户平均吞吐量相匹配。

由图6、图7和图8的仿真结果，可以对小区的信道质量进行分类，给出这3种典型业务的最佳帧配置建议，如表2 所示［9］。

表2 TD-LTE典型业务最佳帧配置建议

3 TD-LTE多业务小区帧配置方法

上节分析了单业务小区的帧配置方法，本节主要针对多业务小区进行分析。当小区承载多种业务时，由于各业务的上下行带宽需求不同，不能直接根据2.1节的公式估算出各种帧配置下小区所能承载的用户数，所以只能通过仿真结论来指导小区的帧配置。

2.2 节的仿真结果验证了本文建立的基于帧结构的TD～LTE小区业务吞吐量仿真平台的正确性，因此，当小区承载多种业务时，通过仿真结果，可以指导小区的帧配置。

选取两种混合业务进行仿真，如表3所示。

表3 TD-LTE混合业务仿真参数

仿真结果如图9所示。

图9和图10分别为两种混合业务在不同CQI下仿真得到的用户平均吞吐量。从图9中7种帧配置的用户平均吞吐量可以看出，当下行CQI值较大时，帧配置1和帧配置3的吞吐量较大;当下行CQI值较小时，帧配置5的吞吐量较大。由图10可知，当下行CQI值较小时，帧配置6的用户平均吞吐量较大;当下行CQI值较大时，帧配置0的用户平均吞吐量较大。

根据图9和图10的仿真结果，可以给出这两种混合业务下小区的帧配置建议，如表4所示。

图10 混合业务2用户平均吞吐量

表4 TD-LTE多业务小区最佳帧配置建议

4 结论

本文研究了TD-LTE系统吞吐量计算方法，仿真分析了帧配置对系统容量的影响。在此基础上，研究了TDLTE单业务小区的帧配置方法，设计建立了基于帧结构的TD-LTE系统吞吐量仿真平台，通过仿真，给出了部分业务的最佳帧配置建议。最后，对TD-LTE多业务小区进行了仿真分析，给出了部分混合业务下小区的最佳帧配置建议。

［1］李校林，付澍，付林生.基于覆盖范围需求的LTE下行资源分配方式［J］. 电视技术，2011，35(21)，80-83.

［2］戴源，朱晨鸣，王强，等.TD-LTE无线网络规划与设计［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

［3］李景发，曾发龙，刘泉，等.LTE无线网络规划与设计［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

［4］曲嘉杰，龙紫薇.TD-LTE容量特性及影响因素［J］.电信科学，2009(1):48-52.

［5］3GPP TS 36.211 V9.1.0，Evolved universal terrestrial radio access(EUTRA);physical channels and modulation:Release 9［S］.2010.