TD—LTE系统吞吐量计算方法及其影响因素的研究

admin

本文摘自《移动通信》2013年4期。作者：石魁 李校林 金渝

【摘 要】针对TD-LTE网络规划的需求，通过对TD-LTE系统物理层信道的分析与研究，归纳总结了一种TD-LTE系统吞吐量计算方法。该方法将系统帧结构引入TD-LTE吞吐量的计算，全面考虑了系统的控制信息，计算结果精确。通过对系统峰值速率的仿真，验证了该方法的正确性，并对系统吞吐量的影响因素进行了仿真分析，给出了部分系统参数的配置建议。
　　【关键词】TD-LTE 吞吐量 帧配置 网络规划
　　1 引言
　　TD-LTE系统吞吐量的计算在网络规划中十分重要。系统吞吐量的峰值是分析无线网络基本能力的一个关键指标，在进行容量规划时必须以该值为参照，分析系统实际能达到的平均吞吐量性能。TD-LTE系统中，系统吞吐量与众多因素有关，在计算时更需精确。文献[1]（3GPP标准）中规定，TD-LTE系统需要达到100Mbps的下行瞬时峰值速率和50Mbps的上行瞬时峰值速率；文献[2]（3GPP标准）虽然能够通过查表得到系统吞吐量，但是并未给出达到某一吞吐量时的系统参数配置，给网络规划带来不便。
　　本文通过对TD-LTE系统物理信道的分析与研究，归纳总结出TD-LTE系统吞吐量的计算方法。该方法能够精确地计算出不同系统参数配置下TD-LTE系统吞吐量，可以为网络规划提供参照。根据本文方法计算出的TD-LTE系统峰值速率达到了文献[1]的要求，并且与文献[2]中查表所得的峰值速率基本吻合，从而验证了该方法的正确性。
　　本文首先在文献[3]（3GPP标准）的基础上，归纳总结出TD-LTE系统吞吐量计算方法，同时设计了一个针对TD-LTE系统吞吐量的仿真平台，对该计算方法进行了仿真分析，验证了其正确性。最后分析了对TD-LTE系统吞吐量影响较大的部分因素，并且通过仿真，给出了部分系统参数的配置建议。
　　2 TD-LTE系统吞吐量计算方法
　　TD-LTE系统中有六个下行物理信道和三个上行物理信道，只有共享信道用于业务数据的传输，其余都视为系统的控制信息。计算吞吐量的关键在于能否精确地找出系统的控制信息。由于上下行物理信道的种类和数量不同，因此计算时需要对上行和下行分别进行考虑。
　　在系统不传MBSFN子帧和位置参考信号、上行不使用虚拟MIMO技术[4]且探测参考信号只在UpPTS里传输的条件下，本文分别给出了TD-LTE系统下行吞吐量和上行吞吐量计算方法。
　　2.1 下行吞吐量计算方法
　　TD-LTE系统下行吞吐量与以下几个因素有关：物理下行共享信道（PDSCH）占用的资源单元（RE）个数、调制方式、编码效率、空间复用的层数和帧长。前三者的乘积表示单个数据流时PDSCH上承载的比特数。由于LTE采用了MIMO技术，可发送多个数据流，因此还需要将上述比特数与空间复用的层数相乘，得到系统中PDSCH实际承载的比特数。将其除以帧长，即可得到系统吞吐量。
　　根据文献[3]中各下行物理信道的说明，本文归纳总结出TD-LTE系统下行吞吐量计算方法：
　　（1）
　　式中，Throughput_dl表示系统下行吞吐量；S表示空间复用的层数；NPDSCH表示PDSCH占用的RE数，由（2）式给出；Mode表示调制方式；Rate表示编码效率；Length表示一个无线帧的长度。
　　TD-LTE下行有五个物理信道，只有PDSCH用于业务数据的传输。因此，在总的下行资源中，除去控制信息占用的资源，即为PDSCH占用的资源。其计算方法如下：
　　（2）
　　式中，PDL表示无线帧内下行子帧占用的RE数，由（3）式给出；Qnormal表示常规子帧内下行控制信息占用的RE数，由（4）式给出；Vspecial表示特殊子帧内控制信息占用的RE数，由（5）式给出。
　　P的大小与RB个数、子载波数、下行子帧个数、特殊子帧个数及一个子帧内的符号数有关，计算方法如下：
　　（3）
　　式中，B表示一个PRB对内的符号个数；表示一个RB内子载波的个数；m和n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。
　　下行控制信息的计算是吞吐量计算的关键。只有准确地定义出下行控制信息，得到的系统吞吐量才精确。因为将特殊子帧视为下行子帧，所以计算下行控制信息时需要对下行子帧和特殊子帧分别进行计算。
　　下行子帧中的控制信息包括：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。计算方法如下：
　　（4）
　　当采用常规CP时，物理控制格式指示信道（PCFICH）和物理HARQ指示信道（PHICH）只在所有下行子帧中的第一个符号上传输，因此，PDCCH占用的资源包含这两者在内。式中的空符号出现在PSS、SSS和PBCH中。为了简化计算，这里将所有的空符号合并。
　　特殊子帧中的控制信息包括：主同步信号（PSS）、PDCCH、Cell-RS和UE-RS。为了简化计算，将GP和UpPTS视为控制信息。计算方法如下：
　　（5）
　　由式（1）～（5），可精确地计算出TD-LTE系统下行吞吐量Throughput_dl。
　　下行吞吐量计算方法中，式（3）、（4）、（5）是核心部分。式（4）和式（5）计算下行控制信息时，全面考虑了系统中存在的额外开销，使得计算结果精确；式（3）将TD-LTE的帧结构引入吞吐量的计算：通过对系统的帧配置进行选择，即可确定m和n，从而可以得到不同帧配置下系统的吞吐量。这是十分有必要的。因为TD-LTE系统支持7种不同的帧配置，只有对每种配置下系统所能提供的吞吐量进行分析，才能更合理地选择小区的帧配置。

2.2 上行吞吐量计算方法
　　上行吞吐量的计算方法与下行类似，主要区别在于控制信息。根据文献[3]中各上行物理信道的说明，本文归纳总结出TD-LTE系统上行吞吐量计算方法。其过程与下行相同，不再赘述。上行吞吐量计算方法如下：
　　（6）
　　式中，Throughput_ul表示系统上行吞吐量；NPUSCH表示PUSCH占用的RE数，由（7）式给出；其余参数含义与（1）式相同。
　　（7）
　　式中，P表示无线帧中上行子帧占用的RE数，由（8）式给出；Q表示无线帧内上行控制信息占用的RE数，由（9）式给出。由于特殊子帧中的UpPTS不用于上行业务数据的传输，因此式中不需要考虑特殊子帧。
　　（8）
　　式中，m表示在确定的系统帧配置下，无线帧中上行子帧的个数；其余参数与（3）式相同。
　　上行控制信息Q包括：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）。计算方法如下：
　　（9）
　　PUSCH-DRS的符号个数固定为2。由于PUCCH-DRS在PUCCH中传输，因此计算时PUCCH占用的资源时包含PUCCH-DRS在内。
　　由式（6）～（9），即可精确地计算出TD-LTE系统上行吞吐量Throughput_ul。
　　根据上述方法，当采用各种不同系统参数配置时（如带宽、CP类型、帧配置、调制方式等），可以方便精确地计算出系统的上下行吞吐量，为不同系统参数配置下的容量规划提供参照和依据。
　　由于目前还没有一种公认的TD-LTE系统吞吐量计算方法，因此需要对该计算方法的正确性进行验证。
　　2.3 仿真分析
　　根据TD-LTE系统峰值速率的仿真，对上述计算方法进行仿真验证。
　　仿真参数设置如下：20MHz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。在此配置下，可使系统达到峰值速率。根据上述吞吐量计算方法，对TD-LTE系统所有帧配置下的峰值速率进行仿真，如图1所示：
　　仿真结果表明，采用帧配置0时，系统上行峰值速率最大，约为54.5781Mbps；采用帧配置5时，下行峰值速率最大，约为140.8358Mbps。该结果与文献[2]中的查表值基本吻合（TB_index=22时，上行峰值速率为55.056Mbps；TB_index=25时，下行峰值速率为142.248Mbps）；同时，该结果达到了文献[1]的要求。由于全面考虑了系统的控制信息，因此仿真结果较文献[2]查表结果偏小。
　　综上可知，仿真结果验证了本文所提计算方法的正确性。
　　3 TD-LTE系统吞吐量影响因素
　　由前所述的TD-LTE系统吞吐量计算方法可知，影响TD-LTE系统吞吐量的系统参数众多，包括：系统帧配置、空间复用的层数、系统带宽、CP的类型、PDCCH占用的OFDM符号个数、调制方式和编码效率等。其中，系统帧配置、系统带宽以及调制方式对系统吞吐量的影响较大。下面对这3个参数进行分析。
　　3.1 系统帧配置
　　系统帧配置是影响TD-LTE系统吞吐量的关键因素。
　　TD-LTE系统有7种帧配置，不同帧配置下同一个无线帧中上下行子帧的比例有很大的差异。由式（3）和式（8）可知，共享信道占用的资源与上下行子帧个数密切相关。显然，上行（或下行）子帧个数越多，对应的上行（或下行）吞吐量越大。
　　图1所示的仿真结果直观地反映出系统帧配置对吞吐量的影响。如图所示，不同帧配置对应的上下行峰值速率明显不同。帧配置0、1、2的上行子帧数依次减少，下行子帧数依次增多，因此上行峰值速率逐渐减小，而下行峰值速率逐渐增大。帧配置3、4、5同样如此。帧配置6的上下行子帧数介于配置0和配置1之间，所以其峰值速率也介于两者之间。
　　该仿真结果可以作为小区帧配置选择的参考依据。具体进行规划时，可对小区实际所能达到的系统峰值吞吐量进行仿真，将结果与该理论结果进行分析比较，选择合适的帧配置。例如，当小区上下行吞吐量需求相差不大时，可选择帧配置0；当小区下行吞吐量需求较大时，可选择帧配置5。
　　3.2 系统带宽
　　系统带宽是系统可配置参数中影响TD-LTE系统吞吐量的重要因素。
　　TD-LTE系统支持1.4MHz～20MHz的系统带宽，如表1所示。由式（3）和式（8）可知，RB的大小影响到共享信道占用的资源。系统带宽越大，带宽内承载的RB个数越多，共享信道所能承载的信息量越大。因此，系统带宽的大小直接影响到TD-LTE的系统吞吐量。
　　在不同系统带宽下，对系统帧配置为1、调制方式为64QAM时的系统吞吐量进行了仿真，如图2所示。
　　结果表明，系统带宽对吞吐量的影响很大。在系统带宽为1.4MHz时，上下行吞吐量分别为2.0530Mbps和4.4837Mbps；而在系统带宽为20MHz时，上下行吞吐量分别为35.8877Mbps和90.1770Mbps，约为1.4MHz的18倍。
　　移动通信中，频带资源十分宝贵。网络规划时，应根据实际仿真结果及拥有的频谱资源，结合图2的理论值，在系统吞吐量满足要求的情况下，尽可能选择小的系统带宽，以节约频带资源，减少建网成本。
　　3.3 调制方式
　　调制方式同样是影响TD-LTE系统吞吐量的重要因素。
　　TD-LTE系统吞吐量是共享信道所能承载的数据速率。TD-LTE共享信道支持三种调制方式：QPSK、16QAM和64QAM。根据调制原理可知，调制方式影响到比特调制成符号的个数。由公式（1）可知，调制方式对TD-LTE系统吞吐量的影响很大。

在不同调制方式下，对系统帧配置为1、系统带宽为20MHz时的系统吞吐量进行了仿真，如图3所示：
　　结果表明，调制方式对系统吞吐量的影响很大。QPSK调制方式下，上下行吞吐量分别为7.5965Mbps和19.0881Mbps；16QAM调制方式下，系统上下行吞吐量约为QPSK的2倍；64QAM调制方式下，约为QPSK的4倍。
　　TD-LTE系统采用的是自适应的调制编码方式，网络能根据信道质量的实时检测结果，动态调整用户的编码方式。调制方式由系统SINR值确定[5]。在信道质量很好时，可以采用高阶调制方式；相反只能采用低阶调制方式，以满足BLER需求。
　　4 结论
　　本文归纳总结的TD-LTE系统吞吐量计算方法，将帧结构与吞吐量相结合，全面考虑了系统的控制信息，能够精确计算出不同系统参数配置下TD-LTE的系统吞吐量，可以为TD-LTE网络规划中的容量规划提供参考依据。
　　参考文献：
　　[1] 3GPP TR 25.913 V9.0.0. Requirements for Evolved UTRA（E-UTRAN） and Evolved UTRAN（E-UTRAN）（Release 9）[S]. 2009.
　　[2] 3GPP TS 36.213 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial
　　Radio Access（E-UTRA）； Physical layer procedures（Release 9）[S]. 2010.
　　[3] 3GPP TS 36.211 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Physical Channels and Modulation（Release 9）[S]. 2010.
　　[4] Harri Holma， Antti Toskala. LTE for UMTS-OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access[M]. Great Britain： John Wiley & Sons Ltd， 2009.
　　[5] Stefania Sesia， Issam Toufik， Matthew Baker. LTE—The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice[M]. Great Britain： John Wiley & Sons Ltd， 2009.
　　[6] 3GPP TS 36.212 V9.1.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA）； Multiplexing and channel coding（Release 9）[S]. 2010.
　　[7] 沈嘉，索士强，全海洋，等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2009.
　　[8] 赵训威，林辉，张明，等. 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.
　　[9] 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.