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[论文与期刊] TD—LTE系统吞吐量计算方法及其影响因素的研究 [复制链接]

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发表于 2013-6-11 16:19:07 |显示全部楼层
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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:
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  [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.
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  [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.
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  [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.

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