TD_LTE相关计算

一、速率计算在LTE的帧结构中，都有资源块的概念。一个资源块的带宽为180kHz，由12个带宽为15kHz的子载波组成，在时域上为一个时隙（0.5ms），所以1个RB在时频上实际上是1个0.5ms，带宽180kHz的载波。有两种循环前缀，一种是一般循环前缀（NormalCP），一个时隙里可以传7个OFDM；另一种是扩展循环前缀（ExtendedCP），一个时隙里可以传6个OFDM。ExtendedCP可以更好的抑制多径延迟造成的符号间干扰、载频间干扰，但是它一个时隙只能传6个OFDM，和NormalCP相比代价是更低的系统容量，在LTE中默认使用NormalCP。一个OFDM符号的数据承载能力就取决于调制方式，分别为2/4/6个bit（对应QPSK,16QAM,64QAM）。LTE在20MHz带宽下RB数为100个，在1.4MHz带宽时为6个，1.4MHz定义为最小频宽是因为PBCH,PSCH,SSCH最少都要占用6个RB。在20MHz带宽的情况下，可以有的RB数目=20MHz/180KHz=111个，要除去冗余可用的RB数也就是100个。一个时隙（0.5ms）内传输7个OFDM符号，即在1ms内传输14个OFDM符号，一个资源块（RB）有12个子载波（即每个OFDM在频域上也就是15KHZ），所以1ms内（二个RB）的OFDM个数为=14*12=168个，它下行采用OFDM技术，每个OFDM包含6个bits，则20M带宽时下行速率为：OFDM的bits数*1ms(2个RB）中的OFDM数*20M带宽的RB个数*1000ms/s=6*168*100*1000=100800000Bits/s=100Mb因为我们前面说了，20MHz带宽理论值可以有111个RB的，所以LTE20M带宽下可以达到的速率也有可能超过100Mb。LTE的时间单元Ts=1/(15000*2048)秒，（15kHz的子载波带宽，2048个子载波，总带宽为15000*2048=30720000Hz）2048个子载波的来历：对于依靠IFFT/FFT来实现OFDM的系统来说，采样频率是这样确定的：采样频率＝N×子载波间隔，N为不小于系统射频工作带宽/子载波间隔的最小2的次幂；如：20M/15K＝1333，则不小于1333的最小2的次幂是2048；所以采样频率＝2048×15K＝30.72M。二、覆盖距离计算系统的覆盖距离与系统带宽基本无关，本文以20MHz带宽为例分析TD-LTE系统的覆盖距离。TD-LTE子载波间隔Δf=15kHz，时域的基本单位Ts=1/(15000*2048)s=32.55μs，基带采样率fs=1/Ts=30.72MHz。TD-LTE帧结构如图1所示:DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成一个特殊子帧，特殊子帧长度之和是1ms。TD-LTE系统支持5ms和10ms的切换点周期，支持7种上下行时隙配置。TD-LTE的一个子帧包含2个时隙，Tslot=0.5ms，有两种时隙结构，如图2所示。TD-LTE系统中，影响系统覆盖距离的参数有RB配置、频率复用系数、发射功率、CP配置、GP配置和随机接入突发信号格式等。下面重点分析CP配置、GP配置和随机接入突发信号格式这3个参数对系统覆盖距离的影响。OFDM技术能有效克服频域上的干扰问题，但是无法克服由于多径时延造成的符号间干扰（ISI）和子载波正交性破坏问题。多径时延表现为信号经过无线信道后发生的较大时延及幅度衰减。对此，在TD-LTE系统中，在每个OFDM符号之前加入循环前缀CP。只要各径的多径时延与定时误差之和不超过CP长度，就能保证接收机积分区间内包含的各子载波在各径下的整数波形，从而消除多径带来的符号间干扰和子载波间的干扰（ICI）。在系统设计时，要求CP长度大于无线信道的最大时延扩展。多径时延扩展与小区半径和无线信道传播环境相关，接下来分析无线信号在不同传播环境下的功率时延分布情况。通常用均方根（rms，rootmeansquare）多径延迟扩展τrms来描述功率延迟分布情况，可以用式（1）表示：τrms=T1dεy（1）表1给出了对于不同小区半径d，在四种传播环境下，包含90%能量的τrms值：正常CP：正常CP有7个OFDM符号，第1个OFDM符号的CP长度是5.21μs，第2到第7个OFDM符号的CP长度是4.69μs。正常CP可以在1.4km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力，适合于市区、郊区、农村以及小区半径低于5km的山区环境。扩展CP：扩展CP有6个OFDM符号，每个OFDM符号的CP长度均是16.67μs。扩展CP可以在10km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力，适合于覆盖距离大于5km的山区环境以及需要超远距离覆盖的海面和沙漠等环境。TD-LTE系统利用时间上的间隔完成双工转换，但为避免干扰，需预留一定的保护间隔（GP）。GP的大小与系统覆盖距离有关，GP越大，覆盖距离也越大。GP主要由传输时延和设备收发转换时延构成，即：GP=2×传输时延+TRx-Tx,Ue（2）最大覆盖距离=传输时延*c=(GP-(TRx-Tx,Ue))*C/2（3）其中c是光速。TRx-Tx,Ue为UE从下行接收到上行发送的转换时间，该值与输出功率的精确度有关，典型值是10μs～40μs，在本文中假定为20μs。TD-LTE覆盖距离见表2。DwPTS用于传输下行链路控制信令和下行数据，因此GP越大，则DwPTS越小，系统容量下降。在系统设计中，常规CP的特殊子帧配置7即10:2:2是典型配置，该配置下理论覆盖距离达到18.4km，既能保证足够的覆盖距离，同时下行容量损失又有限。扩展CP的特殊子帧配置0即3:8:1，覆盖距离可以达到97km，适合于海面和沙漠等超远距离覆盖场景。TD-LTE与TD-SCDMA共系统设计方案，需要精心选择特殊子帧配置以彻底规避干扰。具体结论如下：TD-SCDMADL/UL（TS0除外）时隙是4:2，TD-LTEDL/UL时隙是3:1时，常规CP特殊子帧采用配置0和5，扩展CP特殊子帧配置采用配置0和4。TD-SCDMADL/UL（TS0除外）时隙是3:3，TD-LTEDL/UL时隙是2:2时，常规CP特殊子帧采用配置0、1、2、5、6、7和8，扩展CP特殊子帧采用配置0、1、2。TD-SCDMADL/UL（TS0除外）时隙是1:5，TD-LTEDL/UL时隙是1:2时，常规CP特殊子帧采用配置0和5，扩展CP特殊子帧采用配置0和4。在TS36.211中定义了五种随机接入突发信号格式。物理层随机接入突发信号由CP、前导序列Preamble、保护时间GT三部分组成，结构如图3所示：图3随机接入突发信号格式由于接入时隙需要克服上行链路的传播时延以及用户上行链路带来的干扰，因此需要在时隙设计中留出足够的保护时间，该保护时间即为GT。GT长度决定了能够支持的接入半径：小区覆盖距离=GT*c/2（4）其中c是光速。(理解：在进行前导传输时，由于还没有建立上行同步，因此需要在Preamble序列之后预留保护时间（GT,GuardTime）用来避免对其他用户的干扰；预留的GT需要支持传输距离为小区半径的两倍，这是因为在发送Preamble时还不知道基站和终端之间的距离，GT的大小必须保证小区边缘的用户获得下行同步（小区搜索）后，能够有足够多的时间提前发送)随机接入前导信号格式和覆盖距离的对应关系如表3，其中：前导信号格式0，最大小区覆盖距离14km，适合于正常覆盖小区。前导信号格式1，最大小区覆盖距离77km，适合于大的覆盖小区。前导信号格式2，最大小区覆盖距离29km，前导信号重复1次，信号接收质量提高，适合于较大覆盖小区以及UE移动速度较快的场景。前导信号格式3，最大小区覆盖距离107km，前导信号重复1次，信号接收质量提高，适合于海面和沙漠等超远距离覆盖。前导信号格式4，是TD-LTE系统所特有的，它在特殊时隙中UpPTS里发射，最大小区覆盖距离1.4km，适合于室内和室外密集市区。在同等条件下，RB配置增加对下行覆盖的影响不大，但会引起上行底噪的抬升。由于终端功率有限，如果已达到终端最大发射功率，再增加RB会减小上行覆盖半径。小区用户数增加，则系统负荷升高，系统干扰水平上升，所需的干扰余量越大，基站覆盖半径越小。在LTE规划时，需要兼顾容量与覆盖的平衡，降低投资成本。频率复用系数越大，小区间干扰越小，覆盖半径应该增加，有助于改善覆盖性能。频率复用系数为3，也即异频组网的情况，影响覆盖性能的主要是系统功率；频率复用系数为1，也即同频组网时的情况，此时影响覆盖性能的主要是C/I，即干扰受限。如果不考虑多小区间干扰的影响，那么发射功率越大，越能够补偿路径损耗和信号衰落等的影响，覆盖性能越好。实际组网必须考虑小区间干扰的影响，发射功率不建议随意设置。TD-LTE的覆盖距离由多种参数决定。在系统规划时，需要根据小区的覆盖距离和无线环境，确定各个参数的合理数值，做到既满足覆盖距离的要求，又不损失过多的系统容量，降低建设成本，提高性价比。