TD-LTE吞吐量计算研究

本期关注肖清华MonthlyFocusTD-LTE系统吞吐量能力定量分析162013/03/DTPTTD-LTE系统吞吐量能力定量分析TheQuantitativeAnalysisofTD-LTESystemThroughput肖清华（华信邮电咨询设计研究院有限公司，浙江杭州310014）XiaoQinghua（HuaxinConsultingCo.，Ltd.，Hangzhou310014，China）摘要：明确分析了影响TD-LTE系统吞吐量能力的相关因素，从不同RB带宽配置、常规子帧配比、特殊子帧配比等方面量化性地给出了TD-LTE系统吞吐量能力的计算方法和结果。在此基础上，对TD-LTE吞吐量能力与以上三者的关系作了细致入微的分析，给出在实际组网中涉及远距离覆盖场景中覆盖与吞吐量能力的平衡、与TD-SCDMA协同组网、如何高效合理配置RB资源等建议。关键词：TD-LTE；系统吞吐量；常规子帧；特殊子帧中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2013）03-0016-05Abstract：ItanalyzestherelatedfactorswhicheffectsTD-LTEsystemthroughput,givesthecalculationmethodsandtheresultsonTD-LTEsystemthroughputfromtheaspectsofdifferentRBbandwidthandsub-frameconfiguration.Then,itanalyzestherelationshipamongthesefactorsindetail.FinallyitgivessuggestionsonhowtobalanceTD-LTE’scoverageabilityandthroughput,howtobuildaharmoniousmobilenetworkwithTD-SCDMA,andhowtoconfigureRBresourcesefficiently.Keywords：TD-LTE;Systemthroughput;Ordinarysub-frame;Specialsub-frame0前言［1］统吞吐量是如何变化的。大唐移动［4］从理论上提出一个峰值速率的计算方法，一定程度上可以理解为从系LTE通过采用OFDM、SC-FDMA和MIMO等多统结构上研究系统吞吐量的数据模型。但该模型过于种关键技术［2］可以显著降低用户平面和控制平面的时延，实现比目前2G/3G系统更快的数据速率、提供更高的小区吞吐量。因此，作为四网协同的重要组成部分，中国移动主推TD-LTE用来分流和承载现网中高负荷的数据流量。正如笔者之前的研究［3］所表明，影响TD-LTE的系统吞吐量的因素很多，包括系统带宽、上下行子帧配比、特殊子帧配比、控制信道开销、业务类型等。因此，目前尚未有一个针对TD-LTE容量的系统研究，即在不同的系统带宽、不同的上下行子帧配比，以及不同的特殊子帧配比情形下，TD-LTE的系——————————收稿日期：2013-01-17简单，且对特殊子帧传送的数据比特加入人为假设，导致精确度不高。基于此，本文从系统带宽、上下行子帧配比和特殊子帧配比入手，深入定量分析TD-LTE的系统吞吐量能力。1结构模型在系统吞吐量分析前，根据3GPPTS26.211提出TD-LTE的系统结构场景模型。首先是TD-LTE带宽场景（见表1）。其次，给出吞吐量分析的3种特殊子帧配比场景（见表2）。第I种场景是TD-LTE组网应用最典型的场景，第肖清华本期关注TD-LTE系统吞吐量能力定量分析MonthlyFocus17邮电设计技术/2013/03带宽场景/MHz1.435101520传输带宽RB数量615255075100子载波721803006009001200MHz1.082.74.5913.518保护带宽MHz0.320.30.511.52%231010101010时隙配比场景下行∶上行备注①1∶3比较少见②2∶2典型场景③3∶1追求数据流量表1TD-LTE系统带宽和保护带宽无论是上行还是下行，均可以采用单位时间传送的比特流量来作为系统容量的衡定。式中：M=R=TNc+NtT（1）表2TD-LTE特殊子帧配比场景特殊帧场景UpPTSGPDwPTS备注I2210开销比例2II1103开销比例1III293开销比例1II种则是系统覆盖能力最强的场景，第III种是备选场景。开销比例表示DwPTS中传输控制信号的OFDM数。M——TD-LTE吞吐量R——传输比特（Mbit）T——单位时间（s）Nc——常规子帧数据量Nt——特殊子帧数据量结合TD-LTE的无线帧结构（见图1），可以从1个子帧吞吐的数据能力入手分析。在单位子帧吞吐的数据流量中，包括纯数据流（总OFDM符号）、控制符号、RS参考信号等，结合调制模式及编码率可以得到：Bsubf=NDBMdRb（2）最后，考虑到TD-LTE是TDD系统，需要给出其时隙配比场景（见表3）。表3TD-LTE时隙配比场景式中：Bsubf——每子帧传输比特数NDB——总符号数Md——调制阶次Rb——编码率显然，N=N［N（N-N）-N］（3）为简化分析难度，全文假设TD-LTE采用64QAM式中：DBRBSCOFDMCR_OFDMRS调制，即调制阶次为6，编码率0.9258，下行采用2×2，上行采用1×2流数。上、下行系统吞吐量的计算原理类似，本文如不加说明，将以下行吞吐量为计算样例。2常规子帧传输流量NRB——带宽内的RB数NSC——每RB的子载波数NOFDM——总的符号数NCR_OFDM——控制符号数NRS——参考信号数综合式（2）和式（3），即得：作为评估吞吐量的典型方式，TD-LTE也不例外，Bsubf=NR［BNS（CNOFDM-NCR_OFDM）-NRS］MdRb（4）Oneradioframe，Ts=307200Ts=10msOnehalt-frame153600Ts=5msOneslotTslot=15360Ts30720Tssubframe#0subframe#2subframe#3subframe#4subframe#5subframe#7subframe#8subframe#9Onesubframe30720TsDwPTSGPUpPTSDwPTSGPUpPTS图1TD-LTE帧结构本期关注肖清华MonthlyFocusTD-LTE系统吞吐量能力定量分析182013/03/DTPTNRBNSCNS_FDMNCR_OFDMNRSMdRbBDwpts61220.5700860.93304.71151220.2300860.931104.59251220.1400860.931993.34501220.0700860.934215.21751220.0500860.936437.091001220.0343860.938658.96TDD配置上下行转换时长/ms子帧号012345678905DSUUUDSUUU15DSUUDDSUUD25DSUDDDSUDD310DSUUUDDDDD410DSUUDDDDDD510DSUDDDDDDD65DSUUUDSUUDNRBNSCNS_FDMNCR_OFDMNRSMdRbBDwpts61280.57860.932704.34151280.23860.937103.65251280.14860.9311991.78501280.07860.9324212.09751280.05860.9336432.401001280.03860.9348652.71表4TD-LTE的常规子帧传输数据流表6场景II/II（I3∶10∶1和3∶9∶2）的特殊子帧传输数据流NRBNSCNCR_OFDMNRSMdRbBsubf6120.57860.935103.9615120.23860.9313102.7125120.14860.9321990.2150120.07860.9344208.9675120.05860.9366427.71100120.03860.9388646.46参考信号数与上下行的天线流数相关，下行2×2，上行1×2所对应的参考信号数分别为8和4。在单位常规子帧情形下，NOFDM=14，控制符号只存在于PBCH，占据前4个OFDM符号。表4示出的是，结合表1提及的6种带宽场景计算出的常规子帧传输吐量为Mdl=式中：Ndl_c+Ndl_t=TNdl_streamNdl_subf-iBsubf+Ndl_streamBDwptsLsubf_i（6）数据流。3特殊子帧传输流量特殊子帧包括DwPTS、GP、UpPTS。涉及传输流量的为DwPTS和UpPTS，由于两者承载方式也类似，本节仅以DwPTS为例进行说明。特殊子帧传输流量的计算方式类同于常规子帧。唯一区别的是，在常规子帧中NOFDM表示子帧总的符号数是固定的，而在特殊子帧中，代之以NS_OFDM表示下行承载符号数，与特殊子帧的开销比例息息相关（见表2）。在10∶2∶2的特殊帧场景下，其值为8，其余2个场景均为2。由此，可根据式（4）仿造出特殊子帧的传输流量公Mdl——TD-LTE下行吞吐量Ndl_c——常规子帧数据量Ndl_t——特殊子帧数据量Ndl_stream——下行流数Ndl_subf_i——下行配置i时的子帧数（见表7）Lsubf_i——配置i时的无线帧长表7TD-LTE子帧配置式。BDwpts=NR［BNS（CNS_OFDM-NCR_OFDM）-NRS］MdRb（5）由于特殊子帧在不同的特殊帧场景配置不同，其计算结果也有所不同，但场景II、III由于开销比例相进行同类项合并后，得到同，其结果是一样的（见表5和表6）。4上下行吞吐量分析MdlNdl_stream(Ndl_subf-iBsubf+BDwpts)=Lsubf_i（7）由式（1）、（4）和（5）可知，TD-LTE的下行系统吞类似地，根据公式（7），结合式（4）和（5），可得TD-LTE上行的系统吞吐量。Nul_streamNul_subf-i[NRBNSC(NOFDM-NRS)MdRb]表5场景（I10∶2∶2）的特殊子帧传输数据流Mul=Lsubf_i（8）如此，在不同的系统带宽场景下，结合不同的特殊帧场景（I、II、III），以及系统时隙配比①、②、③，即可得出不同场景下的系统吞吐量。以NRB=100（RB）配置场景为例，对①、②、③3种时隙配比场景进行吞吐量说明（见表8和表9）。在此基础上，给出不同带宽场景，不同特殊帧场肖清华本期关注TD-LTE系统吞吐量能力定量分析MonthlyFocus19邮电设计技术/2013/03表8场景（I10∶2∶2）100RB配置的TD-LTE系统吞吐量NRB=1001∶32∶23∶1下行上行下行上行下行上行Ndl_stream/Nul_stream212121Ndl_subf_i/Nul_subf_i264462Bsubf88646.4688646.4688646.4688646.4688646.4688646.46BDwpts48652.7148652.7148652.7148652.7148652.7148652.71Lsubf_i0.010.010.010.010.010.01系统吞吐量（/Mbit/s)43.1031.7976.9121.20110.7310.60表9场景II/II（I3∶10∶1和3∶9∶2）100RB配置的TD-LTE系统吞吐量NRB=1001∶32∶23∶1下行上行下行上行下行上行Ndl_stream/Nul_stream212121Ndl_subf_i/Nul_subf_i264462Bsubf88646.4688646.4688646.4688646.4688646.4688646.46BDwpts8658.968658.968658.968658.968658.968658.96Lsubf_i0.010.0