【資料名稱】：TD—LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法及其影響因素的研究

【資料作者】：轉(zhuǎn)載

【資料日期】：2013

【資料語言】：中文

【資料格式】：DOC

【資料目錄和簡介】：

　　【摘 要】針對TD-LTE網(wǎng)絡規(guī)劃的需求，通過對TD-LTE系統(tǒng)物理層信道的分析與研究，歸納總結(jié)了一種TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法。該方法將系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)引入TD-LTE吞吐量的計算，全面考慮了系統(tǒng)的控制信息，計算結(jié)果精確。通過對系統(tǒng)峰值速率的仿真，驗證了該方法的正確性，并對系統(tǒng)吞吐量的影響因素進行了仿真分析，給出了部分系統(tǒng)參數(shù)的配置建議。
中國論文網(wǎng)
　　【關(guān)鍵詞】TD-LTE 吞吐量 幀配置 網(wǎng)絡規(guī)劃
　　1 引言
　　TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的計算在網(wǎng)絡規(guī)劃中十分重要。系統(tǒng)吞吐量的峰值是分析無線網(wǎng)絡基本能力的一個關(guān)鍵指標，在進行容量規(guī)劃時必須以該值為參照，分析系統(tǒng)實際能達到的平均吞吐量性能。TD-LTE系統(tǒng)中，系統(tǒng)吞吐量與眾多因素有關(guān)，在計算時更需精確。文獻[1]（3GPP標準）中規(guī)定，TD-LTE系統(tǒng)需要達到100Mbps的下行瞬時峰值速率和50Mbps的上行瞬時峰值速率；文獻[2]（3GPP標準）雖然能夠通過查表得到系統(tǒng)吞吐量，但是并未給出達到某一吞吐量時的系統(tǒng)參數(shù)配置，給網(wǎng)絡規(guī)劃帶來不便。
　　本文通過對TD-LTE系統(tǒng)物理信道的分析與研究，歸納總結(jié)出TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的計算方法。該方法能夠精確地計算出不同系統(tǒng)參數(shù)配置下TD-LTE系統(tǒng)吞吐量，可以為網(wǎng)絡規(guī)劃提供參照。根據(jù)本文方法計算出的TD-LTE系統(tǒng)峰值速率達到了文獻[1]的要求，并且與文獻[2]中查表所得的峰值速率基本吻合，從而驗證了該方法的正確性。
　　本文首先在文獻[3]（3GPP標準）的基礎上，歸納總結(jié)出TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法，同時設計了一個針對TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的仿真平臺，對該計算方法進行了仿真分析，驗證了其正確性。最后分析了對TD-LTE系統(tǒng)吞吐量影響較大的部分因素，并且通過仿真，給出了部分系統(tǒng)參數(shù)的配置建議。
　　2 TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法
　　TD-LTE系統(tǒng)中有六個下行物理信道和三個上行物理信道，只有共享信道用于業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸，其余都視為系統(tǒng)的控制信息。計算吞吐量的關(guān)鍵在于能否精確地找出系統(tǒng)的控制信息。由于上下行物理信道的種類和數(shù)量不同，因此計算時需要對上行和下行分別進行考慮。
　　在系統(tǒng)不傳MBSFN子幀和位置參考信號、上行不使用虛擬MIMO技術(shù)[4]且探測參考信號只在UpPTS里傳輸?shù)臈l件下，本文分別給出了TD-LTE系統(tǒng)下行吞吐量和上行吞吐量計算方法。
　　2.1 下行吞吐量計算方法
　　TD-LTE系統(tǒng)下行吞吐量與以下幾個因素有關(guān)：物理下行共享信道（PDSCH）占用的資源單元（RE）個數(shù)、調(diào)制方式、編碼效率、空間復用的層數(shù)和幀長。前三者的乘積表示單個數(shù)據(jù)流時PDSCH上承載的比特數(shù)。由于LTE采用了MIMO技術(shù)，可發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，因此還需要將上述比特數(shù)與空間復用的層數(shù)相乘，得到系統(tǒng)中PDSCH實際承載的比特數(shù)。將其除以幀長，即可得到系統(tǒng)吞吐量。
　　根據(jù)文獻[3]中各下行物理信道的說明，本文歸納總結(jié)出TD-LTE系統(tǒng)下行吞吐量計算方法：
　�。�1）
　　式中，Throughput_dl表示系統(tǒng)下行吞吐量；S表示空間復用的層數(shù)；NPDSCH表示PDSCH占用的RE數(shù)，由（2）式給出；Mode表示調(diào)制方式；Rate表示編碼效率；Length表示一個無線幀的長度。
　　TD-LTE下行有五個物理信道，只有PDSCH用于業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。因此，在總的下行資源中，除去控制信息占用的資源，即為PDSCH占用的資源。其計算方法如下：
　　（2）
　　式中，PDL表示無線幀內(nèi)下行子幀占用的RE數(shù)，由（3）式給出；Qnormal表示常規(guī)子幀內(nèi)下行控制信息占用的RE數(shù)，由（4）式給出；Vspecial表示特殊子幀內(nèi)控制信息占用的RE數(shù)，由（5）式給出。
　　P的大小與RB個數(shù)、子載波數(shù)、下行子幀個數(shù)、特殊子幀個數(shù)及一個子幀內(nèi)的符號數(shù)有關(guān)，計算方法如下：
　�。�3）
　　式中，B表示一個PRB對內(nèi)的符號個數(shù)；表示一個RB內(nèi)子載波的個數(shù)；m和n分別表示在確定的幀配置下，無線幀中下行子幀和特殊子幀的個數(shù)；NRB表示RB個數(shù)。由于特殊子幀中DwPTS用于下行數(shù)據(jù)的傳輸，因此計算時將特殊子幀視為下行子幀。
　　下行控制信息的計算是吞吐量計算的關(guān)鍵。只有準確地定義出下行控制信息，得到的系統(tǒng)吞吐量才精確。因為將特殊子幀視為下行子幀，所以計算下行控制信息時需要對下行子幀和特殊子幀分別進行計算。
　　下行子幀中的控制信息包括：物理下行控制信道（PDCCH）、物理廣播信道（PBCH）、輔同步信號（SSS）、小區(qū)專用參考信號（Cell-RS）、UE專用參考信號（UE-RS）以及空符號。計算方法如下：
　�。�4）
　　當采用常規(guī)CP時，物理控制格式指示信道（PCFICH）和物理HARQ指示信道（PHICH）只在所有下行子幀中的第一個符號上傳輸，因此，PDCCH占用的資源包含這兩者在內(nèi)。式中的空符號出現(xiàn)在PSS、SSS和PBCH中。為了簡化計算，這里將所有的空符號合并。
　　特殊子幀中的控制信息包括：主同步信號（PSS）、PDCCH、Cell-RS和UE-RS。為了簡化計算，將GP和UpPTS視為控制信息。計算方法如下：
　　（5）
　　由式（1）～（5），可精確地計算出TD-LTE系統(tǒng)下行吞吐量Throughput_dl。
　　下行吞吐量計算方法中，式（3）、（4）、（5）是核心部分。式（4）和式（5）計算下行控制信息時，全面考慮了系統(tǒng)中存在的額外開銷，使得計算結(jié)果精確；式（3）將TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)引入吞吐量的計算：通過對系統(tǒng)的幀配置進行選擇，即可確定m和n，從而可以得到不同幀配置下系統(tǒng)的吞吐量。這是十分有必要的。因為TD-LTE系統(tǒng)支持7種不同的幀配置，只有對每種配置下系統(tǒng)所能提供的吞吐量進行分析，才能更合理地選擇小區(qū)的幀配置。 　　2.2 上行吞吐量計算方法
　　上行吞吐量的計算方法與下行類似，主要區(qū)別在于控制信息。根據(jù)文獻[3]中各上行物理信道的說明，本文歸納總結(jié)出TD-LTE系統(tǒng)上行吞吐量計算方法。其過程與下行相同，不再贅述。上行吞吐量計算方法如下：
　�。�6）
　　式中，Throughput_ul表示系統(tǒng)上行吞吐量；NPUSCH表示PUSCH占用的RE數(shù)，由（7）式給出；其余參數(shù)含義與（1）式相同。
　　（7）
　　式中，P表示無線幀中上行子幀占用的RE數(shù)，由（8）式給出；Q表示無線幀內(nèi)上行控制信息占用的RE數(shù)，由（9）式給出。由于特殊子幀中的UpPTS不用于上行業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸，因此式中不需要考慮特殊子幀。
　�。�8）
　　式中，m表示在確定的系統(tǒng)幀配置下，無線幀中上行子幀的個數(shù)；其余參數(shù)與（3）式相同。
　　上行控制信息Q包括：物理上行控制信道（PUCCH）、物理隨機接入信道（PRACH）、物理上行共享信道中的解調(diào)參考信號（PUSCH-DRS）和PUCCH中的解調(diào)參考信號（PUCCH-DRS）。計算方法如下：
　　（9）
　　PUSCH-DRS的符號個數(shù)固定為2。由于PUCCH-DRS在PUCCH中傳輸，因此計算時PUCCH占用的資源時包含PUCCH-DRS在內(nèi)。
　　由式（6）～（9），即可精確地計算出TD-LTE系統(tǒng)上行吞吐量Throughput_ul。
　　根據(jù)上述方法，當采用各種不同系統(tǒng)參數(shù)配置時（如帶寬、CP類型、幀配置、調(diào)制方式等），可以方便精確地計算出系統(tǒng)的上下行吞吐量，為不同系統(tǒng)參數(shù)配置下的容量規(guī)劃提供參照和依據(jù)。
　　由于目前還沒有一種公認的TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法，因此需要對該計算方法的正確性進行驗證。
　　2.3 仿真分析
　　根據(jù)TD-LTE系統(tǒng)峰值速率的仿真，對上述計算方法進行仿真驗證。
　　仿真參數(shù)設置如下：20MHz帶寬，64QAM調(diào)制方式，常規(guī)CP，特殊子幀選擇配置5，下行采用2×2天線，上行采用1×2天線。在此配置下，可使系統(tǒng)達到峰值速率。根據(jù)上述吞吐量計算方法，對TD-LTE系統(tǒng)所有幀配置下的峰值速率進行仿真，如圖1所示：
　　仿真結(jié)果表明，采用幀配置0時，系統(tǒng)上行峰值速率最大，約為54.5781Mbps；采用幀配置5時，下行峰值速率最大，約為140.8358Mbps。該結(jié)果與文獻[2]中的查表值基本吻合（TB_index=22時，上行峰值速率為55.056Mbps；TB_index=25時，下行峰值速率為142.248Mbps）；同時，該結(jié)果達到了文獻[1]的要求。由于全面考慮了系統(tǒng)的控制信息，因此仿真結(jié)果較文獻[2]查表結(jié)果偏小。
　　綜上可知，仿真結(jié)果驗證了本文所提計算方法的正確性。
　　3 TD-LTE系統(tǒng)吞吐量影響因素
　　由前所述的TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法可知，影響TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的系統(tǒng)參數(shù)眾多，包括：系統(tǒng)幀配置、空間復用的層數(shù)、系統(tǒng)帶寬、CP的類型、PDCCH占用的OFDM符號個數(shù)、調(diào)制方式和編碼效率等。其中，系統(tǒng)幀配置、系統(tǒng)帶寬以及調(diào)制方式對系統(tǒng)吞吐量的影響較大。下面對這3個參數(shù)進行分析。
　　3.1 系統(tǒng)幀配置
　　系統(tǒng)幀配置是影響TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的關(guān)鍵因素。
　　TD-LTE系統(tǒng)有7種幀配置，不同幀配置下同一個無線幀中上下行子幀的比例有很大的差異。由式（3）和式（8）可知，共享信道占用的資源與上下行子幀個數(shù)密切相關(guān)。顯然，上行（或下行）子幀個數(shù)越多，對應的上行（或下行）吞吐量越大。
　　圖1所示的仿真結(jié)果直觀地反映出系統(tǒng)幀配置對吞吐量的影響。如圖所示，不同幀配置對應的上下行峰值速率明顯不同。幀配置0、1、2的上行子幀數(shù)依次減少，下行子幀數(shù)依次增多，因此上行峰值速率逐漸減小，而下行峰值速率逐漸增大。幀配置3、4、5同樣如此。幀配置6的上下行子幀數(shù)介于配置0和配置1之間，所以其峰值速率也介于兩者之間。
　　該仿真結(jié)果可以作為小區(qū)幀配置選擇的參考依據(jù)。具體進行規(guī)劃時，可對小區(qū)實際所能達到的系統(tǒng)峰值吞吐量進行仿真，將結(jié)果與該理論結(jié)果進行分析比較，選擇合適的幀配置。例如，當小區(qū)上下行吞吐量需求相差不大時，可選擇幀配置0；當小區(qū)下行吞吐量需求較大時，可選擇幀配置5。
　　3.2 系統(tǒng)帶寬
　　系統(tǒng)帶寬是系統(tǒng)可配置參數(shù)中影響TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的重要因素。
　　TD-LTE系統(tǒng)支持1.4MHz～20MHz的系統(tǒng)帶寬，如表1所示。由式（3）和式（8）可知，RB的大小影響到共享信道占用的資源。系統(tǒng)帶寬越大，帶寬內(nèi)承載的RB個數(shù)越多，共享信道所能承載的信息量越大。因此，系統(tǒng)帶寬的大小直接影響到TD-LTE的系統(tǒng)吞吐量。
　　在不同系統(tǒng)帶寬下，對系統(tǒng)幀配置為1、調(diào)制方式為64QAM時的系統(tǒng)吞吐量進行了仿真，如圖2所示。
　　結(jié)果表明，系統(tǒng)帶寬對吞吐量的影響很大。在系統(tǒng)帶寬為1.4MHz時，上下行吞吐量分別為2.0530Mbps和4.4837Mbps；而在系統(tǒng)帶寬為20MHz時，上下行吞吐量分別為35.8877Mbps和90.1770Mbps，約為1.4MHz的18倍。
　　移動通信中，頻帶資源十分寶貴。網(wǎng)絡規(guī)劃時，應根據(jù)實際仿真結(jié)果及擁有的頻譜資源，結(jié)合圖2的理論值，在系統(tǒng)吞吐量滿足要求的情況下，盡可能選擇小的系統(tǒng)帶寬，以節(jié)約頻帶資源，減少建網(wǎng)成本。
　　3.3 調(diào)制方式
　　調(diào)制方式同樣是影響TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的重要因素。
　　TD-LTE系統(tǒng)吞吐量是共享信道所能承載的數(shù)據(jù)速率。TD-LTE共享信道支持三種調(diào)制方式：QPSK、16QAM和64QAM。根據(jù)調(diào)制原理可知，調(diào)制方式影響到比特調(diào)制成符號的個數(shù)。由公式（1）可知，調(diào)制方式對TD-LTE系統(tǒng)吞吐量的影響很大。 　　在不同調(diào)制方式下，對系統(tǒng)幀配置為1、系統(tǒng)帶寬為20MHz時的系統(tǒng)吞吐量進行了仿真，如圖3所示：
　　結(jié)果表明，調(diào)制方式對系統(tǒng)吞吐量的影響很大。QPSK調(diào)制方式下，上下行吞吐量分別為7.5965Mbps和19.0881Mbps；16QAM調(diào)制方式下，系統(tǒng)上下行吞吐量約為QPSK的2倍；64QAM調(diào)制方式下，約為QPSK的4倍。
　　TD-LTE系統(tǒng)采用的是自適應的調(diào)制編碼方式，網(wǎng)絡能根據(jù)信道質(zhì)量的實時檢測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整用戶的編碼方式。調(diào)制方式由系統(tǒng)SINR值確定[5]。在信道質(zhì)量很好時，可以采用高階調(diào)制方式；相反只能采用低階調(diào)制方式，以滿足BLER需求。
　　4 結(jié)論
　　本文歸納總結(jié)的TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法，將幀結(jié)構(gòu)與吞吐量相結(jié)合，全面考慮了系統(tǒng)的控制信息，能夠精確計算出不同系統(tǒng)參數(shù)配置下TD-LTE的系統(tǒng)吞吐量，可以為TD-LTE網(wǎng)絡規(guī)劃中的容量規(guī)劃提供參考依據(jù)。
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