TDD物理层峰值理论速率的计算专题

TDD物理层下行峰值理论速率的计算方法通常我们都说TD-LTE的下行速率达到100Mbps,那么这速率是如何计算得到的呢?下面我们将详细的告诉大家。

一、无线帧的认识

理论上的峰值下行速率指在20M带宽内,所有的业务信道给单用户使用时所计算得出的,此速率是在一个无线帧内,除去下行控制信道(PDCCH),物理广播信道(PBCH),主同步信号(PSS),辅同步信号(SSS)和导频信号(RS)后,所有RE占用业务时的最大峰值速率。

TD-LTE的一个无线帧如下图:

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(图1)

与TDS有所相似,每个10ms无线帧包括2个长度为5ms的半帧,每个半帧由4个数据子帧和1个特殊子帧组成。数据子帧与特殊子帧都是1ms一帧,每个特殊子帧包括3个特殊时隙:DwPTS,GP和UpPTS。其中子帧0、5和DwPTS总是用于下行发送。其它子帧按照配置配比而确定是用于上行还是下行发送。

一个子帧由2个时隙组成,每个时隙在时域上通常由7个OFDM符号组成(在使用扩展循环前缀时,由6个OFDM符号组成),时长0.5ms。

LTE上下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子(RE:Resource Element),时域上1个OFDM符号,频域上1个子载波(15KHz)。

LTE 在进行数据传输时,将上下行时频域物理资源组成资源块(RB:Resource Block),作为物理资源单位进行调度与分配,时域上1个时隙(6个或7个符号组成1个时隙),时长0.5ms,频域上12个子载波(180KHz)。

一个 RB由若干个 RE组成,在频域上包含 12个连续的子载波、在时域上包含 7个连续的OFDM符号(在 Extended CP情况下为 6个),即频域宽度为 180kHz,时间长度为0.5ms。

不同带宽对应RB数

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(图2)

图2为TDD的时频示意图,图上时域上只显示了3个子帧。其中,各信道占用如下:PBCH:PBCH位于子帧0时隙1的前4个OFDM符号,频域上占用中间的6个RB的72个子载波,调制方式QPSK;

PDCCH、PCFICH、PHICH:根据PCFICH指示,映射在一个子帧(包括特殊子帧的下行处)的前N(N<=4)个OFDM符号,调制方式QPSK。

PSS:时域上在无线帧的特殊子帧第3个符号,频域上在整个带宽的中间区域,占用6个RB;SSS:时域上在无线帧的第一个子帧最后1个符号,频域上在整个带宽的中间区域,占用6个RB;

其中,无线帧的上下行时隙配比3GPP协议已有,如下图。深圳TD-LTE现网业务子帧配比中D、E频选择模式1,F频选择模式2;

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(图3)

特殊子帧配置表协议规定如图4,深圳TD-LTE现网特殊子帧D、E频配置模式7,F频配置模式5;(备注:特殊子帧下行符号大于等于9时即可带下行业务,其中F频因与TDS 共站,配比时隙需要与TDS同步,所以配比需要配置模式5);

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(图4)

二、TDD峰值速率计算方式

下面通过例子进行计算,以便更好的理解。这里以20M带宽,2*2 MIMO,子帧与特殊子帧配比为2/7模式(Sa2为1:3,SS7为10:2:2),PDCCH符号为2,64QAM编码为例进行计算(参考图2):

10ms内,下行物理数据业务RE数量计算如下:

下行总RE数为:7*2*6*1200+10*2*1200=124800,(一个子帧7*2个符号*6个下行子帧*频域的1200个子载波)

PBCH:4*6*12=288,(时隙上4个符号*频域上6个RB*12个子载波)

PSS:1*6*12*2=144,(时隙上1个符号*频域上6个RB*12个子载波*10ms内两次主同步信号)

SSS:1*6*12*2=144,(时隙上1个符号*频域上6个RB*12个子载波*10ms内两次辅同步信号)

RS:4*4*100*6+8*100*2=11200,(一个RB4*4个RS信号*100个RB*6个下行子帧+特殊子帧8个RS*100个RB*10ms内两次特殊子帧)

PDCCH:2*1200*(3+1)*2-4*100*6+4*6+4*100*2=15976,(2个符号的PDCCH*1200个子载波*(3个下行+1个特殊子帧下行)*10ms内两次-因部分PCDDH上的RE已被RS信号和PBCH 需要除去)

业务RE数=下行总RE数-PBCH-PSS-SSS-RS-PDCCH

124800-288-144-144-11200-15976=97048

速率=RE*6*0.925781*2=97048*6*0.925781*2/0.01=107.81Mbps(RE数*64QAM即2的6次方*编码效率*2个半帧/10ms)

所以计算得出理论速率为107.81Mbps,就是大家常说的100Mbps的由来。

编码效率根据不同的CQI值而取,同时与各厂家设计有偏差,如下图(5、6):

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(图5)(图6)

同时,终端的能力也对业务速率有一定的影响,如下图:

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(图7)

现阶段我们常用的海思与创毅终端都是CAT3模式,即最大支持102.048Mbps。

三、下行实际信道资源计算

实际中,TD-LTE网络在实际中的下行速率是终端根据无线环境的变化而改变的。终端根据业务速率和频谱效率决定下行传输所需PRB资源,同时,终端会周期与非周期的反馈CQI (如图5),由SINR与调制方式的映射关系可以确定终端传输所采用的调制方式,然后通过附表1的映射表可以得到I MCS和I TBS的取值范围,再通过传输块长度表附表2可以确定TBS,由TBS和N PRB确定I TBS,最终确定I MCS。因此我们可以通过对应的TBS计算出下行的峰值速率。如下图:

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(图8)

其中下行最大TBS 是映射到两层空分复用时传输块的大小,由附表2取得一层最大TBS :75376对应于附表3为149776。对于551PR B ≤≤N ,TBS 由附表1中的(TBS I ,PRB 2N ?)决定。 对于11056PR B ≤≤N ,由附表1中(TBS I ,PR B N ) 决定的基线TBS_L1,按照表附表3中的映射规则转换到TBS_L2,TBS 由TBS_L2给出。

对比TBS 计算的结果,已经和帧结构计算的结果相差不大,方便于平时的计算。 附表1

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附表2

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附表3

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