我们常听到”LTE网络可达到峰值速率100M、150M、300M,发展到LTE-A更是可以达到1Gbps“等说法,但是这些速率的达成究竟受哪些因素的影响且如何计算呢?
为了更好的学习峰值速率计算,我们可以带着下面的问题来一起阅读:
1
、LTE
系统中,峰值速率受哪些因素影响?
2
、FDD-LTE
系统中,Cat3
和Cat4
,上下行峰值速率各为多少?
3
、TD-LTE
系统中,以时隙配比3:1
、特殊子帧配比10:2:2
为例,Cat3
、Cat4
上下行峰值速率各为多少?
3
、LTE-A
(LTE Advanced
)要实现1Gbps
的目标峰值速率,需要采用哪些技术?
影响峰值速率的因素有哪些?
影响峰值速率的因素有很多,包括:
1. 双工方式——FDD、TDD
FDD-LTE
为频分双工,即上、下行采用不同的频率发送;而TD-LTE
采用时分双工,上、下行共享频率,采用不同的时隙发送。
因此如果采用相同的带宽和同样的终端类型,FDD-LTE
能达到更高的峰值速率。
2. 载波带宽
LTE
网络采用5MHz
、10MHz
、15MHz
、20MHz
等不同的频率资源,能达到的峰值速率不同。
3. 上行/下行
上行的业务需求本就不及下行,因此系统设计的时候也考虑“下行速率高些、上行速率低些”的原则,实际达到的效果也是这样的。
4. UE能力级
即终端类型的影响,Cat3
和Cat4
是常见的终端类型,FDD-LTE
系统中,下行峰值速率分别能达到100Mbps
和150Mbps
,上行都只能支持最高16QAM
的调制方式,上行最高速率50Mbps
。
5. TD-LTE系统中的上下行时隙配比、特殊子帧配比
不同的上下行时隙配比以及特殊时隙配比,会影响TD-LTE
系统中的峰值速率水平。
上下行时隙配比有1:3
和2:2
等方式,特殊时隙配比也有3:9:2
和10:2:2
等方式。考虑尽量提升下行速率,国内外目前最常用的是DL:UL=3:1
、特殊时隙配比10:2:2
这种配置。
6. 天线数、MIMO配置
Cat4
支持2*2MIMO
,最高支持双流空间复用,下行峰值速率可达150Mbps
;Cat5
支持4*4MIMO
,最高支持四层空间复用,下行峰值速率可达300Mbps
。
7. 控制信道开销
计算峰值速率还要考虑系统开销,即控制信道资源占比。实际系统中,控制信道开销在20~30%
的水平内波动。
总之,有很多因素影响所谓的“峰值速率”,所以提到峰值速率的时候,要说明是在什么制式下、采用了多少带宽、在什么终端、什么方向、什么配置情况下达到的速率。
下行峰值速率的计算:
计算峰值速率一般采用两种方法:
第一种:是从物理资源微观入手,计算多少时间内(一般采用一个TTI
或者一个无线帧)传多少比特流量,得到速率;
另一种:是直接查某种UE
类型在一个TTI
(LTE
系统为1ms
)内能够传输的最大传输块,得到速率。
下面以FDD-LTE
为例,分别给出两种方法的举例。
【方法一】
首先给出计算结果:
20MHz
带宽情况下,一个TTI
内,可以算得最高速率为:
总速率=
,
业务信道的速率=201.6*75%
≈150Mbps
数字含义:
6
:下行最高调制方式为64QAM
,1
个符号包含6bit
信息;
2
和7
:LTE
系统的TTI
为1
个子帧(时长1ms
),包含2
个时隙,常规CP
下,1
个时隙包含7
个符号;因此:在一个TTI
内,单天线情况下,一个子载波下行最多传输数据6
×7
×2bit
;
2
:下行采用2
×2MIMO
,两层空分复用,双流可以传输两路数据;
1200
:20MHz
带宽包含1200
个子载波(100
个RB
,每个RB
含12
个子载波)
75%
:下行系统开销一般取25%
(下行开销包含RS
信号(2/21)
、PDCCH/PCFICH/PHICH(4/21)
、SCH
、BCH
等),即下行有效传输数据速率的比例为75%
。
如果是TD-LTE
系统,还要考虑上下行的时隙配比和特殊时隙配比,对下行流量对总流量占比的影响。
如在时隙配比3:1/
特殊子帧配比10:2:2
的情况下:
一个无线帧内,各子帧依次为DSUDDDSUDD
,其中D
为下行子帧U
为上行子帧,每个子帧包含2
个时隙共14
个符号,S
为特殊子帧,10:2:2
的配置,表示DwPTS(Downlink Pilot TimeSlot)
、GP(Guard Period)
和UpPTS(Uplink Pilot TimeSlot)
各占10
个、2
个和2
个符号。那么所有下行符号等效在一个TTI
内占的比例为(6*14+2*10)/14*10=74%
,如果也粗略考虑75%
的控制信道开销,那么TD-LTE
系统在3:1/10:2:2
的配置下,下行峰值速率可达:201.6*75%*74%
≈112Mbps
其他的时隙配比、特殊子帧配比,都可以参考这个方法来计算。
【方法二】
这个方法简单直观很多,如下表,第一列是终端类型1~8(
常用3
、4)
第二列为一个TTI
内传输的最大传输块bit
数,那么峰值速率就等于最大传输块大小/
传输时间间隔,以Cat3
和Cat4
为例,峰值吞吐率分别为102048/0.001=102Mbps
和150752/0.001=150Mbps
。Cat5
因为可以采用了4*4
高阶MIMO
,4
层空分复用在一个TTI
内传299552bit
,因此能达到300Mbps
的下行峰值速率。
FDD-LTE
系统,计算可到此为止,TD-LTE
系统需要再根据时隙配比/
特殊子帧配比乘上比例,Cat3
和Cat4
的下行峰值吞吐率分别为75Mbps
和111Mbps
。
超级啰嗦:
1
、Cat3
因为最大传输块为102048
,所以FDD-LTE
中峰值速率最高只能到100Mbps
。
2
、控制信道开销的计算,受RS
信号、PDCCH/PCFICH/PHICH
、SCH
、BCH
等因素影响,前两部分占比较高(分别2/21
和14/21
),SCH
和BCH
占比较少(两者相加不足1%
),篇幅有限,抱歉不做详细介绍。
3
、TD-LTE
的峰值速率的计算,这里是按照1
个TTI
(1ms
)来计算的,思路可能有点绕,如果将时间考虑为10ms
的无线帧,计算就会更加直观一些,10ms
内,有几个下行子帧,乘以每个子帧传的比特数或者传输块大小,得到的结果虽然一样,但用无线帧10ms
的计算方式更好理解一些,可自行尝试计算。
上行峰值速率的计算:
【方法一】
首先给出计算结果:
20MHz
带宽情况下,一个TTI
内,可以算得最高速率为:
总速率=
数字含义:
4
:上行最高调制方式为16QAM
,1
个符号包含4bit
信息;
2
和7
:LTE
系统的TTI
为1
个子帧(时长1ms
),包含2
个时隙,常规CP
下,1
个时隙包含7
个符号;因此:在一个TTI
内,单天线情况下,一个子载波上行最多传输数据4
×7
×2bit
;
96*12
:20MHz
带宽共100
个RB
,假设PUCCH
占用2
个RB
,上行RB
数要遵循“2/3/5
”的原则,所以PUSCH
最多用96
个RB
,每个RB
含12
个子载波;
79%
:系统开销一般取25%
(考虑RS
消耗1/7
、SRS
消耗1/14
),即上行有效传输数据速率的比例为79%
。
【方法二】
直接用最大传输块来计算,可见Cat3
和Cat4
的上行峰值速率为51Mbps
(最高调制方式16QAM
)、Cat5
的上行峰值速率可达75Mbps
(最高调制方式64QAM
)。
TD-LTE
系统中,和下行一样,以时隙配比3:1/
特殊子帧配比10:2:2
的配置为例:DSUDDDSUDD。
所有上行符号占的比例就是(2*14+2*2)/14*10=21.4%
,这时TD-LTE
系统的上行峰值速率可达:51Mbps*21.4%=10.5Mbps
超级啰嗦:
1
、上行开销的计算也有很多不同的版本,比如是否考虑PUCCH
、SRS
,是否考虑PRACH
(PRACH
每20ms
发送一次,在时间上占5%
,PUSCH
每ms
发送,在时间上占95%
),以及RB
数的应用(是否遵循2/3/5
的原则),考虑不同的因素可以根据运营商的实际要求,计算结果偏差不会很大。
2
、TD-LTE
上行同下行,如果考虑以10ms
无线帧为时间单位计算会更加的直观。
LTE-A如何达到1Gbps的峰值速率?
从无线网络各极端、各制式的规律来看,提高峰值速率最有效、直接的手段就是增加频谱,即用“带宽”来换“速率”。
LTE
向LTE-A
发展的道路上也不可避免的采用了这种方式,引入了载波聚合,Carrier Aggregation
,简称CA
。
CA
将同频段内相邻的、或者同频段内不相邻的、或者不同频段的载波聚合起来,用类似“多载波”的方式,提高峰值速率。
每个载波最高20MHz
带宽,最多可以是5
个载波,所以最高可利用100MHz
的频谱,这样CA
即能在40~100MHz
带宽内提供300~750Mbps
(2X2 MIMO
)或>1Gbps
(4X4 MIMO
)的峰值吞吐率。
仅凭借CA
还不能达到1Gbps
的速率,还要依靠高阶MIMO
(或叫MIMO
增强),协议提出了下行4x4 MIMO
、8x8 MIMO
和上行2x4 MIMO
、4x4 MIMO
等模式,以实现以下水平的峰值速率:
DL: 300
~600 Mbps (4x4 MIMO, 8x8 MIMO) in 20MHz, or >1Gbps (4x4 MIMO) with CA.
UL: 150
~300 Mbps (2x4 MIMO, 4x4 MIMO) in 20MHz , or >1Gbps (4x4 MIMO) with CA
但LTE-A
中的高阶MIMO
,类似HSPA+
网络向2*2MIMO
升级的演进路线,需要硬件升级,网络改动比较大,没有CA
应用起来那么方便,所以实现起来可能需要较长的时间。
文章来自微信“无线部落”, 微信号 Wireless_tribe
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