LTE下载速率分析与提升.docx

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LTE下载速率分析与提升

LTE测试下载速率学习

2014-5-24

一、下载速率的计算

1.1帧结构

1.2RBandRE

1.2.1RB

LTE空中接口分配资源的基本单位是物理资源块（physicalResourceBlock，PRB）。

一个物理资源块包括频域上的连续12个子载波，和时域上的7个连续的OFDM符号周期。

一个RB对于的是带宽为180kHZ、时长为0.5ms的无线资源。

以20M带宽为例，一共有100个RB数。

1.2.2RE

LTE的下行物理资源可以看成是时域和频域资源组成的二维栅格，把一个常规的OFDM符号周期和一个子载波组成的资源成为一个资源单位（ResourceElement，RE），那么一个RB包含12*7=84个RE。

每个RE都可以根据无线环境选择QPSK、16QAM或64QAM的调制方式，调制方式为QPSK时可以携带2bit信息，16QAM时可以携带4bit，而64QAM则可以携带6bit信息。

1.3CP

保护间隔中的信号与该符号尾部相同，即循环前缀（CyclicPrefix,简称CP）。

Tcp的作用：

既可以消除多径的ISI,又可以消除ICI。

一个OFDM的符号周期包括有用符号时间Tu和循环前缀Tcp，Tofdm=Tu+Tcp。

一般分为普通CP和扩展CP，普通CP配置情况下，一个时隙内有用符号为7个，扩展CP配置情况下为6个。

所谓有用符号就是可以携带有效数据的符号。

1.4PCFICH、PHICH和PDCCH配置

1.5上下行理论计算

1.5.1下行峰值速率

以20M带宽为例，可用RB为100。

1）以常用的双天线为例，RS的图案如下图所示。

可以看出每个子帧RS的开销为16/168=2/21。

2）PCFICH、PHICH占用的是每个子帧的第一个Symbol，PDCCH通常占用每个子帧的前三个Symbol，如下图所示。

考虑到和RS信号重复的部分，PCFICH、PHICH和PDCCH的开销为（36-4）/168=4/21。

3）SCH信号时域占用第0个和第5个子帧的第一个时隙的第5个和第6个符号，分别对应SSS（从同步信号）和PSS（主同步信号），如上图所示。

频域占用中间的6个RB。

从时域上一帧及整个频率上来考虑，SCH的开销为（2*12*2*6）/（12*14*100）=0.1714%。

4）BCH时域上占用第一个子帧的第7、8、9、10符号，每4帧出现一次，频率占用中间6RB。

因此BCH的开销为（4*12-4）*6/（4*12*14*100）=0.3929%。

这样下行在采用64QAM、2*2MIMO以及编码率为1情况下，峰值速率为：

100*12*14*（1-2/21-4/21-0.1714%-0.3929%）*2*6*1000=142.86Mbps.

100----100个RB；

12-----每个RB12个子载波；

14-----NormalCP情况下，每个子帧14个符号；

2------采用2*2MIMO复用模式情况下，速率加倍；

6------64QAM每个符号对应6个bit；

上面只是一个简单的估算，实际中用户少的时候，PDCCH占用的符号数可以减小，此时单用户峰值速率可以提高。

此外，上面假设编码效率是1，实际中不可能完全做到1。

目前实际中测到的最大速率基本在140M左右。

协议规定的理论峰值速率在150.75Mbps。

1.5.2上行峰值速率

上行的计算和下行类似，20M带宽情况下，假设PUCCH占用2个RB，根据调度的RB数应该是2/3/5乘积原则，可用RB数为96。

上行导频开销为1/7。

PRACH占用6RB，假设周期为20ms。

此时最大吞吐率可以达到：

96*12*14*（1-1/7）*4*1000*0.95*0.855+90*12*14*（1-1/7）*4*1000*0.05*0.855=47.13Mbps

此处假设上行不支持64QAM，最大编码率为0.855。

二、影响下载速率的因素

2.1子帧配比

2.1.1子帧配置：

决定传输下行数据的子帧数

TD-LTE帧结构特点：

•无论是正常子帧还是特殊子帧，长度均为1ms。

FDD子帧长度也是1ms。

•一个无线帧分为两个5ms半帧，帧长10ms。

和FDDLTE的帧长一样。

•特殊子帧DwPTS+GP+UpPTS=1ms

2.1.2特殊子帧配置

☐特殊子帧配置：

决定了特殊子帧是否可以传输下行数据

✓当DWPTS符号数为9或以上时（即特殊子帧配置为7），特殊子帧是可以传输数据的

✓特殊子帧如果用于传输数据，吞吐量是正常下行子帧的0.75倍；如果丢失此0.75倍传输机会，则损失的吞吐量为0.75/3.75=20%（0.75/2.75=27%）

✓TD-S为4:

2的配置，若不改变现网配置，TD-LTE在需要和TD-S邻频共存的场景下，时隙配比只能为3:

1+3:

9:

2

2.1.3TD_LTE和TD_SCDMA邻频共存

2.2RS信号、RSRP、RSSI、RSRQ和SINR

2.2.1RS信号

物理信号是由物理层产生并使用的、有一定特定用途的一系列无线资源单元（ResourceElement）。

在下行方向定义了2种参考信号，上行方向定义了一种参考信号。

Ø下行参考信号：

1、参考信号（RS，Reference Signal）

2、同步参考信号（SS，Synchornization）

Ø上行参考信号

1、参考信号（RS，Reference Signal）

ØRS信号的作用：

1.    下行信道质量测量；

2.    下行信道估计，用于UE端的相干检测和解调；

3.    小区搜索；

4、邻区测量（切换）

5、非Beamforming模式下的解调

ØRS的分布规则

1、RS在频域上的间隔为6个子载波；

2、RS在时域上的间隔为7个OFDM符号；

3、为了降低信号在传送过程中的相关性，不同天线口的RS出现的位置不宜相同；

上图给出了单天线、两天线及四天线在常规CP配置情况下的RS信号分布示意图。

从单天线的情况可以看出，RS是时域频域错开分布，这样更有利于进行精确信道估计。

对于双天线和四天线来说，每个天线上的参考信号图案都不相同，但各个天线占用的RE都不能用于数据传输。

例如双天线情况下，第一个天线的某些RE正好对应第二个天线的RS图案，那么这些RE在实际中必须空在那里，不能用来传输数据，反之亦然。

2.2.2RSRP（ReferenceSignalReceivedPower）

主要用来衡量下行参考信号的功率，和WCDMA中CPICH的RSCP作用类似，可以用来衡量下行的覆盖。

区别在于协议规定RSRP指的是每RE的能量，这点和RSCP指的是全带宽能量有些差别；

目前终端对CRS-RSRP的测量，仅测量中心频率附近1.08MHz带宽（即6RB）范围内的RSRP，并非20MHz带宽内的RSRP

RSRPTotal为测试终端天线R0和R1中的最大值

2.2.3RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）

RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）：

指在测量带宽内所有包含参考信号的OFDM符号上接收到的信号功率的线性平均值，包括本小区和同频邻小区在此位置的信号、邻道干扰、热噪声等全部信号量。

RSSI与测量带宽有关。

2.2.4RSRQ（ReferenceSignalReceivedQuality）

RSRQ（ReferenceSignalReceivedQuality）主要衡量下行特定小区参考信号的接收质量。

和WCDMA中CPICHEc/Io作用类似。

二者的定义也类似，RSRQ=RSRP*RBNumber/RSSI，差别仅在于协议规定RSRQ相对于每RB进行测量

RSRQ是RSRP和RSSI的比值，因为两者测量所基于的带宽可能不同，会用一个系数来调整，也就是RSRQ = N*RSRP/RSSI

其中，N为RSSI测量带宽内的RB数

RSRQ的分母是接收带宽上的总功率，分子是接收带宽上的参考信号功率，一定程度上可以认为反映了信道质量。

但是分母RSSI既包含RS的功率，又包含PDSCH的RE的功率，所以事实上RSRQ并不能准确无误的指示RS的信号质量。

作用：

✓一定程度上反映信道质量

✓邻区测量（切换）

注意：

在小区选择或重选时，通常使用RSRP就可以了，在切换时通常需要综合比较RSRP与RSRQ，如果仅比较RSRP可能导致频繁切换，如果仅比较RSRQ虽然减少切换频率但可能导致掉话，当然在切换时具体如何使用这两个参数是eNB实现问题。

2.2.5SINR（Signal-to-InterferenceplusNoiseRatio）

SINR（Signal-to-InterferenceplusNoiseRatio）也就是信号干扰噪声比，顾名思义就是信号能量除以干扰加噪声的能量；

从上面的定义很容易看出对于RSRQ和SINR来说，二者的差别就在于分母一个包含自身、干扰信号及底噪，另外一个只包括干扰和噪声。

RS-SINR：

真正的RS信号质量

作用：

✓用于确定等效的SNR阈值，从而确定CQI

✓因为RS在所有RE资源中均匀分布，所以RS-SINR一定程度上可以表征PDSCH（业务信道）信号质量

注意：

✓因为RS-SINR没有在3GPP进行标准化，所以目前仅在外场测试中不同厂家在实现中可能会有一定偏差

2.3CQI

2.3.1CQI的定义

CQI是信道质量指示，英文全称channel quality indication，CQI由UE测量所得，所以一般是指下行信道质量。

CQI会影响到终端最终使用MSC的方式，最终影响到下载速率。

CQI在PUCCH上发送，如果有上行业务，在PUSCH上发送。

2.3.2CQI引入原因 

LTE的下行物理共享信道（PDSCH）支持三种编码方式：

QPSK、16QAM和64QAM，依次需要的信道条件也不相同，编码方式越高依赖的信道条件需要越好。

下行调度是由eNodeB决定，而eNodeB作为发射端，并不清楚信道条件如何，信道质量衡量由UE来完成。

UE反馈信道质量，协议把信道质量量化成0~15的序列（4bit数来承载），并定义为CQI，eNodeB根据上报的CQI来决定编码方式。

CQI的选取准则是UE接收到的传输块的误码率不超过10％。

因此，UE上报的CQI不仅与下行参考信号的SINR有关，还与UE接收机的灵敏度有关。

2.3.3信道质量如何映射成CQI

UE将信道质量如何映射成CQI呢？

协议上说找一对最接近于选择的CQI index对应的Code rate的调制方式和TBS。

CQI index可以通过BLER-SINR表得到，但是UE通过CRS得到的是每个子载波的SINR，而CQI对应的是一个RB Group的信道质量，怎样从多个子载波的SINR换算成一个RB Group的SINR呢？

解决方法：

对于EESM（指数有效信噪比映射）模型中beta（和调制编码方式相关）值对应的各种MCS，做一个循环，对每种MCS用相应的beta值拟合每个载波的SINR算出对应的等效SINR，然后利用该等效SINR找到最接近目标BLER，一般目标BLER可以是10%，再通过BLER找到对应的MCS等级，找到了MCS等级通过查表就能得出CQI值。

如果有多个MCS符合条件，选择码率最大的那个（对应MCS最大），因为能够满足BLER小于10%的最大的MCS，这个MCS以下的肯定都满足BLER≤10%。

2.3.4UE对CQI的处理

UE量化信道质量为4bit的数0~15，并通过CQI上报给eNodeB，如下表:

efficency是频谱利用效率，是给出来的不是算出来的，意思是information bits per resource element。

比如一个RE能承载的信息为5.554，其余为Turbo冗余比特（使用64QAM，每个RE的信道比特或者说物理比特为6），这样就是efficency=5.554。

这个值通常是仿真或试验出来的。

eNodeB能够配置时域上CQI的上报周期和频域上的CQI颗粒度。

时域上，支持周期和非周期CQI上报。

周期CQI上报使用PUCCH，非周期上报使用PUSCH，eNodeB可以指示UE再上行数据传输中插入CQI上报。

CQI上报的频率颗粒度是由定义的子带数N决定，每个子带宽度由k个连续的PRB构成，k值的大小取决于考虑的CQI上报类型, 通常取8。

在每种情况下，子带宽度跨整个系统带宽数量由N=[NDLRB/k]得到，其中NDLRB是系统带宽上下行RB的个数。

CQI类型可以是宽带CQI、eNodeB配置子带CQI或者UE选择的子带CQI来反馈。

关于频谱效率

SpectrumEffectiveness

比较不同通信系统的有效性时，单看他们的传输速率是不够的，还应该看在这样的传输速率下所占信道的宽度。

所以真正衡量数字通信系统传输效率的应当是单位频带内的码元传输速率，即SpectrumEffectiveness=R/B（码元速率/带宽）单位为Bd/HZ（波特每赫兹），数字信号的传输带宽B取决于码元速率R，而码元速率和信息速率Rb有着确定的关系。

为了比较不同系统的传输效率，又可定义频谱效率为：

SpectrumEffectiveness=Rb/B（信息速率/带宽）单位为bps/HZ（比特每秒每赫兹）

2.3.5eNodeB对CQI的处理

CQI主要用于调制阶数选择，协议映射的ITBS表格有27个区间段（0~26），对应的TBSize大小不一样，也唯一对应一种编码方式以及一个阶数。

UE上报的CQI只有0~15，因此还需要某种算法来映射，这个映射由设备商自己的算法保障，即4bit转5bit，然后查找下表选择对应阶数。

CQI与MCS对应算法各厂家实现不一样，我们是根据下表，通过CQI确定MCS，根据MCS查上表确定调制方式和TBSize，就得到发送速率。

    比如CQI=2,选定确定MCS=0，进而确定采用QPSK调制，并且选择TBS index=0，再查3GPP TS 36.213 table 7.1.7.2.1-1，得到20M小区带宽下TBS=2792，速率就定了。

2.4MIMO方式

2.4.1MIMO概述

–MIMO：

多入多出（MultipleInputMultipleOutput）

–SISO：

单入单出（SingleInputSingleOutput）

–SIMO：

单入多出（SingleInputMultipleOutput）

–LTE的基本配置是DL2*2和UL1*2,最大支持4*4

MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线上同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性（SpatialSignature），利用解调技术，最终恢复出原数据流。

MU-MIMO：

也称虚拟MIMO，用户端是两个UE实体，不增加每个用户的吞吐量，但是可以提供相对于SU-MIMO来说相当，甚至更多的小区容量，UE不需要做成高成本的多天线，但是仍然能够增加小区的容量。

2.4.2LTE下行MIMO模式

LTE定义了7种下行MIMO传输模式（由高层通过传输模式通知UE）。

2.5高阶编码方式

Ø高阶调制可提高峰值速率，编码方式越高可以携带的有效信息越大。

ØLTE支持BPSK,QPSK,16QAM和64QAM。

2.6混合自动重传请求（HARQ）

2.6.1HARQ的概念

•FEC：

前向纠错编码（ForwardErrorCorrection）

•ARQ：

自动重传请求（AutomaticRepeatreQuest）

•HARQ=FEC+ARQ

按照重传发生的时刻来区分，可以将HARQ可以分为同步和异步两类

✓如果重传发生在固定的时刻就称作同步HARQ

✓如果重传数据发生的时刻未知，则称作异步HARQ，需要额外的信令携带HARQ进程号

根据重传时的数据特征是否发生变化又可将HARQ分为非自适应和自适应两种，其中传输的数据特征包括资源块的分配、调制方式、传输块的长度、传输的持续时间

HARQ的重传策略：

CC和IR

✓IR增量冗余：

第一次传输发送信息bit和一部分的冗余bit，如果第一次传输没有成功解码，重发送额外的冗余bit，通过重传更多的冗余bit降低信道的编码率，从而实现更高的解码成功率

CC即Chase合并，可以看做是IR的一种特殊情况

2.6.2LTEDLHARQ

自适应异步HARQ

PDCCH携带HARQ进程号

重传总是通过PDCCH调度

ULACK/NACK在PUCCH/PUSCH上发送

重传使用IR

2.6.3DLHARQ流程

RSN：

传输序号

NDI：

翻转指示是否为重传

终端解码子帧头部的PDCCH确定是否给自己的数据（盲解）

解码PDSCH内容

在约定位置发送Ack\Nack信息

2.6.4HARQ参数（BLER/ACK/NACK）

ØPDSCHBLER（BlockErrorRate）

即误块率，错误的传输块在所有发送的传输块中所占的百分比（只能计算成功解码PDCCH后的PDSCH）。

ØACK与NACK

发送端根据数据块计算出一个CRC，并随着该数据块一起发送到接收端。

接收端根据收到的数据计算出一个CRC，并与接收到的CRC进行比较，如果二者相等，接收端就认为成功地收到了正确的数据，并向发送端回复一个“ACK”；如果二者不相等，接收端就认为收到了错误的数据，并向发送端回复一个“NACK”，以要求发送端重传该块。

Ø作用

1、表征数据传输的准确性

2、也可以反映信道质量

2.7资源调度参数

2.7.1PRB

ØUE下行传输所需PRB资源由业务速率和频谱效率共同决定：

其中，

TrafficRate为业务速率，与UE能力等级，网络侧的调度优先级及调度策略等因素有关

FrequencyEfficiency，频谱效率，由CQI决定

Ø作用

表征下行频域资源分配的饱和度，下行时域资源分配的饱和度可由DLGrantNum表征。

2.7.2MCS

ØMCS（ModulationandCodingScheme）

UE上报的CQI只有0~15，因此还需要某种算法来将CQI映射为MCS（0~28），即4bit映射为5bit，这个映射算法由设备厂商提供，不同设备厂商可能不同

Ø作用

决定有效传输的数据量

影响终端解码成功率

2.7.3TBSize

TBSize大小由

和

决定

其中

表示传输所需的PRB资源，20M带宽对应的

=100。

TBSize与UE能力等级有关

双流时的TBSize不一定是单流的2倍

作用：

直接决定了速率的大小

需要查表得到：

2.7.4单双流

单双流由Codeword=1or2决定

仅体现在物理层Layer1

单双流切换算法相关的参数：

✓TM模式

✓频谱效率

✓RICounterBLER

作用：

决定TBSize的大小，进而影响下行速率。

2.8功率参数

2.8.1RS功率

基站的发射功率会平均到每个子载波上，因此，每个子载波的发射功率受系统带宽的影响。

同样发射功率下，带宽越大，每个子载波的功率越小。

LTE的功率一般通过RS功率，PA，PB三个参数进行调整。

RS功率：

表示为一个导频子载波（RE）上的功率，该参数由网络场景、小区半径以及规划的覆盖率共同决定。

默认取值对应基站单天线最大功率平摊到每一个RE上。

其它信道的功率是通过配置与参考信号的偏移进行设置

2.8.2Pa与Pb

Pa：

TypeA符号的发射功率。

功率分配时，要尽量保证下行带宽全部分配的条件下，eNB功率正好用完。

RS功率一定时，增大该参数，增加了小区所有用户的功率，提高小区所有用户的MCS，但可能造成功率受限，RB分配不足，反而影响吞吐率。

Pb：

TypeB符号的发射功率。

PB=ρB/ρA，表示PDSCHEPRE（TypeA）和PDSCHEPRE（TypeB）的功率偏置信息（线性值）。

作用：

Pa与Pb的设置可以决定基站的功率利用率，进而影响RB的频域调度。

三、下载速率相关总结

3.1下载相关因素

3.2参数之间的关系

分类

分析

无线环境

无线信道质量

（覆盖和干扰问题）

无线信道质量越好，下行吞吐量越高，信道质量越差，下行吞吐量越高。

一般来说，通常用CRS-SINR值来衡量当前信道质量，但是在空扰情形下，CRS-SINR值与PDSCH的SINR值差异较大，此时需要关注下是否有较强（RSRP比本区小12dB以内）的邻区（PCI模3不冲突）信号，或者是否能搜索到这样的邻区信号

信道相关性

信道相关性强不适合传输双流，信道相关性弱才适合传输双流；信道相关性可以通过终端上报的RI值来确定，RI=1表示信道相关性强，RI=2表示信道相关性弱

终端解调性能

不同终端的解调性能对下行吞吐量影响较大，在相同的网络中，海思终端的性能要比创毅的解调性能好，因此海思终端的下行速率要高于创毅的速率

调度机制

调度次数

调度次数将直接影响下行速率，一般对于3:

1（特殊子帧配置为3:

9:

2）来说，1s内下行调度次数为600次

调度PRB数

调度的PRB数也将直接影响下行速率，在相同的信道条件下，PRB数越多，则下行吞吐量越高

链路自适应算法

设置合理的初始BLER值，CQI修正算法需要将初始的BLER值控制在配置的初始值上，过高或过低的BLER值都将影响MCS与吞吐量

单双流比例

模式间和模式内切换需要在信道条件较差时切换至保证性能的MIMO方式，在信道条件较好时切换至提升吞吐量的MIMO方式，传输模式的比例不合适导致吞吐量降低

四、下载相关参数介绍

4.1基站功率

RSEPRE=pMax-dlCellPwrRed-20lg（4024/txPowerScaling）+dlRsBoost）

参数名

参数缩略名

默认值

取值范围

单位

含义

Maximumoutputpower

pMax

40

40.0/37.0

dBm

RRU每通道发射功率，40.0dBm=10W

TXpowerscaling

txPowerScaling

4024

1…4024,step1

-

发射功率缩放因子

Cellpowerreduce

dlCellPwrRed

0

0