LTE峰值速率的计算

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？
  4. 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=1200 * 6 * 7 * 2 * 2 / 0.001 = 201.6Mbps，
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DSUDD DSUDD，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。

注意：

  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=96 * 12 * 4 * 7 * 2 / 0.001 * 79%

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：DSUDD DSUDD。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

注意

  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。

参考: 文章来自微信“无线部落” ， 微信号 Wireless_tribe

原文: https://wenku.baidu.com/view/787b6e99aeaad1f347933f1a.html

LTE：下行峰值速率计算

LTE的下行峰值速率（peak data rate）可定义为满足以下条件时的最大throughput：

  • 整个带宽均分配给一个UE
  • 使用最高阶的MCS
  • 使用可支持的最大天线数

在实际中，需要考虑典型的无线信道开销，如控制信道、参考信号、保护间隔等。

对于FDD而言，峰值速率的计算方法如下：

  • 1 slot = 0.5ms（一个系统帧system frame为10ms，每个子帧subframe为1ms，每个子帧包含2个slot）；
  • 1 slot = 7 modulation symbols（使用正常长度的循环前缀CP）;
  • 1 modulation symbol = 6 bits（使用64QAM调制）

单个子载波下的峰值速率 = 每个slot的symbol数 * 每个symbol的bit数 / 每个slot所占的时间= 7 * 6 / 0.5ms = 84kbps。（1s = 1000ms）

对于20M带宽而言，100个RB用于数据传输，每个RB包含12个子载波，共有1200个子载波，则单天线下峰值速率为1200 * 84kbps = 100.8Mbps。

如果是4*4 MIMO，则峰值速率为单天线时的4倍，即403.2Mbps。如果使用3/4的信道编码，则速率降低为302.4Mbps。

注：

1) UE看到的实际速率取决于即时的信道条件以及共享无线资源的用户数。例如：如果由于信道质量较差，调制从64QAM降低到QPSK，则速率从302.4Mbps降到100.8Mbps。如果把码率从3/4降到1/3，则速率进一步降低到44.8 Mbps。 峰值速率是基于理想条件下的理论值，实际速率是考虑当时的信道质量、用户数等外界影响条件下的实际传输速率值。 2) 前面介绍的并未把PDCCH、参考信号、PBCH、PSS/SSS以及编码的开销考虑进去。假设这些开销总共为25%，非空分复用情况下，真正可用于传输用户数据的最大速率为100.8Mbps * 75% = 75.6Mbps。 3) 也可以先计算RE总数，再乘以每个symbol的bit数：6，得到峰值速率。

对于TDD而言，由于一个10ms的系统帧内既存在下行子帧，又存在上行子帧，以及特殊帧的存在，因此同等条件下，其峰值速率小于FDD的峰值速率。（根据下行子帧在一个系统帧中所占的比例，乘以相应的系数）

注释1：3GPP LTE中，TTI、subframe、slot的具体物理含义是什么，每个的物理含义是什么？

TTI、subframe和slot在LTE中虽然都是时间单位，但物理意义确实不一样的。

(1) TTI是一次传输的时间长度或传输间隔时间。 (2) slot是调度的粒度，即一次传输时间TTI=k*slot，k为整数，在LTE中k总是等于2，即每次传输都是调度两个slot。 (3) subframe则是一个时间刻度单位，类似于小时，分钟这样的概念，用户对时间进行划分，与TTI和slot怎么设定没有关系。LTE中TTI设置为1ms，与一个subframe长度相等，TTI=subframe=k * slot 。

在LTE系统中，相比之2、3g，子帧和时隙已经基本退化为调度或者时间单位，因为物理层的均衡处理已经转成以符号为单位，而之前是以时隙为单位。

注释2：TD-LTE帧结构，时域上，每个1ms子帧，分为若干个符号（Symbols），符号之间有保护间隔CP，每个子帧中符号个数根据符号之间的保护间隔CP决定：常规CP时1ms有14个符号，扩展CP时1ms有12个符号。

原文：https://blog.csdn.net/Dallin0408/article/details/78854464