TD－LTE系統幀配置方法的研究

李校林，石 魁，金 渝，田海燕

(1.重慶郵電大學 重慶 400065;2.重慶信科設計有限公司 重慶 400065)

TD-LTE［1］作為 TD-SCDMA 的演進技術，繼承了TD-SCDMA的幀結構形式。TD-LTE支持7種類型的幀配置，每種配置的上下行時隙分配比例各不相同，導致不同幀配置下，TD-LTE系統的上下行峰值速率有很大變化。由于TD-LTE更多地承載高帶寬需求的非對稱業務，因此當小區內承載的業務不同時，采用的幀配置類型對系統容量有很大的影響。合理地對小區的時隙進行規劃，可以有效地提升系統容量，提高系統的資源利用率。

文獻［2］雖然給出了TD-LTE下行理論峰值速率的計算公式，但過于簡單，只能起到估算的作用，不能精確地計算出上行和下行系統吞吐量，因此，不能用于時隙規劃。文獻［3］雖然提到幀配置是影響系統容量的主要因素，但并未給出具體的理論依據。文獻［4］雖然指出TD-LTE系統可以通過靈活配置上下行時隙比例來提高系統容量，但是并未給出具體的幀配置方法。

1 TD-LTE幀配置對系統容量的影響

1.1 TD-LTE系統吞吐量計算方法

TD-LTE系統吞吐量是評估系統容量的重要因素，是確定小區幀配置的前提條件。只有精確地計算出系統吞吐量，才能保證小區選擇到最佳的幀配置類型，有效提升系統容量。

根據文獻［5］中各物理信道的說明及資源映射方式，本文分別歸納總結出TD-LTE系統上下行吞吐量計算方法。

下行吞吐量計算方法

式中:D表示系統下行吞吐量;a表示空間復用的層數;N表示物理下行共享信道(PDSCH)占用的資源單元(RE)數，由式(2)給出;M表示調制方式;R表示編碼效率;L表示一個無線幀的長度。

式中:P表示一個無線幀中下行子幀占用的RE數，由式(3)給出;Q表示常規子幀中下行控制信息占用的RE數，由式(4)給出;V表示特殊子幀中控制信息占用的RE數，由式(5)給出。

式中:Nsym表示一個PRB對內的OFDM符號個數;NZ表示一個RB內子載波的個數;Ndl和Nspe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;NRB表示RB個數。由于特殊子幀中DwPTS用于下行數據的傳輸，因此計算時將特殊子幀視為下行子幀。

式(4)右邊參數分別表示物理下行控制信道(PDCCH)、物理廣播信道(PBCH)、輔同步信號(SSS)、小區專用參考信號(Cell-RS)、UE專用參考信號(UE-RS)以及空符號占用的RE數。

式(5)右邊參數分別表示主同步信號(PSS)、PDCCH，Cell-RS和UE-RS占用的RE數。為了簡化公式，將保護間隔(GP)和上行導頻時隙(UpPTS)視為控制信息。

根據公式(1)～(5)，可精確計算出TD-LTE系統下行吞吐量D。

上行吞吐量的計算與下行類似，主要區別在于控制信息，計算方法如下

式中:U表示系統上行吞吐量;N表示物理上行共享信道(PUSCH)占用的RE數，由(7)式給出;其余參數含義與(1)式相同。

式中:P表示無線幀中上行子幀占用的RE數，由式(8)給出;Q表示無線幀內上行控制信息占用的RE數，由式(9)給出。

式中:Nul表示在確定的系統幀配置下，無線幀中上行子幀的個數;其他參數與式(3)相同。

式(9)右邊參數分別表示: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參考信號(PUSCH-DRS)和PUCCH中的解調參考信號(PUCCH-DRS)占用的RE數。

根據式(6)～(9)，可精確地計算出TD-LTE系統上行吞吐量U。

1.2 幀配置對系統容量的影響

根據上式，對TD-LTE系統峰值速率進行仿真。仿真參數設置如下:20 MHz帶寬，64QAM調制方式，常規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。仿真結果如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統峰值速率

圖1所示該仿真結果直觀反映出幀配置對系統容量的影響。如圖所示，不同幀配置對應的上下行峰值速率明顯不同，即系統容量不同。

TD-LTE系統的優勢是可以承載各種高帶寬上下行非對稱業務。當小區內承載的業務種類不同時，靈活選擇幀配置類型，可以有效提高系統的資源利用率。下面對單業務小區的幀配置方法進行分析。

2 TD-LTE單業務小區幀配置方法

2.1 TD-LTE單業務小區幀配置方法

假設小區內只有單一業務A，其上下行帶寬需求分別為u和d。當采用確定的幀配置且信道質量穩定時，小區所能承載的下行和上行用戶數分別為

式中:D和U分別如式(1)和式(6)所示。

由式(3)和式(8)可以看出，當改變小區的幀配置時，D和U的值發生相應變化，導致小區內承載的用戶數變化。由式(1)和式(6)可知，D和U還與當前的編碼調制方式有關。

由于TD-LTE采用的是完全自適應的編碼調制方式，信道質量是動態變化的，因此，在上下行信道質量趨于穩定的情況下，可以通過估算小區內承載的用戶數來確定小區的最佳幀配置類型。顯然，使小區內承載的用戶數達到最大的幀配置可作為本小區的最佳幀配置。

信道質量趨于穩定時，小區所能承載的最大用戶數為

式中:i表示當前小區的幀配置類型，i=0，1，…，6;n表示小區的最佳幀配置，n∈i;j和k分別表示小區內上行和下行信道質量，j=k=1，2，…，15 。

同時，式(1)和式(6)變化為

此時的幀配置n為該小區的最佳幀配置。

2.2 仿真分析

為了驗證上述方法的正確性，本文設計并建立了一個基于幀結構的TD-LTE小區業務吞吐量仿真平臺。通過小區用戶平均吞吐量的仿真，可以對2.1節的理論數據進行驗證。仿真流程如圖2所示。

圖2 TD-LTE小區業務吞吐量仿真流程

選取3種TD-LTE典型業務進行仿真，如表1所示。

表1 TD-LTE 典型業務［9］

仿真結果如圖3～8所示。

因為上下行信道獨立，所以圖中的CQI有225種取值，其大小為j+k×15，j和k分別對應圖2中的上行CQI值和下行CQI值，j和k為正整數且 j∈(1，15)，k∈(1，15)。圖3、圖4和圖5分別為3種業務根據上文所述計算公式得到的不同CQI下使用戶數最大的幀配置類型;圖6、圖7和圖8分別為3種業務在不同CQI下仿真得到的用戶平均吞吐量。對比圖3和圖6可以看出，在相同CQI值下，用戶平均吞吐量最大時的幀配置即為用戶數最大的幀配置。例如，當CQI為180時，由圖6可以看出，幀配置0的用戶平均吞吐量最大，約為4.5 Mbit/s;同時，在該CQI下，由圖3中可以看出，采用幀配置0時系統承載的用戶數最大。圖5和圖8同樣如此。由于一般情況下，一個RB只能分配給一個特定的用戶，而流媒體手機視頻(大屏幕)業務的下行帶寬需求使得資源分配有剩余，因此，圖5和圖6相比，有部分幀配置未使理論用戶數與用戶平均吞吐量相匹配。

由圖6、圖7和圖8的仿真結果，可以對小區的信道質量進行分類，給出這3種典型業務的最佳幀配置建議，如表2 所示［9］。

表2 TD-LTE典型業務最佳幀配置建議

3 TD-LTE多業務小區幀配置方法

上節分析了單業務小區的幀配置方法，本節主要針對多業務小區進行分析。當小區承載多種業務時，由于各業務的上下行帶寬需求不同，不能直接根據2.1節的公式估算出各種幀配置下小區所能承載的用戶數，所以只能通過仿真結論來指導小區的幀配置。

2.2 節的仿真結果驗證了本文建立的基于幀結構的TD～LTE小區業務吞吐量仿真平臺的正確性，因此，當小區承載多種業務時，通過仿真結果，可以指導小區的幀配置。

選取兩種混合業務進行仿真，如表3所示。

表3 TD-LTE混合業務仿真參數

仿真結果如圖9所示。

圖9和圖10分別為兩種混合業務在不同CQI下仿真得到的用戶平均吞吐量。從圖9中7種幀配置的用戶平均吞吐量可以看出，當下行CQI值較大時，幀配置1和幀配置3的吞吐量較大;當下行CQI值較小時，幀配置5的吞吐量較大。由圖10可知，當下行CQI值較小時，幀配置6的用戶平均吞吐量較大;當下行CQI值較大時，幀配置0的用戶平均吞吐量較大。

根據圖9和圖10的仿真結果，可以給出這兩種混合業務下小區的幀配置建議，如表4所示。

圖10 混合業務2用戶平均吞吐量

表4 TD-LTE多業務小區最佳幀配置建議

4 結論

本文研究了TD-LTE系統吞吐量計算方法，仿真分析了幀配置對系統容量的影響。在此基礎上，研究了TDLTE單業務小區的幀配置方法，設計建立了基于幀結構的TD-LTE系統吞吐量仿真平臺，通過仿真，給出了部分業務的最佳幀配置建議。最后，對TD-LTE多業務小區進行了仿真分析，給出了部分混合業務下小區的最佳幀配置建議。

［1］李校林，付澍，付林生.基于覆蓋范圍需求的LTE下行資源分配方式［J］. 電視技術，2011，35(21)，80-83.

［2］戴源，朱晨鳴，王強，等.TD-LTE無線網絡規劃與設計［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［3］李景發，曾發龍，劉泉，等.LTE無線網絡規劃與設計［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［4］曲嘉杰，龍紫薇.TD-LTE容量特性及影響因素［J］.電信科學，2009(1):48-52.

［5］3GPP TS 36.211 V9.1.0，Evolved universal terrestrial radio access(EUTRA);physical channels and modulation:Release 9［S］.2010.