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(shè)計有限公司 重慶 400065)

TD-LTE［1］作為 TD-SCDMA 的演進技術(shù)，繼承了TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yè)務(wù)，因此當小區(qū)內(nèi)承載的業(yè)務(wù)不同時，采用的幀配置類型對系統(tǒng)容量有很大的影響。合理地對小區(qū)的時隙進行規(guī)劃，可以有效地提升系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)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(tǒng)吞吐量，因此，不能用于時隙規(guī)劃。文獻［3］雖然提到幀配置是影響系統(tǒng)容量的主要因素，但并未給出具體的理論依據(jù)。文獻［4］雖然指出TD-LTE系統(tǒng)可以通過靈活配置上下行時隙比例來提高系統(tǒng)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(tǒng)容量的影響

1.1 TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法

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

根據(jù)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(jié)出TD-LTE系統(tǒng)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(tǒng)下行吞吐量;a表示空間復用的層數(shù);N表示物理下行共享信道(PDSCH)占用的資源單元(RE)數(shù)，由式(2)給出;M表示調(diào)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(shù)，由式(3)給出;Q表示常規(guī)子幀中下行控制信息占用的RE數(shù)，由式(4)給出;V表示特殊子幀中控制信息占用的RE數(shù)，由式(5)給出。

式中:Nsym表示一個PRB對內(nèi)的OFDM符號個數(shù);NZ表示一個RB內(nèi)子載波的個數(shù);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(shù);NRB表示RB個數(shù)。由于特殊子幀中DwPTS用于下行數(shù)據(jù)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(shù)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(qū)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(shù)。

式(5)右邊參數(shù)分別表示主同步信號(PSS)、PDCCH，Cell-RS和UE-RS占用的RE數(shù)。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(jù)公式(1)～(5)，可精確計算出TD-LTE系統(tǒng)下行吞吐量D。

上行吞吐量的計算與下行類似，主要區(qū)別在于控制信息，計算方法如下

式中:U表示系統(tǒng)上行吞吐量;N表示物理上行共享信道(PUSCH)占用的RE數(shù)，由(7)式給出;其余參數(shù)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(shù)，由式(8)給出;Q表示無線幀內(nèi)上行控制信息占用的RE數(shù)，由式(9)給出。

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

式(9)右邊參數(shù)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(diào)參考信號(PUSCH-DRS)和PUCCH中的解調(diào)參考信號(PUCCH-DRS)占用的RE數(shù)。

根據(jù)式(6)～(9)，可精確地計算出TD-LTE系統(tǒng)上行吞吐量U。

1.2 幀配置對系統(tǒng)容量的影響

根據(jù)上式，對TD-LTE系統(tǒng)峰值速率進行仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下:20 MHz帶寬，64QAM調(diào)制方式，常規(guī)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(jié)果如圖1所示。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)峰值速率

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

TD-LTE系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以承載各種高帶寬上下行非對稱業(yè)務(wù)。當小區(qū)內(nèi)承載的業(yè)務(wù)種類不同時，靈活選擇幀配置類型，可以有效提高系統(tǒng)的資源利用率。下面對單業(yè)務(wù)小區(qū)的幀配置方法進行分析。

2 TD-LTE單業(yè)務(wù)小區(qū)幀配置方法

2.1 TD-LTE單業(yè)務(wù)小區(qū)幀配置方法

假設(shè)小區(qū)內(nèi)只有單一業(yè)務(wù)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(zhì)量穩(wěn)定時，小區(qū)所能承載的下行和上行用戶數(shù)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(qū)的幀配置時，D和U的值發(fā)生相應(yīng)變化，導致小區(qū)內(nèi)承載的用戶數(shù)變化。由式(1)和式(6)可知，D和U還與當前的編碼調(diào)制方式有關(guān)。

由于TD-LTE采用的是完全自適應(yīng)的編碼調(diào)制方式，信道質(zhì)量是動態(tài)變化的，因此，在上下行信道質(zhì)量趨于穩(wěn)定的情況下，可以通過估算小區(qū)內(nèi)承載的用戶數(shù)來確定小區(qū)的最佳幀配置類型。顯然，使小區(qū)內(nèi)承載的用戶數(shù)達到最大的幀配置可作為本小區(qū)的最佳幀配置。

信道質(zhì)量趨于穩(wěn)定時，小區(qū)所能承載的最大用戶數(shù)為

式中:i表示當前小區(qū)的幀配置類型，i=0，1，…，6;n表示小區(qū)的最佳幀配置，n∈i;j和k分別表示小區(qū)內(nèi)上行和下行信道質(zhì)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(qū)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(shè)計并建立了一個基于幀結(jié)構(gòu)的TD-LTE小區(qū)業(yè)務(wù)吞吐量仿真平臺。通過小區(qū)用戶平均吞吐量的仿真，可以對2.1節(jié)的理論數(shù)據(jù)進行驗證。仿真流程如圖2所示。

圖2 TD-LTE小區(qū)業(yè)務(wù)吞吐量仿真流程

選取3種TD-LTE典型業(yè)務(wù)進行仿真，如表1所示。

表1 TD-LTE 典型業(yè)務(wù)［9］

仿真結(jié)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(yīng)圖2中的上行CQI值和下行CQI值，j和k為正整數(shù)且 j∈(1，15)，k∈(1，15)。圖3、圖4和圖5分別為3種業(yè)務(wù)根據(jù)上文所述計算公式得到的不同CQI下使用戶數(shù)最大的幀配置類型;圖6、圖7和圖8分別為3種業(yè)務(wù)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(shù)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(tǒng)承載的用戶數(shù)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(yè)務(wù)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(shù)與用戶平均吞吐量相匹配。

由圖6、圖7和圖8的仿真結(jié)果，可以對小區(qū)的信道質(zhì)量進行分類，給出這3種典型業(yè)務(wù)的最佳幀配置建議，如表2 所示［9］。

表2 TD-LTE典型業(yè)務(wù)最佳幀配置建議

3 TD-LTE多業(yè)務(wù)小區(qū)幀配置方法

上節(jié)分析了單業(yè)務(wù)小區(qū)的幀配置方法，本節(jié)主要針對多業(yè)務(wù)小區(qū)進行分析。當小區(qū)承載多種業(yè)務(wù)時，由于各業(yè)務(wù)的上下行帶寬需求不同，不能直接根據(jù)2.1節(jié)的公式估算出各種幀配置下小區(qū)所能承載的用戶數(shù)，所以只能通過仿真結(jié)論來指導小區(qū)的幀配置。

2.2 節(jié)的仿真結(jié)果驗證了本文建立的基于幀結(jié)構(gòu)的TD～LTE小區(qū)業(yè)務(wù)吞吐量仿真平臺的正確性，因此，當小區(qū)承載多種業(yè)務(wù)時，通過仿真結(jié)果，可以指導小區(qū)的幀配置。

選取兩種混合業(yè)務(wù)進行仿真，如表3所示。

表3 TD-LTE混合業(yè)務(wù)仿真參數(shù)

仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9和圖10分別為兩種混合業(yè)務(wù)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(jù)圖9和圖10的仿真結(jié)果，可以給出這兩種混合業(yè)務(wù)下小區(qū)的幀配置建議，如表4所示。

圖10 混合業(yè)務(wù)2用戶平均吞吐量

表4 TD-LTE多業(yè)務(wù)小區(qū)最佳幀配置建議

4 結(jié)論

本文研究了TD-LTE系統(tǒng)吞吐量計算方法，仿真分析了幀配置對系統(tǒng)容量的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了TDLTE單業(yè)務(wù)小區(qū)的幀配置方法，設(shè)計建立了基于幀結(jié)構(gòu)的TD-LTE系統(tǒng)吞吐量仿真平臺，通過仿真，給出了部分業(yè)務(wù)的最佳幀配置建議。最后，對TD-LTE多業(yè)務(wù)小區(qū)進行了仿真分析，給出了部分混合業(yè)務(wù)下小區(qū)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(shù)，2011，35(21)，80-83.

［2］戴源，朱晨鳴，王強，等.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［3］李景發(fā)，曾發(fā)龍，劉泉，等.LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)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.