LTE小区物理层速率计算方法

qi_yang

第一步，理解LTE系统中数据的传递方式。

LTE系统中下行发射端的信号处理过程是：一个数字信号源（有效数据，即bit流）经过编码加扰、速率适配后称为复制信号；复制信号经过“比特到符号”的映射（基带调制）成为频域信号；频域信号经过IFFT后由频域信号变为时域信号，时域信号加上循环前缀，然后进行射频调制，最后通过天线发射出来。整个LTE系统中传递的信号分为两种形态：数字信号和模拟信号。空中传递的是模拟信号，模拟信号其实就是电磁波，电磁波是物理层（传播媒介）的概念，无法直接衡量；我们可衡量的是上层的数据包——既帧。

第二步：理解LTE系统的帧结构。

帧的定义来源于OSI系统模型。OSI模型分为7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层，每一层都定义了针对不同通信级别的协议；其中底层的1~4层关注的是原始数据的传输，而帧就是数据链路层的概念，用来管理和统计传输的数据。

在LTE系统中，一个无线帧为10ms；一个无线帧包含10个子帧，每个子帧1ms。每个LTE子帧分为2个slot（时隙），每个时隙包含7个symbol（一个时隙中OFDM 符号个数取决于循环前缀长度和子载波间隔，普通循环前缀下一个时隙包含7个symbol）。协议中，将每个时隙周期内占用的M个子载波和N个OFDM符号组成称为一个资源格。资源格的一个元素称为资源单元（RE），物理意义是LTE系统中一个时隙内某个子载波上的一个调制符号。时域上的7个符号与频域上的12个子载波确定的84个RE定义为1个RB，RB是调度的最小单位；而RE是调制（QPSK、16QAM、64QAM）的最小单位。当LTE系统中采用64QAM调制时效率最高，为6bit/RE。另外，我们实际的调制效率还与码率有关。

第三步，理解吞吐量的概念。计算吞吐量就是计算每秒可承载多少bit的数据。

我们只要知道了每秒的可用RE个数就可以计算系统速率了。考虑到不同MIMO模式下的码字复用率不同，另外还有部分的系统开销。因此小区物理层理论峰值速率（bit/s）为：

不同MIMO的码字复用比率 × 不同带宽对应的RB数量 × 12（频域上每RB所有的子载波数） × 14（时域上每个子帧所有的符号数symbols）× [1－损耗（导频损耗，信道占用损耗等）] × 调制符号效率× 1000（1s内子帧数量）× rate（1）

说明：

• 损耗包括：信道占用损耗和下行导频损耗。其中信道占用损耗为：PDCCH的开销，当下行子帧PDCCH仅占一个符号并且该PDCCH符号为下行子帧的第一个符号时PDCCH的开销最小，一个下行子帧中占用的子载波数为8个，因此PDCCH的开销为8/（14*12）= 1/21。用于PUSCH解调的RS, 一个Slot占用一个符8号1/7；而下行导频损耗根据导频损耗图为：1天线发射时为4/84=1/21, 2天线发射时为2/21, 4天线发射时为12/84=1/7。
• 码字复用率：MIMO 2×2的复用率为2，MIMO 4×4的复用率为4，MU-MIMO 复用率为2。
• 不同带宽对应不同的RB
• 调制符号效率：不同调制方式下QPSK,16QAM,64QAM的调制符号效率为：2，4，6。
  

例子1：计算FDD LTE系统20M, 2*2 MIMO, 64QAM，Code Rate为1时，单小区下行物理层理论速率为：2 * 100*12 * 14 * (1 – 1/21 – 2/21) * 6 * 1000 = 172.8Mbps

例子2：计算FDD LTE系统20M, MU-MIMO, 64QAM，Code Rate为1时，单小区上行物理层理论速率为：2 * 96 * 12 * 14 * (1 – 1/7) * 6 * 1000 = 165.9Mbps

说明：

96的来由: 20M 带宽包含100个RB, 其中PUCCH占用2个RB, 因此可用于PUSCH传输的为98RB，但由于MU-MIMO时受限于单个DSP最多只能处理32RB的约束，因而3个DSP最多只能处理96RB