LTE系统空中接口开销分析.doc

LTE系统空中接口开销分析技术与应用2ol1年第30卷第1期通1言与1言掣LTE系统空中接口开销分析王立荣,胡恒杰(中国移动通信集团设计院有限公司,北京l00080)磊戛西护,CP开销,上,下行链路开销等方面对LTEFDD以及LTETDD系统的空中接口开销进行了介绍和分析,有助于对LTE系统的无线频谱的使用效率的了解,也有助于LTE网络规划时的系统容量的准确计算.关键词:LTE;空中接口;系统开销;上行链路下行链路中图分类号:TP334.7文献标识码:B文章编号:10037241(201t)Ol一003205AirInterfaceExpensesAnalysis,SystemofLTELIUBao-chang,HUHeng-jiefChinamobilecommunicationsgroupdesignCo.,LTD,Beijing100080China)Abstract:Thisarticlemainlyanalyzesthebandwidthprotection,CPovelhead,downlinkoverhead,uplingkoverheadandotheraspectsofLTEFDDandLTETDDsystemairinterfaceoverhead.ItishelpfultounderstandtheefficientuseofradiospectrumoftheLTEsystem,andalsobehelpfultotheaccuratecalculationofsystemcapacity.Keywords:LTE;airinterface;overhead;uplink;downlink1引言LTE(LongTermEvolution,长期演进)系统通过综合利用一系列允许快速改变通信业务的调制模式和编码模式的先进技术,以及高级纠错技术,流量调度方案以及MIMO技术等措施,可以大大地提高无线频谱的使用效率和网络吞吐量.从另一方面讲,空中接口的传输效率问题也是影响用户传输吞吐量的影响因素之一,所以LTE系统在时域,频域及空间的信道开销的大小是业界非常关注的问题之一.2FDD系统开销分析从帧结构分析开销:从LTE帧结构可以看出,空口开销主要包括以下几个方面:(1)保护带宽(2)CP开销(3)下行链路开销:PCFICH,PHICH,PDCCH,PBCH,PSC,SSC,RS收稿日期:20100120图1LTE帧结构图(4)上行链路开销:带内控制信令,PUCCH,RS,SRS3保护带宽开销对大多数信道带宽来说,保护带宽一般为信道带宽的10%,当带宽为1.4MHz时,保护带宽为整个带宽的23%,当带宽为1.6MHZ时,保护带宽为整个带宽的21%,如下表1所示.下面举例说明:通信与信息处理CommunicationandInformationProcessin自动化技术与应用2011年第30卷第1期表1保护宽带对应表带宽哑Iz1.41.633.25l01520职工方式FT册F)TDDFDD,rFD【/TDDF门F广rRB数6715162550751O0量传输带宽配置披728t1801923006009091200量MHz1.081.262.72.弱4.59l&518IHz0.320.0.3O.320.511.52保护带宽-23/,110%10I1o9举例:带宽为5MHz(包括保护带宽)的LTE系统包含25个lfm-d一Tcm一.一-:;褥籀!l誓萎0赣鬟i嚣移冀氆f0让f强|f搬图2宽带示例RB,从而传输带宽(可用有效带宽)配置为:25*1804.5MHz,余下0.5MHz作为保护带宽.假设一个用户需要用到10个RB,则实际传输带宽配置为:10180=1.8MHz.4下行链路开销分析4.1CP开销LTE系统的时隙结构中的CP有长CP和短CP.对于短CP,包含7个OFDM符号(长CP为6个),有效OFDM符号时长为Tb=l/15kHz=66.67usec;CP时长=CP的取样数/FFT大小*Tb,这样可计算出符号0的CP时长为5.2lusec,符号16的CP时长为4.69usec.CP的取样数如下所示:CP=forFFT128forFFT256forFFT512.symbols:1.2.3.4.5.6forFFT1024forFFT2048另外还可计算出:(1)全部符号时长:符号0的时长为71.88usec,符号16的CP时长为71.35usec;(2)时隙时长为:71.88+6*71.35=500usec;这样可得出CP开销为:(5.21+6.4.69)/500=6.67%(用户的有效传输数据量减少了6.67%);4.2下行链路控制信道开销(1)PCFICH:用于承载PDcCH信道所占的OFDM符号数量(1,2或3)的信息,采用QPSK调制方式,在每个子帧(第一个时隙上)的第一个符号上发送,以4个RE为一组的形式,分散占用l6个子载波【1l.(2)PHICH:承载AcK/NAK比特信息.当一个在PUSCH上的业务数据被eNB接收到以后,eNB进行CRC校验后,在某个时刻,下行ACK/NAK信息就会在在PHICH信道上进行发送.PHICH信道也是采用QPSK调制方式在每个子帧(第一个时隙上)的第一个OFDM符号上发送.8个终端的下行ACK/NACK信息以CDM(码分复用)的方式复用在连续的4个RE上.这些RE会在一定的频带间隔下重复发送.这样,在LTE系统中的下行ACK/NACK信息是采用了是码分复用和频分复用相结合的方式.具体如下图3所示:图3ACK/NACK信息复用图自动化技术与应用2011年第30卷第1期雹通信与信息处理CommunicationandInformationProcessing图4集中控制开销示意图(3)PDCCH:承载下行调度授权及TA等信息,对于每一个子帧(第一个时隙上),通常最多占用头2个OFDM符号(对于高负荷系统占用3个OFDM符号),采用QPSK调制方式.(4)集中控制开销:通常最多占用头2个OFDM符号(对于高负荷系统占用3个OFDM符号),用于对于每一个子帧(第一个时隙上)上的PCFICH,PHICH和PDCCH信道,在每一个子帧中(168个RE)三类信道总共占用20个RE,即是占用il.9%的资源单元.如下图4所示.(5)PSC/SSC:仅在时隙0和10的OFDM符号5和6上发送,占用72个子载波(从264到336,不含DC载波).这样可得出PSC/SSC总共占用2*2*72288个RE,或者相当于占用整个带宽0.34%的比例(相对于10MHz带宽,每时隙7个符号).(6)PBCH:占用4个符号(每个子帧的第一个时隙的符号0,l,2和3),每个符号占用72个子载波(从264到336,不含DC载波和参考符号),这样可得出PBCH总共占用264个RE(从228个RE中去掉用于RS的24个RE,或者相当于占用整个带宽0.31%的比例(相对于10MHz带宽,每时隙7个符号).(7)寻呼与动态BcH映射在PDSCH信道上.寻呼指示映射到PDCCH信道上.(8)RS:RS采用的是未经调制的子载波,其主要功能是进行小区重选测量,确定小区覆盖边界,进行信道估计,用于终端的相干检测,为下行CQI提供参考和MIMO测量.所以在LTE网络设计中需要提高RS功率来提供稳定可靠的参考信号和良好的覆盖,在郊区环境下更要加大RS的功率.RS在每一个时隙的第一个和第五个OFDM符号上发送,每副天线上,每6个子载波中有一个是作为RS的.1副天线的情况:在1个子帧中占用8个RE用于4.76%的RE开销;2副天线的情况:在1个子帧中占用l6个RE用于9.52%的RE开销;4副天线的情况:在1个子帧中占用16个RE用于l4.29%的RE开销;当RS功率增加时,还会需要更大功率的开销;4.3下行链路开销总结表22X2天线配置情况下所需要的开销【控锄詹令嘲所占的搏号数123每帧8Clt所占自每数哇4t每帧P-tKIt所占的符号数哇哇tRs所占资源11l控镪歼锖2&%27_103t控怒歼开镑27.10%3哇-30t1.t0系统芾宽(朋控制开锵岍,开销1.哇27_1O薯34.3O%t1.帅32童7O%3%3疆52Z8.%29.帅I37.1Oi02ZlO2吼x36.40薯1521.96%293&%I2.21.802&9O3丘1O通1言与1言息处理自动化技术与应用2011年第30卷第1期LTE下行链路开销多少与带宽成反比,4x2天线配置情况下所需要的开销比2x2的情况多2.5%左右.具体数值如下表2,表3所示【.表34x2天线配置情况下所需要的开销控制信令P所占的符号数23每帧蜘所占的符号数44每帧嗍所占的符号数44Rs所占瓷源1.裙1.33控制开销29J50%36_7o%控制开开销3&7D%4&%系统带宽(z)控制开!H开销1.436-70%4&8o%333.20X4n53Z3039.50X1031.60%3&80%1531.40*3&60%2031.%3&4oX5上行链路开销分析5.1上行链路开销的计算考虑以下因素:(1)PUCCH承载上行链路控制信息:包括ACK/NACK,CQI,MIMO回馈信息以及SR(调度请求信息)等内容.PUCCH是在没有数据需要发送的情况下发送的,当频率复用系数N为1时占用1个或者2个SRB(取决于带宽和网络负荷及用户数多少),每个SRB包含12个子载波;(2)参考符号RS用于基站对上行链路的相干检测时的信道估计.RS在每个时隙的符号3上发送,每个子帧占用24个RE;(3)按照是否有SRS的传输,可将上行控制信道的组合方式分为两种类型来分别计算开销;(4)4个符号用于PUCCH类型I的ACK/NACK发送,3个符号用于PUCCH类型II的ACK/NACK发送.ACK/NACK按照l比特,BPSK调制方式考虑.(5)1个符号用于SR.SR比特每2TTI重复一次.SR采用BPSK调制方式SRbitisrepeatedin2TTIs.(6)5个符号用于CQI/MIMO的反馈.CQI/MIMO采用QPSK调制方式.(7)SRS(SoundingRS)主要作用是支持频域选择性调度.SRS不是必须发送的,通常每5个子帧进行一次调度.SRS是在子帧的第一个时隙的在符号0上发送的,每个子帧占用12个RE.当不需要发送SRS时,符号0上可传送ACK/NACK信息;(8)参考信号的开销情况:RS的开销:24/16814.3%RS+SRS(使用情况下)的开销:36/168=21.4%(9)采用6个循环移位的ZadoffChu(zc)序列码,最多可以有6个用户可以复用在一个PUCCH上.当频率复用系数N为1时,对于每个扇区,12个用户则需要2个PUCCH;当频率复用系数N为3时,需要6个SRB用于三扇区配置的情况【31.在PUCCH频率复用系数为1的情况下,其子帧结构有以下两种:PUCCH类型I和II(PUCCH的频率复用系数N=I)为了消除邻小区的干扰,需要每个扇区的PUCCH在频域上不能重叠.这样,可将PUCCH的频率复用系数取为3,共需要6个RB来发送PUCCH.如下图6所示.PUCCH类型I和II(PUCCH的频率复用系数N=l/3)5.2上行链路带内控制信令上行链路带内控制信令与PUSCH进行复用传输.在频率复用系数为l的情况下总共会需要占用24个RE.PUCCH开销取决于分配的RB数量,如下表4所示:表4PUCCH开销与RB数量对应图1雎数量PUClt开销船数量PII.皤开销1l包70%lO1.7O%28.30%200.80%35.6aK300.6044.20%400.40%53.30箱哇80.3O憾煳英霎lI和II帕的鲠牢复用幕蜘=1)图5PUCCH频率复用系数为1时帧结构示意图自动化技术与应用2011年第30卷第1期.粕l.0_-麓.|1lk霉垮A.|通信与信息处理CommunicationandInformationProcessing戆璐Ic-Iph睁IPUCCH2c.I帅癫嬲睡IPUCCFII2_!l多-脯I)IPucH奎国?弗一l1.|誊鹪_lPUCCH幢In帅本I-田.lPUCCH啦.fI舔孽獬奢t|I哪0lPUCCH1(.忡8ub-1R蠹lPUCI类型I和II(PUCCH的频率图6PUCCH频率复用系数为3时帧结构示意图假设PUCCH在与PUSCH复用时,在频率复用系数为3的情况下需要占用72个RE,这时PUCCH开销也取决于分配的RB数量.考虑到每个子帧需要占用24个RE用于RS,还需占用12个RE用于SRS,这样可得出每个子帧用于业务数据传输的RE数量为:1682412=132个,由此可计算PUCCH开销为:72/(子帧数量132),具体如下表5所示.表5PUCCH开销与RB数量对应图2l:B数量PI0CB开销RB数量PUCCI开销154.50*105.50%2277.30%153.60%31&20X202.7413.60*252.251n9a*301.80%69.10K351.7.80%401.40986.80II451.2oj696.1O81.1傩6LTETDD开销分析TDD增加了UpPTS和DwPTS等特殊时隙.特殊时隙中DwPTS仍是有效的下行资源(传输同步信道,下行共享控制信道等),UpPTS也是有效的上行资源(传输随机接入,sounding等),二者并不是额外的系统开销,