呂星哉，陳崢，史聃，蔣智寧

TD-LTE各種上下行配置的性能比較?

呂星哉，陳崢，史聃，蔣智寧

（上海貝爾股份有限公司，上海201206）

TD-LTE是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的下一代無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，共有7種不同的上下行配置，以靈活支持不同的上下行業(yè)務(wù)需求。通過研究不同上下行配置對(duì)應(yīng)的各種時(shí)序，得出不同上下行配置對(duì)上下行時(shí)延的影響。通過分析在不同上下行配置下信道質(zhì)量反饋、上行探測(cè)信號(hào)、混合自適應(yīng)重傳等技術(shù)的配置，研究了不同上下行配置對(duì)上下行吞吐量及頻譜效率的影響。同時(shí)利用系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了以上分析結(jié)果，給出了不同上下行配置性能下時(shí)延、吞吐量、頻譜效率性能。研究結(jié)果為不同業(yè)務(wù)和組網(wǎng)要求下上下行配置的選擇提供了參考依據(jù)。

無線通信；TD-LTE；上下行配置；包時(shí)延；吞吐量

1 引言

LTE技術(shù)是3GPP組織制定的下一代無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［1，2］，其雙工方式主要有兩大類，一類為頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD），另一類為時(shí)分雙工（Time Division Duplex，TDD）。使用TDD的LTE系統(tǒng)又被稱為TD-LTE系統(tǒng)，是我國(guó)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可與TD-SCDMA共存［3］，并可以兼容LTE-A的后續(xù)技術(shù)演進(jìn)［4］。在3GPP協(xié)議中幀格式2對(duì)應(yīng)于TD-LTE系統(tǒng)，并分為7種不同的上下行和特殊子幀的配置，TDLTE系統(tǒng)可以采用其中任何一種配置組合以適應(yīng)不同的上下行業(yè)務(wù)需求［5］。不同上下行配置有不同的UE測(cè)量匯報(bào)的周期、混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat-reQuest，HARQ）的往返時(shí)延（Round Trip Time，RTT）［6］，以及保護(hù)間隔等的開銷。這些因素進(jìn)而會(huì)影響上下行的吞吐量、頻譜效率，以及包的時(shí)延等無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。因此，本文從時(shí)延和頻譜效率兩方面研究TD-LTE系統(tǒng)的不同上下行配置對(duì)各種關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響，以作為實(shí)際中布網(wǎng)和參數(shù)配置的參考。

2 TD-LTE的幀格式

文獻(xiàn)［5］中定義了TD-LTE的幀格式，如圖1所示。

TD-LTE中一個(gè)無線幀的幀長(zhǎng)為10ms，分為10個(gè)1ms的子幀，每個(gè)子幀又分為兩個(gè)0.5ms的時(shí)隙。除上下行子幀外，還設(shè)計(jì)了特殊子幀作為TDD系統(tǒng)上下行傳輸?shù)那袚Q點(diǎn)。特殊子幀由下行導(dǎo)頻時(shí)隙、保護(hù)間隔和上行導(dǎo)頻時(shí)隙三部分組成，其中下行導(dǎo)頻時(shí)隙在某些特殊子幀配置下可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而保護(hù)間隔及上行導(dǎo)頻時(shí)隙則不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

TD-LTE幀格式分為如表1中所示的7種配置，其中上下行切換點(diǎn)分為5ms周期和10ms周期兩種配置，在1個(gè)無線幀中，分別有兩個(gè)和1個(gè)特殊子幀。

3 不同上下行配置下的時(shí)延

3.1 上行時(shí)延

上行的包時(shí)延可以定義為用戶設(shè)備（User E-quipment，UE）的無線協(xié)議層從應(yīng)用層收到一個(gè)包并轉(zhuǎn)發(fā)，到eNB（evolved Node B）端向網(wǎng)絡(luò)側(cè)轉(zhuǎn)發(fā)此包間的時(shí)間間隔，其具體的時(shí)延計(jì)算如下式：

式中，TUL-Delay為上行包的總時(shí)延，可以分解為多個(gè)部分的時(shí)延之和；TApp，UE為UE應(yīng)用層將包傳輸?shù)経E無線協(xié)議層的時(shí)延；TUE，PDCP為UE的PDCP層處理數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間；TWait-SR為UE等待調(diào)度請(qǐng)求（Scheduling Request，SR）所用的時(shí)間；TSR是SR在空口上傳輸?shù)臅r(shí)間，為1ms；TeNB，SR為eNB處理SR信號(hào)的時(shí)間；TeNB，SCH為eNB運(yùn)行調(diào)度器分配上行資源所需要的時(shí)間；TWait-PDCCH為eNB等待能傳送分配上行資源信令的PDCCH分配機(jī)會(huì)所需的時(shí)間；TPDCCH為PDCCH在空口上傳輸所需的時(shí)間，為1ms；TWait-PUSCH為UE收到PDCCH的資源分配信令后，等待對(duì)應(yīng)的PUSCH所需的時(shí)間；TPUSCH為PUSCH在空口上傳輸所需的時(shí)間，為1ms；N為PUSCH的重傳次數(shù)，TUL，RTT為上行重傳的往返時(shí)延；TeNB，RxD為eNB無線協(xié)議層數(shù)據(jù)面處理接收數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間；TeNB，net為eNB的無線協(xié)議層將包轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)側(cè)所需的時(shí)延。

在式（1）的各時(shí)延中，不同上下行配置影響的時(shí)延為T Wait-SR、T Wait-PDCCH和T Wait-PUSCH。SR的周期會(huì)影響TWait-SR。在10ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)的配置下，無法配置SR的周期為5ms，只能配置為10ms。在5ms周期下，平均等待時(shí)間為3ms；在10ms周期下，平均等待時(shí)間則為5.5ms。TWait-PDCCH、TWait-PUSCH

則與10ms無線幀內(nèi)上行子幀個(gè)數(shù)有關(guān)。對(duì)于上行子幀較少的配置，這兩個(gè)時(shí)延較大，對(duì)時(shí)延敏感的突發(fā)業(yè)務(wù)會(huì)有較大影響。

3.2 下行時(shí)延

下行的包時(shí)延可以定義為eNB的無線協(xié)議層從網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到一個(gè)包并轉(zhuǎn)發(fā)，到UE的應(yīng)用層收到此包間的時(shí)間間隔，其具體的時(shí)延為

式中，Tnet，eNB是eNB從網(wǎng)絡(luò)側(cè)的收包時(shí)延；TeNB，SCH是eNB調(diào)度數(shù)據(jù)分配資源需要的時(shí)間；TeNB，TxD為eNB無線協(xié)議層數(shù)據(jù)面處理發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間；TWait-PDSCH為等待下行發(fā)送機(jī)會(huì)的時(shí)間；TPDSCH為PDSCH信道在空口上傳輸?shù)臅r(shí)延，為1ms；N為重傳次數(shù)；TDL，RTT為上行重傳的往返時(shí)延；TUE，PDSCH為UE物理層接收PDSCH數(shù)據(jù)所需的時(shí)延；TUE，RXD為UE無線協(xié)議層數(shù)據(jù)面處理接收數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間；TUE，App為UE無線協(xié)議層向其應(yīng)用層轉(zhuǎn)發(fā)包所需的時(shí)間。

式（2）的各時(shí)延中，不同上下行配置影響的部分為TWait-PDSCH和TDL，RTT。對(duì)于下行子幀較多的配置，TWait-PDSCH會(huì)比較小，而在上下行比較平衡的配置中，TDL，RTT比較小，否則較大。同時(shí)可見，由于發(fā)送SR需要時(shí)間，上行時(shí)延一般大于下行時(shí)延。

4 不同上下行配置下的吞吐量

4.1 下行吞吐量和頻譜效率

下行的吞吐量受以下幾個(gè)因素的影響。

（1）下行子幀的個(gè)數(shù)

具有更多下行子幀和特殊子幀個(gè)數(shù)的配置將擁有更大的下行吞吐量。

（2）CQI（Channel Quality Indication）匯報(bào)的延時(shí)

CQI是UE反饋給eNB的下行信道質(zhì)量信息指示，10ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置中，CQI匯報(bào)的周期只能是｛1，10，20，40，80，160｝ms的配置，而缺少5 ms的配置。1ms配置由于匯報(bào)的是連續(xù)的下行子幀上的信道質(zhì)量，開銷大且增益不大，而即使采用非周期CQI匯報(bào)，10ms時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)也無法以5ms的間隔上報(bào)CQI，因此對(duì)速度較高的UE的性能有一定的影響。

（3）SRS（Sounding Reference Signal）發(fā)送周期

對(duì)下行而言，SRS的作用是利用信道的互易性估計(jì)出波束賦形的權(quán)重。在10ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置中，SRS信號(hào)只能以10ms為周期發(fā)送，因此高速的UE的下行波束賦形性能會(huì)有較大損失。

（4）HARQ性能

10 ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)相對(duì)而言會(huì)引入更大的HARQ時(shí)延，重傳的間隔時(shí)間較長(zhǎng)。更長(zhǎng)的重傳間隔使兩次重傳間的無線信道更加不相關(guān)，在某些信道衰落條件下能夠帶來較好的時(shí)間分集增益，提升吞吐量。但是付出的代價(jià)是時(shí)延更大。

（5）ACK／NACK綁定

由于在某些配置下，上行子幀數(shù)小于下行子幀數(shù)。需要將多個(gè)下行幀和傳輸塊上對(duì)應(yīng)的多個(gè)ACK／NACK反饋進(jìn)行綁定，返回一個(gè)單獨(dú)的ACK／NACK。這樣，則這多個(gè)傳輸塊中任何一個(gè)出錯(cuò)，都需全部重傳，從而造成資源的浪費(fèi)，降低吞吐量。

下行頻譜效率SDL的計(jì)算公式為

式中，RDL為下行吞吐量，B為系統(tǒng)帶寬，TD-SF、TDWPTS、TU-SF、TUPPTS分別代表一個(gè)無線幀中下行子幀、下行導(dǎo)頻時(shí)隙、上行子幀、上行導(dǎo)頻時(shí)隙所占用的時(shí)間。注意到，特殊子幀會(huì)降低頻譜效率，因此在相同的吞吐量下，5ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)因1個(gè)無線幀內(nèi)有兩個(gè)特殊子幀，其頻譜效率會(huì)小于10ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

4.2 上行吞吐量和頻譜效率

上行的吞吐量受以下幾個(gè)因素的影響。

（1）上行子幀的個(gè)數(shù)

具有更多上行子幀個(gè)數(shù)的配置將擁有更大的下行吞吐量。

（2）SRS發(fā)送周期

在上行，SRS一般用于功率控制及頻率選擇性調(diào)度。而與下行類似，10ms上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)配置中，SRS信號(hào)也只能以10ms為周期發(fā)送，從而會(huì)影響高速的UE的上行性能。

上行頻譜效率SUL的計(jì)算公式為

式中，RUL為下行吞吐量，其余變量含義同式（3）。同樣，特殊子幀也會(huì)降低上行頻譜效率。

5 數(shù)值結(jié)果

對(duì)不同的TD-LTE系統(tǒng)的上下行配置，通過系統(tǒng)仿真來驗(yàn)證性能。仿真采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為：使用19個(gè)基站，共57個(gè)小區(qū)，基站間的距離設(shè)置為500m。每個(gè)小區(qū)有20個(gè)用戶。信道模型使用SCME［7］模型，其陰影衰落設(shè)置為8 dB。仿真中使用的系統(tǒng)帶寬設(shè)置為10 MHz，基站端配置8天線，用戶端配置兩天線。用戶的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為3 km／h。下行傳輸模式采用雙流波束賦形，上行則使用最大比合并接收機(jī)接收。仿真中對(duì)CQI、Sounding參考信號(hào)與SR機(jī)會(huì)的周期配置不同。5ms上下行切換點(diǎn)的配置，如上下行配置0、1、2、6設(shè)置為5ms，其余10ms切換點(diǎn)配置設(shè)置為10ms，特殊子幀一致都設(shè)定為配置7。

由第3節(jié)中的分析可知，上行時(shí)延一般大于下行時(shí)延，是系統(tǒng)時(shí)延的瓶頸，因此此處主要驗(yàn)證上行時(shí)延的性能。圖2為不同上下行配置的上行包的平均時(shí)延。由圖可見，上下行配置1擁有最小的上行平均時(shí)延，其原因是上下行配置1的上下切換點(diǎn)為5ms，而且上下行資源配置比較均衡。同時(shí)除上下行配置6以外，10ms切換點(diǎn)的配置的時(shí)延一般大于5ms的時(shí)延，原因如第3節(jié)中的分析。另外，在相同上下行切換點(diǎn)周期下，上下行資源均衡的配置的時(shí)延要小于上下行資源比例差異較大的配置的時(shí)延。

圖3給出了不同上下行配置下的吞吐量，圖4則為不同上下行配置下的頻譜效率。從圖中可見，配置5能提供最大的下行吞吐量，適用于上行業(yè)務(wù)較少而下行負(fù)載重的場(chǎng)景；而配置0能提供最大的上行吞吐量，這是由這兩種配置分給上下行的無線資源決定的；而配置0、1、6能提供較為均衡的上下行吞吐量，適用于上下行業(yè)務(wù)量對(duì)等的場(chǎng)景。

從頻譜效率看，下行在各個(gè)不同的配置下頻譜效率均較為一致，都在1.9 bit／s·Hz-1左右，而10ms切換點(diǎn)配置的下行頻譜效率會(huì)稍稍高于5ms切換點(diǎn)配置的下行頻譜效率。這是因?yàn)橐粋€(gè)無線幀內(nèi)特殊子幀只有1個(gè)，其頻譜效率會(huì)提高。雖然根據(jù)第4節(jié)中的分析，CQI周期設(shè)置會(huì)提高5ms切換點(diǎn)配置的下行頻譜效率，但是在此仿真中，用戶的運(yùn)動(dòng)速度較慢，因此CQI延時(shí)并不顯著影響eNB端對(duì)無線信道和干擾衰落情況的跟蹤。

各個(gè)上下行配置的上行頻譜效率在1.4～1.58之間，都低于下行頻譜效率。原因有兩個(gè)，一是下行可以采用雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)時(shí)頻資源上空分復(fù)用；二是在特殊子幀的下行導(dǎo)頻時(shí)隙，eNB可以傳輸下行數(shù)據(jù)，而上行導(dǎo)頻時(shí)隙，UE不能傳輸上行數(shù)據(jù)。因此特殊子幀對(duì)上行頻譜效率的影響要甚于下行。從圖4中可見，基本上各配置中上行子幀數(shù)與特殊子幀的比值決定了上行頻譜效率大小。此時(shí)用戶運(yùn)動(dòng)較慢，Sounding RS發(fā)送周期的影響很小。

在多小區(qū)系統(tǒng)中，鄰小區(qū)干擾是影響容量的最大因素，通過文獻(xiàn)［8，9］中的干擾抑制技術(shù)，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率。

6 結(jié)論

本文比較了TD-LTE系統(tǒng)中不同上下行配置下的包時(shí)延、吞吐量和頻譜效率，分析了不同上下行配置中性能差異的原因及其適用的范圍。通過分析及仿真發(fā)現(xiàn)，5ms切換點(diǎn)的上下行配置在時(shí)延方面具有優(yōu)勢(shì)，10ms切換點(diǎn)的上下行配置在頻譜效率上具有優(yōu)勢(shì)；上下行資源平衡的配置在時(shí)延方面會(huì)比下行資源占優(yōu)勢(shì)的配置時(shí)延更小，而上行的頻譜效率相對(duì)下行在不同配置下差異更大。

［1］Stefania Sesia，Issam Toufik，Matthew Baker.LTE，TheUMTSLong Term Evolution：From Theory to Practice［M］. New York：JohnWiley＆Sons，2009.

［2］沈嘉.3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

SHEN Jia.3GPPLong Term Evolution：Principle and System Design［M］.Beijing：People′s Posts＆Telecommunications Press，2008.（in Chinese）

［3］Jia H，Miao Q，Yin C，et al.Performance analysis of coexistence between LTE-TDD and TD-SCDMA［C］／／Proceeding of2009 IEEE International Conference on Communications Technology and Application.Beijing：IEEE，2009：303-307.

［4］Pennanen H，Haataja T，Leinonen J，et al.System level evaluation of TDD based LTE-Advanced MIMO-OFDMA systems［C］／／Proceedings of 2010 IEEE GLOBALCOM Workshops.Miami，F(xiàn)L：IEEE，2010：809-813.

［5］3GPPTS36.211，v9.1.0，Physical Channelsand Modulation［S］.

［6］3GPPTS 36.213，v9.3.0，Physical layer procedures［S］.

［7］Baum D S，Hansen J，Salo J.An interim channelmodel for beyond-3G systems：extending the 3GPP spatial channel model［C］／／Proceedings of VTC 2005-Spring.Stockholm：IEEE，2005：3132-3136.

［8］Chang P，Chang Y，Han Y，et al.Interference analysis and performance evaluation for LTE TDD system［C］／／Proceeding of2010 IEEE International Conference on Communications Technology and Application.Shenyang：IEEE，2010：410-414.

［9］Chen S，Wang W，Zhang X，et al.Performance and optimization of interference coordination in downlink TDD-LTE systems［C］／／Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Information Management and Engineering. Zhengzhou：IEEE，2010：181-185.

LV Xing-zai was born in Yongkang，Zhejiang Province，in 1983.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2009.He isnow a system senior engineer in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research interests include radio resource management，multi-antenna technology in LTE system.

Email：xingzai.a.lv＠alcatel-sbell.com.cn

陳崢（1975—），男，江蘇南京人，2007年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為上海貝爾股份有限公司高級(jí)軟件工程師，主要從事LTE eNodeB產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作；

CHEN Zhengwasborn in Nanjing，Jiangsu Province，in 1975. He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2007.He is now a senior software engineer in Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research concerns design and implementation of LTE eNodeBs.

史聃（1981—），男，江蘇徐州人，2008年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為上海貝爾股份有限公司系統(tǒng)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)功放數(shù)字預(yù)失真技術(shù)；

SHIDan was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1981.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2008.He is now a system senior engineer in Alcatel -Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd..His research concerns digital pre-distortion technology in wireless communication system.

蔣智寧（1976—），男，湖南人，2000年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為上海貝爾股份有限公司無線產(chǎn)品部系統(tǒng)設(shè)計(jì)顧問工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信基站系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)與仿真。

JIANG Zhi-ningwasborn in Hunan Province，in 1976.He received the M.S.degree from University of Science and Technology of China in 2000.He is currently working for Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.as a system advisory engineer in wireless R＆D Department.His research interests include algorithm design and simulation ofmobile communication systems.

Com parison of Different UL-DL Configurations of TD-LTE

LVXing-zai，CHEN Zheng，SHIDan，JIANG Zhi-ning
（Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.，Ltd.，Shanghai201206，China）

TD-LTE（Time Duplex-Long Term Evolution）is the next generation ofwireless communication standard，on which China has independent kernel intellectual property rights.It defines 7 different UL-DL（Uplink-Downlink）configurations to flexibly supportdifferent traffic requirements in uplink and downlink.By studying the timing of different UL-DL configurations，the impact of differentUL-DL configurations on the UL and DL delay is given.The impacts on the throughputand spectral efficiency of differentUL-DL configurations are also proposed by analysing the configuration of channel quality feedback，sounding reference signal transmission and hybrid transmission of different UL-DL configurations.The analysis result is verified by system level simulation and the actual delay，throughput and spectral efficiency of different UL-DL configurations are given，which provides a reference for the selection of UL-DL configuration under specific traffic and networking requirements.

wireless communication；TD-LTE；UL-DL configuration；packet delay；throughput

The National Science＆Technology Major Project（2010ZX03002-003）

TN929.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.10.001

呂星哉（1983—），男，浙江永康人，2009年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為上海貝爾股份有限公司系統(tǒng)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o線資源管理、多天線技術(shù)；

1001-893X（2011）10-0001-05

2011-06-10；

2011-09-06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2010ZX03002-003）