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　ＬＴ　Ｅ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ｌ　０００８０）　

磊—戛　西　护、ＣＰ开销、上、下行链路开销等方面对ＬＴＥ　ＦＤＤ以及ＬＴＥ　ＴＤＤ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：１００３—７２４１（２０１ｔ）Ｏｌ一００３２—０５　

Ａｉ　ｒ　Ｉ　ｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｅｘｐｅｎｓｅｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ、Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ＬＴＥ　ＬＩＵ　Ｂａｏ－ｃｈａｎｇ，ＨＵ　Ｈｅｎｇ－ｊｉｅ　ｆ　Ｃｈｉｎａ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｇｒｏｕｐ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ＣＰ　ｏｖｅｌ’ｈｅａｄ，ｄｏｗｎｌｉｎｋ　ｏｖｅｒｈｅａｄ，ｕｐｌｉｎｇｋ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ＬＴＥ　ＦＤＤ　ａｎｄ　ＬＴＥ　ＴＤＤ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｉｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｒａｄｉｏ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＴＥ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＬＴＥ；ａｉｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｏｖｅｒｈｅａｄ；ｕｐ　ｌｉｎｋ；ｄｏｗｎ　ｌｉｎｋ　

１　引言　ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，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。　

２　ＦＤ　Ｄ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：２　０１　０—０１—２　０　图１　ＬＴＥ帧结构图　（４）上行链路开销：带内控制信令，ＰＵＣＣＨ，ＲＳ，ＳＲＳ　３　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１．６ＭＨ　Ｚ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　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏ　ｒｍａｔｉｏｎ　Ｐ　ｒｏｃｅｓｓｉｎ　《自动化技术与应用》２０１　１年第３０卷第１期　

表１　保护宽带对应表　带宽哑Ｉｚ］　１．４　１．６　３　３．２　５　ｌ０　１５　２０　职工方式　Ｆ∞Ｔ册　ＦⅨ）　ＴＤＤ　ＦＤＤ，ｒ∞　ＦＤ【》／ＴＤＤ　Ｆ∞门’∞　Ｆ∞广ｒ∞　ＲＢ数　６　７　１５　１６　２５　５０　７５　１Ｏ０　量　

传输带宽配置　披　７２　８ｔ　１８０　１９２　３００　６００　９０９　１２００　量　

ＭＨｚ　１．０８　１．２６　２．７　２．弱　４．５　９　ｌ＆５　１８　ＩＨｚ　０．３２　０．　０．３　Ｏ．３２　０．５　１　１．５　２　保护带宽　－　２３＇／，　１　１０％　１　０Ｉ‘　１　ｏ９‘　

举例：　带宽为５　ＭＨｚ（包括保护带宽）的ＬＴＥ系统包含２５个　

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图２　宽带示例　ＲＢ，从而传输带宽（可用有效带宽）配置为：２５＊１８０—４．５　ＭＨｚ，余下０．５　ＭＨｚ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：１０＂１８０＝１．８　ＭＨｚ。　

４　下行链路开销分析　４．１　ＣＰ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１　６的ＣＰ时长　为４．６９ｕｓｅｃ。ＣＰ的取样数如下所示：　‘　

ＣＰ＝　ｆｏｒ　ＦＦＴ１２８　ｆｏｒ　ＦＦＴ　２５６　ｆｏｒ　ＦＦＴ５１２．　ｓｙｍｂｏｌｓ：１．２．３．４．５．６　ｆｏｒ　ＦＦＴ１０２４　ｆｏｒ　ＦＦＴ　２０４８　

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１　６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ｌ　６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３　ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信息复用图　自动化技术与应用》２０１　１年第３０卷第１期　雹　■　

通信与信息处理　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　

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ｉ　ｌ．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＊７２—２８８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０．３　１％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ＰＤＣ　ＣＨ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Ｃ　Ｑ　Ｉ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。　①１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；　②２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；　③４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；　④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２　２Ｘ２天线配置情况下所需要的开销　【　控锄詹令嘲所占的搏号数　１　２　３　

每帧８Ｃｌｔ所占自　每数　哇　４　ｔ　每帧Ｐ－－ｔＫＩｔ所占的符号数　哇　哇　ｔ　Ｒｓ所占资源　１　１　ｌ　控镪歼锖　２＆∞％　２７＿１０　３ｔ　控怒歼　开镑　２７．１０％　３哇－３０　ｔ１．ｔ０　系统芾宽（朋　控制开锵岍，开销　１．哇　２７＿１Ｏ薯　３４．３Ｏ％　ｔ１．帅　３　２童７Ｏ％　３　∞％　３疆　５　２Ｚ　８。％　２９．帅Ｉ　３７．１Ｏ‘　ｉ０　２ＺｌＯ　２吼∞ｘ　３６．４０薯　１５　２１．９６％　２９　３＆∞％　Ｉ　２。　２１．８０　２＆９Ｏ　３丘１Ｏ