TD-LTE系統(tǒng)的物理層和MAC層對下行流量的主要影響因素分析

隨著通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，3GPP開展UTRA長期演進技術(shù)的研究，即LTE技術(shù)，以實現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過渡。LTE的改進目標(biāo)是實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率、更短的時延、更低的成本、更高的系統(tǒng)容量以及改進的覆蓋范圍。在3GPP LTE規(guī)范中，明顯增加了峰值數(shù)據(jù)速率，要求在20MHz帶寬上達(dá)到100Mbit/s的下行傳輸速率和50Mbit/s的上行傳輸速率。目前隨著TD-SCDMA的廣泛應(yīng)用，由TD-SCDMA平滑演進到TD-LTE已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。本篇文章著重闡述了在TD-LTE系統(tǒng)中如何優(yōu)化單用戶的下行流量測試。

無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)用戶數(shù)據(jù)處理的流程

圖1-1 3GPP LTE網(wǎng)絡(luò)的用戶面協(xié)議棧

圖1-1是3GPP LTE網(wǎng)絡(luò)的用戶面協(xié)議棧 ［1］。左邊藍(lán)色框內(nèi)是無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)的用戶面協(xié)議棧。下行數(shù)據(jù)從核心網(wǎng)傳輸?shù)交緜?cè)后，經(jīng)過PDCP層、RLC層和MAC層的封裝映射到物理層上，再通過空口傳輸?shù)経E側(cè)。UE側(cè)經(jīng)過相應(yīng)層的解封裝后，得到下行的數(shù)據(jù)包。

PDCP層從上層接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行壓縮和加密，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到RLC層。RLC層根據(jù)底層傳輸塊大小對上層PDU進行分段，然后通過確認(rèn)模式、非確認(rèn)模式或者透明模式傳輸?shù)組AC層，并通過ARQ機制進行錯誤修正。MAC層實現(xiàn)了UE間的動態(tài)調(diào)度，能通過HARQ進行錯誤糾正以及實現(xiàn)傳輸塊格式的選擇等功能。物理層為MAC層和高層提供信息傳輸?shù)姆?wù)。在TD-LTE系統(tǒng)中，MAC層和物理層的配置和功能直接影響了用戶的下行流量。

下行用戶數(shù)據(jù)在MAC層是承載在傳輸信道DL-SCH上的。當(dāng)基站發(fā)射數(shù)據(jù)的天線多于一根時，MAC層會將接收到的上層數(shù)據(jù)分成兩個比特流。圖1-2是傳輸信道DL-SCH在MAC層的一個比特流的處理流程 ［2］。每一個比特流需要被附加24比特的CRC校驗位，然后再進行比特加擾。如果比特流的大小大于傳輸信道的最大長度，比特流就會被分割成多個碼塊，每一碼塊都要加24比特的CRC校驗位。經(jīng)過碼塊分割后，每一個碼塊都要進行信道編碼。DL-SCH傳輸信道使用的是Turbo 1/3 編碼方式。編碼后的數(shù)據(jù)進入HARQ軟比特緩沖器后，進行HARQ的功能處理。從HARQ軟比特緩沖器輸出的比特流進行二次交織后，與控制信息復(fù)用，然后再映射到物理信道上。

圖1-2傳輸信道DL-SCH在MAC層的處理流程

圖1-3是物理信道PDSCH上兩個碼字的處理流程 ［3］。首先，將傳輸信道DL-SCH上的碼字進行加擾，然后再進行調(diào)制。PDSCH的調(diào)制方式可以是QPSK、16QAM或64QAM。經(jīng)過調(diào)制后的碼字是復(fù)值的調(diào)制符號，這些符號又會映射在一個或者多個的空間層上。在LTE系統(tǒng)中，空間復(fù)用可以有1、2、3或4層。每一層的復(fù)值信號經(jīng)過預(yù)編碼后映射在為這個PDSCH分配的資源單元上，然后再經(jīng)過OFDM調(diào)制，被發(fā)送到天線端口上。

下行流量的潛在影響因素

用戶面數(shù)據(jù)的處理流程描述了物理層和MAC層對用戶數(shù)據(jù)的處理過程。物理層的配置決定了系統(tǒng)最終能夠為用戶提供的物理承載能力，而這些物理承載中映射的用戶信息比特數(shù)是由MAC層所采用的編碼率、調(diào)制方式以及是否有數(shù)據(jù)重傳等因素決定的。所以，下面分別從物理層和MAC層分析影響下行流量的因素。

D-LTE系統(tǒng)物理層的用戶傳輸能力

圖2-1是TD-LTE的幀結(jié)構(gòu) ［3］。一個無線幀的長度是10ms，由兩個結(jié)構(gòu)一樣的半幀組成，每個半幀中有五個子幀。子幀1是特殊時隙，用來傳輸DwPTS、GP和UpPTS。子幀0和子幀 2分別固定用作下行和上行。子幀 3和子幀4可以用作上行或者下行。

圖2-1 TD-LTE幀結(jié)構(gòu)

下行物理信道有物理下行共享信道（PDSCH），物理廣播信道（PBCH），物理控制格式指示信道（PCFICH），物理下行控制信道（PDCCH），物理HARQ指示信道（PHICH）。每一個下行物理信道都是一系列的資源粒子RE的集合。除此之外，物理層上還有一些資源單元不對應(yīng)物理信道，只是傳輸下行物理信號，其中包括參考信號和同步信號。在這些所有的物理資源上，只有PDSCH是用來傳輸用戶數(shù)據(jù)的。表2-1舉例說明了物理信道PDSCH在特定系統(tǒng)配置下能夠提供的最大資源單元 （RE）。

表2-1 物理信道PDSCH基于特定系統(tǒng)配置下可用的資源單元

物理信道PDSCH可用的資源單元的數(shù)量直接影響了用戶的下行流量。所以，物理層對下行流量的影響是在于不同的系統(tǒng)配置。這些配置因素包括帶寬、多天線技術(shù)、上下行時隙比、下行控制信道的OFDM符號數(shù)（CFI）和特殊時隙的配置。表2-2是這些影響因素的常用配置。

表2-2 物理層對下行流量的影響因素及常用配置

MAC層影響下行流量的因素分析

MAC層的數(shù)據(jù)傳輸是通過HARQ的多個進程來實現(xiàn)。每個HARQ進程就是一個輸入數(shù)據(jù)比特的緩沖器。輸入的數(shù)據(jù)流經(jīng)過速率匹配后，與PDSCH上能夠傳輸?shù)谋忍財?shù)匹配。系統(tǒng)會根據(jù)UE反饋的ACK/NACK后，決定發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是重傳舊的數(shù)據(jù)。對于每次重傳，使用不同的信道冗余版本，這些冗余版本是預(yù)先定義好的。所以，HARQ進程數(shù)，最大重傳次數(shù)和冗余版本的設(shè)置直接影響了下行數(shù)據(jù)的傳輸速率。

MAC層還有對用戶面數(shù)據(jù)處理的控制功能，即鏈路自適應(yīng)功能。MAC層根據(jù)UE反饋的信道質(zhì)量指示，RI的指示和ACK/NACK的上報，決定為該用戶分配的傳輸塊大小、編碼率和調(diào)制方式。信道編碼率是下行信息比特數(shù)與PDSCH物理信道比特數(shù)的比值 ［4］。

Coderate = Nsys / NRM

Coderate是信道編碼率。Nsys 是在一個TTI內(nèi)用戶信息的比特數(shù)。NRM是經(jīng)過速率匹配后映射到物理信道PDSCH上的比特數(shù)。NRM 用 RM （Nphy） 表示。Nphy 是物理信道PDSCH能夠傳輸?shù)谋忍財?shù)。

Nphy = NRE * RI * Nmod

NRE是物理信道PDSCH所占的資源單元數(shù)。RI是數(shù)據(jù)傳輸在空間的級數(shù)，可以取1或者2。當(dāng)天線采用發(fā)射分集的方式時，RI等于1。當(dāng)天線采用空分復(fù)用的方式時，RI等于2。Nmod是一個調(diào)制符號所代表的比特數(shù)。Nmod可以取2，4或者6，分別對應(yīng)的是 QPSK，16QAM或者是64QAM的調(diào)制方式。

所以，Nsys = coderate * RM （NRE * RI * Nmod）。其中NRE與系統(tǒng)的基本配置相關(guān)。RI、Nmod和coderate的取值和鏈路自適應(yīng)的功能相關(guān)。

基于以上分析，MAC層對單用戶下行流量的影響體現(xiàn)在特定系統(tǒng)配置和不同的信道環(huán)境下，鏈路自適應(yīng)功能和HARQ功能的實現(xiàn)，如圖2-2所示。

圖2-2 MAC層對下行流量的影響因素和常用配置

下行流量在組網(wǎng)測試中的測試案例選擇

在測試學(xué)的理論中，覆蓋測試常用的測試模型有：block coverage、branch coverage、C-use coverage、P-use coverage、DUD-chains和DU-pairs。圖3-1表示的是不同的覆蓋測試模型下 ［5］，覆蓋率和檢測出的缺陷數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，即便是在效率最高的blocks coverage模型下，覆蓋率在達(dá)到85%左右后，檢測出的缺陷數(shù)基本保持不變。所以，測試不是追求100%覆蓋，而是要在一定的時間和成本下，尋找到一套有效的測試方法來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。這種測試?yán)碚撏瑯舆m用于運營商的組網(wǎng)測試。

圖3-1 覆蓋率和檢測出錯誤數(shù)的關(guān)系

組網(wǎng)測試主要是針對TD-LTE系統(tǒng)在實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)中最常規(guī)和最大量應(yīng)用的場景進行測試。理想信道下的測試衡量的是系統(tǒng)最大的傳輸能力。非理想信道下的測試反映了近似于真實環(huán)境下的系統(tǒng)傳輸能力。下面分別在這兩種測試環(huán)境下，結(jié)合上述對下行流量影響因素的分析，選擇了一組核心的測試案例，如表3-1和表3-2所示。其中包括測試目的、系統(tǒng)配置、測試方法以及預(yù)期的測試結(jié)果。這些測試案例中選取的系統(tǒng)配置可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的需求情況，作出相應(yīng)的調(diào)整，以便測試能夠更好地為組網(wǎng)應(yīng)用提供保障。

表3-1下行流量在理想信道環(huán)境下的核心測試案例

表3-2下行流量在非理想信道環(huán)境下的核心測試案例

總結(jié)

從測試?yán)碚搧砜?，測試不是追求100%覆蓋，而是要根據(jù)特定的測試目的，尋找到一套有效的測試方法來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 TD-LTE系統(tǒng)組網(wǎng)測試應(yīng)該主要是針對實際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)中最常規(guī)和最大量應(yīng)用的場景進行測試。本文從理論上分析了物理層和MAC層對下行流量的主要影響因素和常用配置，提出了運營商組網(wǎng)測試中理想信道環(huán)境下和非理想信道環(huán)境下針對下行流量的核心測試案例，其中的系統(tǒng)配置可以根據(jù)運營商具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求作出調(diào)整。這些測試案例可以作為運營商TD-LTE網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)測試時針對下行流量測試的主要測試案例。