(完整版)LTE系统峰值速率的计算

LTE系统峰值速率的计算
我们常听到”LTE网络可达到峰值速率100M、150M、300M，发展到LTE-A更是可以达到1Gbps“等说法，但是这些速率的达成究竟受哪些因素的影响且如何计算呢？
为了更好的学习峰值速率计算，我们可以带着下面的问题来一起阅读：
1、LTE系统中，峰值速率受哪些因素影响？
2、FDD-LTE系统中，Cat3和Cat4，上下行峰值速率各为多少？
3、TD-LTE系统中，以时隙配比3:1、特殊子帧配比10:2:2为例，Cat3、Cat4上下行峰值速率各为多少？
3、LTE-A（LTE Advanced）要实现1Gbps的目标峰值速率，需要采用哪些技术？
影响峰值速率的因素有哪些？
影响峰值速率的因素有很多，包括：
1. 双工方式——FDD、TDD
FDD-LTE为频分双工，即上、下行采用不同的频率发送；而TD-LTE采用时分双工，上、下行共享频率，采用不同的时隙发送。

因此如果采用相同的带宽和同样的终端类型，FDD-LTE能达到更高的峰值速率。

2. 载波带宽
LTE网络采用5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等不同的频率资源，能达到的峰值速率不同。

3. 上行/下行
上行的业务需求本就不及下行，因此系统设计的时候也考虑“下行速率高些、上行速率低些”的原则，实际达到的效果也是这样的。

4. UE能力级
即终端类型的影响，Cat3和Cat4是常见的终端类型，FDD-LTE系统中，下行峰值速率分别能达到100Mbps和150Mbps，上行都只能支持最高16QAM的调制方式，上行最高速率50Mbps。

5. TD-LTE系统中的上下行时隙配比、特殊子帧配比
不同的上下行时隙配比以及特殊时隙配比，会影响TD-LTE系统中的峰值速率水平。

上下行时隙配比有1:3和2:2等方式，特殊时隙配比也有3:9:2和10:2:2等方式。

考虑尽量提升下行速率，国内外目前最常用的是DL:UL=3:1、特殊时隙配比10:2:2这种配置。

6. 天线数、MIMO配置
Cat4支持2*2MIMO，最高支持双流空间复用，下行峰值速率可达150Mbps；Cat5支持4*4MIMO，最高支持四层空间复用，下行峰值速率可达300Mbps。

7. 控制信道开销
计算峰值速率还要考虑系统开销，即控制信道资源占比。

实际系统中，控制信道开销在20~30%的水平内波动。

总之，有很多因素影响所谓的“峰值速率”，所以提到峰值速率的时候，要说明是在什么制式下、采用了多少带宽、在什么终端、什么方向、什么配置情况下达到的速率。

下行峰值速率的计算：
计算峰值速率一般采用两种方法：
第一种：是从物理资源微观入手，计算多少时间内（一般采用一个TTI或者一个无线帧）传多少比特流量，得到速率；
另一种：是直接查某种UE类型在一个TTI（LTE系统为1ms）内能够传输的最大传输块，得到速率。

下面以FDD-LTE为例，分别给出两种方法的举例。

【方法一】
首先给出计算结果：
20MHz带宽情况下，一个TTI内，可以算得最高速率为：
总速率=，
业务信道的速率=201.6*75%≈150Mbps
数字含义：
6：下行最高调制方式为64QAM，1个符号包含6bit信息；
2和7：LTE系统的TTI为1个子帧（时长1ms），包含2个时隙，常规CP下，1个时隙包含7个符号；因此：在一个TTI内，单天线情况下，一个子载波下行最多传输数据6×7×2bit；2：下行采用2×2MIMO，两层空分复用，双流可以传输两路数据；
1200：20MHz带宽包含1200个子载波（100个RB，每个RB含12个子载波）
75%：下行系统开销一般取25%（下行开销包含RS信号(2/21)、PDCCH/PCFICH/PHICH(4/21)、SCH、BCH等），即下行有效传输数据速率的比例为75%。

如果是TD-LTE系统，还要考虑上下行的时隙配比和特殊时隙配比，对下行流量对总流量占比的影响。

如在时隙配比3:1/特殊子帧配比10:2:2的情况下：
一个无线帧内，各子帧依次为DSUDD DSUDD，其中D为下行子帧U为上行子帧，每个子帧包含2个时隙共14个符号，S为特殊子帧，10:2:2的配置，表示DwPTS(Downlink Pilot TimeSlot)、GP(Guard Period)和UpPTS(Uplink Pilot TimeSlot)各占10个、2个和2个符号。

那么所有下行符号等效在一个TTI内占的比例为(6*14+2*10)/14*10=74%，如果也粗略考虑75%的控制信道开销，那么TD-LTE系统在3:1/10:2:2的配置下，下行峰值速率可达：201.6*75%*74%≈112Mbps
其他的时隙配比、特殊子帧配比，都可以参考这个方法来计算。

【方法二】
这个方法简单直观很多，如下表，第一列是终端类型1~8(常用3、4)
第二列为一个TTI内传输的最大传输块bit数，那么峰值速率就等于最大传输块大小/传输时间间隔，以Cat3和Cat4为例，峰值吞吐率分别为102048/0.001=102Mbps和150752/0.001=150Mbps。

Cat5因为可以采用了4*4高阶MIMO，4层空分复用在一个TTI内传299552bit，因此能达到300Mbps的下行峰值速率。

FDD-LTE系统，计算可到此为止，TD-LTE系统需要再根据时隙配比/特殊子帧配比乘上比例，Cat3和Cat4的下行峰值吞吐率分别为75Mbps和111Mbps。

超级啰嗦：
1、Cat3因为最大传输块为102048，所以FDD-LTE中峰值速率最高只能到100Mbps。

2、控制信道开销的计算，受RS信号、PDCCH/PCFICH/PHICH、SCH、BCH等因素影响，前两部分占比较高（分别2/21和14/21），SCH和BCH占比较少（两者相加不足1%），篇幅有限，抱歉不做详细介绍。

3、TD-LTE的峰值速率的计算，这里是按照1个TTI（1ms）来计算的，思路可能有点绕，如果将时间考虑为10ms的无线帧，计算就会更加直观一些，10ms内，有几个下行子帧，乘以每个子帧传的比特数或者传输块大小，得到的结果虽然一样，但用无线帧10ms的计算方式更好理解一些，可自行尝试计算。

上行峰值速率的计算：
【方法一】
首先给出计算结果：
20MHz带宽情况下，一个TTI内，可以算得最高速率为：
总速率=
数字含义：
4：上行最高调制方式为16QAM，1个符号包含4bit信息；
2和7：LTE系统的TTI为1个子帧（时长1ms），包含2个时隙，常规CP下，1个时隙包含7个符号；因此：在一个TTI内，单天线情况下，一个子载波上行最多传输数据4×7×2bit；96*12：20MHz带宽共100个RB，假设PUCCH占用2个RB，上行RB数要遵循“2/3/5”的原则，所以PUSCH最多用96个RB，每个RB含12个子载波；
79%：系统开销一般取25%（考虑RS消耗1/7、SRS消耗1/14），即上行有效传输数据速率的比例为79%。

【方法二】
直接用最大传输块来计算，可见Cat3和Cat4的上行峰值速率为51Mbps（最高调制方式16QAM）、Cat5的上行峰值速率可达75Mbps（最高调制方式64QAM）。

TD-LTE系统中，和下行一样，以时隙配比3:1/特殊子帧配比10:2:2的配置为例：DSUDD DSUDD。

所有上行符号占的比例就是(2*14+2*2)/14*10=21.4%，这时TD-LTE系统的上行峰值速率可达：
51Mbps*21.4%=10.5Mbps
超级啰嗦：
1、上行开销的计算也有很多不同的版本，比如是否考虑PUCCH、SRS，是否考虑PRACH（PRACH 每20ms发送一次，在时间上占5%，PUSCH每ms发送，在时间上占95%），以及RB数的应用（是否遵循2/3/5的原则），考虑不同的因素可以根据运营商的实际要求，计算结果偏差不会很大。

2、TD-LTE上行同下行，如果考虑以10ms无线帧为时间单位计算会更加的直观。

LTE-A如何达到1Gbps的峰值速率？
从无线网络各极端、各制式的规律来看，提高峰值速率最有效、直接的手段就是增加频谱，即用“带宽”来换“速率”。

LTE向LTE-A发展的道路上也不可避免的采用了这种方式，引入了载波聚合，Carrier Aggregation，简称CA。

CA将同频段内相邻的、或者同频段内不相邻的、或者不同频段的载波聚合起来，用类似“多载波”的方式，提高峰值速率。

每个载波最高20MHz带宽，最多可以是5个载波，所以最高可利用100MHz的频谱，这样CA即能在40~100MHz带宽内提供300~750Mbps（2X2 MIMO）或>1Gbps（4X4 MIMO）的峰值吞吐率。

仅凭借CA还不能达到1Gbps的速率，还要依靠高阶MIMO（或叫MIMO增强），协议提出了下行4x4 MIMO、8x8 MIMO和上行2x4 MIMO、4x4 MIMO等模式，以实现以下水平的峰值速率：
DL: 300 ～600 Mbps (4x4 MIMO, 8x8 MIMO) in 20MHz, or >1Gbps (4x4 MIMO) with CA.
UL: 150 ～300 Mbps (2x4 MIMO, 4x4 MIMO) in 20MHz , or >1Gbps (4x4 MIMO) with CA
但LTE-A中的高阶MIMO，类似HSPA+网络向2*2MIMO升级的演进路线，需要硬件升级，网络改动比较大，没有CA应用起来那么方便，所以实现起来可能需要较长的时间。