【摘要】目前LTE的数据传送能力分析和计算方法主要分为三种，包括：LTE物理层理论数据传送能力分析计算方法、LTE物理层扣除控制开销之后的数据传送能力分析计算方法，以及LTE传输信道数据传送能力分析计算方法。文章详细介绍了这三种方法，并通过对比分析，总结出了各方法的优劣及适用范围。
【关键词】LTE 数据传送能力 传输信道 物理层
LTE是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术。LTE的数据传送能力是体现其系统特点最明显的参数，对这一能力进行分析和计算，对掌握和使用LTE具有非常重要的作用。目前对LTE的各式宣传中多提及LTE系统的性能目标是，在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mb/s与上行50Mb/s的速率。本文将通过三种方法对LTE的数据传送能力进行分析和计算，然后总结各种方法的优劣及适用范围。
1 LTE中的基本概念
LTE的下行和上行物理帧（frame）结构相同，每帧长度为10ms，包含10个子帧（subframe）。每帧分为20个时隙（slot），每个时隙为0.5ms，包含六七个符号（symbol）。帧结构分为频分双工模式（LTE-FDD）和时分双工模式（LTE-TDD）两种，两种模式的主要区别在于各自使用资源频率的方式上，在数据传送能力的分析及计算方法上基本没有差异。本文将以频分双工模式为例进行数据传送能力的分析和计算。
LTE物理层中使用子载波（subcarrier）作为频域资源划分的最小物理量纲，使用符号作为时域资源划分的最小物理量纲。子载波和符号共同构成二维结构，用于LTE资源的描述，也就是资源网格（resource grid）。
LTE资源的最小单位是一个OFDM符号上的一个子载波，也就是资源网格中的一个方格，称为资源元素（Resource Element）。每个资源元素可以承载的实际数据量，取决于采用的高阶调制方式。例如采用16QAM调制方式，对应于24，即每个资源元素可以承载4bits数据。为方便分配和减少信令开销，LTE中实际资源并不是以最小单位进行分配，而是以资源块（RB，Resource Block）为单位进行的。一个资源块由一个时隙（半个子帧）上的12个子载波（总带宽为12×15=180kHz）组成。
LTE物理层的基本物理单元如图1所示：
2 LTE数据传送能力计算方法
目前LTE的数据传送能力分析和计算方法主要分为三种，包括：LTE物理层理论数据传送能力分析计算方法、LTE物理层扣除控制开销之后的数据传送能力分析计算方法，以及LTE传输信道数据传送能力分析计算方法。下面将详细介绍这三种方法，并通过分析与对比总结不同计算方法的优劣及适用范围。
2.1 理论数据传送能力计算方法
这种分析方法不考虑LTE各种控制信道和控制信息的开销，不仔细分析数据处理的每个步骤，仅计算纯粹的LTE物理资源能够提供的最大数据容量，重点关注对LTE物理层理论数据传送容量的分析计算。
该方法需要考虑的基本参数包括：系统带宽对应的RB数量（NRB），纠错编码的编码率（R）、使用的高阶调制方式（k）和MIMO天线配置等，然后根据基本参数直接计算出结果。
其基本计算公式如下：
从表中可见，系统带宽为20M时，LTE下行物理信道理论最大数据传送能力是200Mbps。对于LTE的上行物理信道理论数据传送能力，分析计算的方法和原理与下行信道一致，由此可以计算出上行物理信道理论最大数据传送能力是100Mbps。
从计算的结果可见，使用LTE物理层理论数据传送能力分析计算方法，得到的最大数据传送能力远高于LTE的性能目标（下行100Mbps与上行50Mbps）。这是由于这种计算方法并没有考虑各种开销对数据传送能力的影响；此外在计算最大数据传送能力时选取了最理想的系统参数（例如使用64QAM调制方式、纠错编码的编码率为1等），这些系统参数在实际中并不会采用。不过这种分析方法简单明了，分析精度不高，适合于对系统了解要求不高的粗略估算。
2.2 扣除控制开销之后的数据传送能力计算方法
这种分析方法是在LTE物理层理论数据传送能力计算的基础上考虑数据处理的每个步骤，并考虑到各种控制信道和参考信号对物理层资源的占用情况，对扣除控制开销之后的数据传送能力做基本的分析，计算出比较接近实际情况的LTE系统数据传送能力。
由于LTE下行物理信道与上行物理信道的控制开销情况并不相同，下面将分别对下行和上行物理信道的数据传送能力进行分析计算。由于LTE控制信道的多种格式变化和参考信号的不同配置方式，很难精确计算到每一个细节的变化，本文只粗略计算出比较接近实际条件的LTE数据传送能力。
（1）LTE下行物理信道数据传送能力
LTE下行物理信道的主要开销包括控制信道开销、同步信号、广播信道开销及参考信号开销。其中控制信道包括下行物理控制信道（PDCCH）、物理混合重传指示信道（PHICH）以及物理控制格式指示信道（PCFICH），这里需要分别计算每一类信道的开销。同步信号包括主同步信号（PSS）和次同步信号（SSS）。其基本计算公式同式（1）。
其中控制信道PDCCH/PHICH/PCFICH对资源的占用情况分为以下两种：
◆带宽大于10RB，占用每个子帧前面1～3个符号；
◆带宽小于10RB，占用每个子帧前面2～4个符号。
这里以最大值的情况进行计算，控制信道PDCCH/PHICH/
PCFICH开销情况如下：
控制信道开销=100RB*12subcarrier*3symbol*10subframe （2）
对同步信号和广播信道开销的计算，同步信号和广播信道的基本结构如图2所示：
对于每一个帧，可以计算出同步信号和广播信道开销是576RE，即每秒的开销为576*100RE。 同步信号和广播信道开销
=6RB*12subcarrier*（4PSS/SSS+4PBCH） （3）
最后一部分开销是参考信号开销，参考信号对资源的占用情况需要考虑不同的天线数量条件，单天线条件下占用6RE，双天线条件下占用12RE，四天线条件下占用16RE。
根据2.1节中的计算结果，再扣除上述三种主要资源开销，就可以计算出LTE下行物理信道扣除控制开销之后的数据传送能力，如表2所示。
（2）LTE上行物理信道数据传送能力
LTE上行物理信道的主要开销有三部分，包括解调参考信号（DMRS）、上行物理控制信道（PUCCH）开销和物理随机接入信道（PRACH）开销。其中除DMRS信号是固定的以外，其它开销都与系统的实际配置有直接关系，随着配置不同会发生变化，下面的计算仅针对特定条件，计算结果并不是定论。此外，实际开销还应包括探测参考信号（Sounding Reference Signal）的开销，但为了计算最大数据传送能力，假设系统只有一个上行用户且处于工作状态，在这种情况下这部分的开销可暂不考虑。
由于上行信道与下行信道的计算方法类似，这里不再赘述。其基本计算公式同式（1）。
从计算结果可见，这种方法计算出的结果要小于理论数据传送能力的结果。由于考虑到各种控制信道和参考信号对物理层资源的占用情况，这种计算方法比理论计算更接近实际。
2.3 LTE传输信道数据传送能力计算方法
无论物理层如何处理数据，都必须把来自传输信道（Transport Channel）的数据完整地发送出去；因此传输信道的数据传送能力，实际就代表了LTE物理信道的数据传送能力。计算出传输信道的数据传送能力，可以等效计算出物理层的数据传送能力。
传输信道的数据传送能力即是对传输块（TB，Transport Block）的分析计算。目前传输块的大小共分为27种，通过ITBS（Transport Block Size Index）表示不同的传输块大小。
（1）LTE下行传输信道数据传送能力
根据LTE基本帧结构，PDSCH的传输时间间隔（TTI）为1ms，对应一个子帧，对于单天线或分集方式，可以承载1个传输块；而对于MIMO方式，可以承载2个传输块。
通过3GPP规范，可以直接查询出ITBS、NPRB（物理RB块数，即系统带宽）与TBS之间的对应关系，见表3、4：
根据查询的TBS可以计算出LTE下行传输信道数据传送能力：
例如单天线方式系统带宽20M，那么下行传输信道数据传送能力为75Mbps；而对于MIMO方式，下行传输信道最大数据传送能力约为150Mbps。
（2）LTE上行传输信道数据传送能力
对于LTE上行传输信道的数据传送能力，可以采用与下行传输信道完全相同的分析方法。通过规范查询及公式计算，可以得出对于单天线发射方式，在系统带宽20M情况下，上行传输信道的数据传送能力为75Mbps。
3 结语
本文介绍了三种目前常用的LTE的数据传送能力分析和计算方法，其中：
（1）LTE物理层理论数据传送能力分析计算方法，计算过程简单明了，通过这种方式可以对LTE系统数据传送能力做初步计算；但由于未考虑各种开销对数据传送能力的影响，计算结果与LTE系统的实际能力有差距，分析精度不高，适合于对系统了解要求不高的粗略估算。
（2）LTE物理层扣除控制开销之后的数据传送能力分析计算方法，考虑到了各种控制信道和参考信号对物理层资源的占用情况，在实际中可根据系统的配置情况进行参数调整，对系统数据传送能力做出接近实际的分析和计算，比理论数据传送能力分析计算方法更接近实际，适用于对LTE系统工作状态的校验和衡量，以及在工程中进行故障判断和评估，但这种方法的理解和计算复杂性也较高。
（3）LTE传输信道数据传送能力分析计算方法，通过规范查询和计算可获得传输信道的数据传送能力，从而等效计算出物理层的数据传送能力，原理及计算方法最为简单易懂。这种方法由于未考虑各种开销，计算结果同样与LTE系统实际能力有差距。
技术人员在实际中可根据需要选取合适的方法，对LTE系统和设备做出正确的判断。
参考文献：
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[5] 文琪，李乐民. 3GPP LTE物理层关键技术[J]. 通信与信息技术， 2007（11）.
