LTE 网络峰值速率受哪些因素影响？如何计算？

LTE 网络峰值速率受哪些因素影响？如何计算？

我们经常听说“LTE网络可以达到100M、150M、300M的峰值速率，发展到LTE-A甚至可以达到1Gbps”，但这些速率的实现到底受哪些因素影响、又如何计算呢？

为了更好地学习峰值速率计算，我们可以阅读以下问题：

1、LTE系统中，影响峰值速率的因素有哪些？

2、FDD-LTE系统中，Cat3和Cat4的上行和下行峰值速率是多少？

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的上行、下行峰值速率分别是多少？

3、LTE-A（LTE）实现1Gbps的目标峰值速率需要哪些技术？

1 影响峰值速率的因素

1. 双工模式-FDD、TDD

FDD-LTE是频分双工，即上行和下行使用不同的频率发送；而TD-LTE采用时分双工，上行和下行共用频率，使用不同的时隙进行传输。

因此如果采用同样的带宽、同样的终端类型，FDD-LTE能够实现更高的峰值速率。

2. 载波带宽

LTE网络采用5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等不同的频率资源，可以实现不同的峰值速率。

3. 上行/下行

由于上行的业务需求没有下行那么高，所以系统设计时就考虑了“下行速率较高，上行速率较低”的原则，实际达到的效果也是如此。

4. UE能力等级

就是终端类型的影响，Cat3、Cat4是常见的终端类型，在FDD-LTE系统中，下行峰值速率分别能达到和，上行最高只能支持16QAM的调制方式，最高上行速率为。

5.TD-LTE系统中上下行时隙配比及特殊子帧配比

TD-LTE系统中不同的上下行时隙配比以及特殊时隙配比都会影响峰值速率水平。

上下行时隙配比有1:3、2:2等，特殊时隙配比有3:9:2、10:2:2等。为了最大限度提高下行速率，国内外最常用的配置为DL:UL=3:1，特殊时隙配比为10:2:2。

6. 天线数量和 MIMO 配置

Cat4支持2*2 MIMO，最多支持双流空间复用，下行峰值速率可达；Cat5支持4*4 MIMO，最多支持四层空间复用，下行峰值速率可达。

7. 控制信道开销

在计算峰值速率时，还需要考虑系统开销，即控制通道资源所占的比例，实际系统中控制通道开销在20%~30%之间。

总之，影响所谓“峰值速率”的因素有很多，所以提到峰值速率的时候，需要说明在什么标准、使用多少带宽、在什么终端上、在什么方向、什么配置下达到的速率。

2 下行峰值速率计算

峰值速率的计算一般有两种方法：

第一种方法是从物理资源微观角度出发，计算在一定时间内（通常是一个TTI或者一个无线帧）传输了多少bit的流量，从而得到速率。

另一种方法是直接检查某种UE类型在一个TTI（LTE系统中为1ms）内能够传输的最大传输块来获取速率。

下面以FDD-LTE为例，分别给出两种方法的示例。

【方法一】

首先给出计算结果：

在20MHz带宽的情况下，一个TTI内可以计算的最大速率为：

总费率 =

，

业务信道速率=201.6*75%≈

这些数字的含义：

6：最高下行调制方式为64QAM，一个符号包含6bit信息；

2、7：LTE系统的TTI为1个子帧（1ms），包含2个时隙，在正常CP下，1个时隙包含7个符号，因此一个TTI内，单天线下，一个子载波最多可以传输下行6×7×2bit数据。

2：下行采用2×2 MIMO，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包含12个子载波）

75%：下行系统开销一般为25%（下行开销包括RS信号（2/21）、PDCCH//PHICH（4/21）、SCH、BCH等），也就是下行有效传输数据速率占比为75%。

如果是TD-LTE系统，还需要考虑上下行时隙配比、特殊时隙配比，以及下行流量对总流量占比的影响。

例如，当前隙配比为3:1/特殊子帧配比为10:2:2时：

在一个无线帧中，各个子帧是有序的，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的配置意味着DwPTS（Pilot）、GP（Guard）、UpPTS（Pilot）分别占用10、2、2个符号。那么相当于一个TTI的所有下行符号占比为（6*14+2*10）/14*10=74%。如果粗略考虑75%的控制信道开销，那么3:1/10:2:2配置下TD-LTE系统下行峰值速率可达：201.6*75%*74%≈

其它时隙配比和特殊子帧配比可参照此方法计算。

【方法二】

这种方法就简单直观多了，如下表所示，第一列为端子类型1~8（常用的是3和4）

第二列是在一个TTI内传输的一个传输块的最大比特数，峰值速率等于最大传输块大小/传输时间间隔，以Cat3和Cat4为例，峰值吞吐量分别为/0.001=和/0.001=。Cat5可以在一个TTI内使用4*4高阶MIMO和4层空分复用，因此可以实现下行峰值速率。

对于FDD-LTE系统，计算到此结束，对于TD-LTE系统，需要将时隙配比/特殊子帧配比乘以配比，Cat3和Cat4的下行峰值吞吐量分别为和。

超级详细：

1、由于Cat3最大传输块为 ，因此FDD-LTE下峰值速率只能达到 。

2、控制信道开销的计算受RS信号、PDCCH//PHICH、SCH、BCH等因素影响，前两部分占比相对较高（分别为2/21、14/21），SCH和BCH占比相对较小（二者之和不足1%），限于篇幅，抱歉不做详细介绍。

3、TD-LTE 峰值速率的计算是以 1 TTI（1ms）为单位的，这个思路可能有点混乱，如果把时间看成一个 10ms 无线帧，计算起来会更直观一些。10ms 里面有好几个下行子帧，乘以每个子帧传输的比特数或者传输块大小，结果是一样的，不过用 10ms 无线帧的计算方法更容易理解，大家可以自己试着算一下。

3 上行峰值速率计算

【方法一】

首先给出计算结果：

对于20MHz带宽的情况下，一个TTI内可以计算的最大速率为：

总费率 =

这些数字的含义：

4：上行最高调制方式为16QAM，一个符号包含4bit信息；

2、7：LTE系统的TTI为1个子帧（1ms），包含2个时隙，在正常CP下，1个时隙包含7个符号，因此一个TTI内，单天线下，一个子载波上行最多可以传输4×7×2bit数据。

96*12：20MHz带宽一共有100个RB，假设PUCCH占用2个RB，上行RB数量要遵循“2/3/5”原则，因此PUSCH最多使用96个RB，每个RB包含12个子载波。

79%：系统开销一般为25%（考虑到RS消耗1/7，SRS消耗1/14），即上行有效传输数据速率占比为79%。

【方法二】

直接使用最大传输块进行计算可以看出Cat3、Cat4的上行峰值速率为（最大调制方式16QAM），Cat5的上行峰值速率可达（最大调制方式64QAM）。

TD-LTE系统中，如在下行，以时隙配比3:1/特殊子帧配比10:2:2的配置为例：所有上行符号占比为（2*14+2*2）/14*10=21.4%，此时TD-LTE系统上行峰值速率可达：*21.4%=10.5Mbps

超级详细：

1. 上行开销计算有多种不同版本，比如是否考虑PUCCH、SRS、PRACH（PRACH每20ms发送一次，占5%的时间，PUSCH每ms发送一次，占95%的时间），RB数量的应用（是否遵循2/3/5原则）。考虑不同的因素可根据运营商的实际需求，计算结果不会偏差太大。

2、TD-LTE的上行与下行是一样的，如果以10ms无线帧为时间单位来计算会更加直观。

4 LTE-A如何实现1Gbps峰值速率？

从无线网络各种极值和标准的规律来看，提升峰值速率最有效、最直接的方法就是增加频谱，即用“带宽”换取“速率”。

LTE向LTE-A的发展必然采用了这种方式，引入了载波聚合（简称CA）。

CA是通过对同一频段内相邻载波、同一频段内非相邻载波或者不同频段内载波进行聚合，采用类似“多载波”的方式，来提高峰值速率。

每个载波最大带宽为20MHz，最多可以有5个载波，因此可以利用最大可用频谱。这样CA可以在40~带宽内提供300~（2X2 MIMO）或>1Gbps（4X4 MIMO）的峰值吞吐量。

单纯CA无法实现1Gbps的速率，还需要高阶MIMO（或者MIMO增强），协议提出下行8x8 MIMO和上行2x4 MIMO、4x4 MIMO模式，实现以下峰值速率：

DL：20MHz 下 300 ~ 600 Mbps（4x4 MIMO、8x8 MIMO），或使用 CA 时 >1Gbps（4x4 MIMO）。

UL：20MHz 下 150 ~ 300 Mbps（2x4 MIMO、4x4 MIMO），或带 CA 时 >1Gbps（4x4 MIMO）

但LTE-A中的高阶MIMO，与HSPA+网络升级为2*2MIMO的演进路径类似，需要硬件升级，网络改动也比较大，并不像CA应用那么便捷，因此落地实施可能还需要较长时间。