LTE用户峰值速率

通信术语
3GPP是通信业的标准化组织之一，制定LTE/LTE-A相关标准并且向ITU申请将LTE/LTE-A作为IMT/IMT-A的候选标准。
3GPP最初确立的LTE的上下行峰值速率目标分别为50Mbit/s和100Mbit/s，标准以及终端和设备能力来看，3GPP最初的目标已经得以实现。
LTEFDD速率计算基本原理
速率计算的基本原理是在一定的时长和带宽组成的无线资源中，扣除公共信道（参考信号、PDCCH等）的开销，得出可用于数据传输的无线资源数（RE数），再考虑调制编码效率，计算出该段时长内承载的bit数量，即速率。下行参考信号（ReferenceSignal，RS）及PDCCH分布、上行RS分布分别如图1（a）和图1（b）所示。
图1  下行RS及PDCCH分布、上行RS分布示意图(2张)
下行速率计算：Service_rate+CRC=（168−36−12）×（Code_rate×code_bits）×NRB×C
其中，当天线模式为2T2R_MCW时，C等于2；当天线模式为其他模式时，C等于1。
上行速率计算：Service_rate+CRC=（168−24）×（Code_rate×code_bits）×NRB。
其中，CRC为24bit；MCS效率为Code_rate与Code_bits的乘积；Service_rate指经过层2处理，尚未加CRC而到层1的传输速率。可见，LTE的速率与资源数量（RB数）与MCS效率（由信号质量来确定）相关。提高任何一个因素，均可以提升速率。表6给出了上下行业务速率的计算示例。
表6 上下行业务速率计算示例
上/下行	业务速率/kbit/s	需RB数	需MCS	MCS效率
UL	64	2	QPSK0.15	0.31
128	4	QPSK0.13	0.26
256	4	QPSK0.24	0.49
512	8	QPSK0.23	0.47
DL	512	10	QPSK0.22	0.45
1024	10	QPSK0.44	0.87
2048	20	QPSK0.43	0.86
峰值速率统计
第一节“LTEFDD速率计算基本原理”已经给出了LTE系统速率的计算原理，而峰值速率的计算有其不同点，主要区别是对RB数的使用数量以及对编码调制方式的使用。计算系统峰值速率时需考虑占用所有的RB资源，同时采用最高阶调制方式，编码速率为1。
下行采用帧结构类型一时，基于L1/L2的控制开销和已知的调制环境可以得到表11-4所示的峰值速率。
表11-4 帧结构类型一时LTE系统DL峰值速率
下行链路峰值速率	64QAM，码率为1，参考信道和控制信道开销占用一个OFDM符号
单位	速率/Mbit/s（20MHz）	频谱效率/（b/s/Hz）
3GPP目标	100	5.0
2×2MIMO	172.8	8.6
4×4MIMO	343.9	17.2
64QAM，码率为1，全开销
2×2MIMO	144	7.2
4×4MIMO	288	14.4
上行采用帧结构类型一时，基于L1/L2的控制开销和已知的调制环境可以得到表11-5所示的峰值速率。
表11-5 帧结构类型一时LTE系统UL峰值速率
上行链路峰值速率	单TXUE，码率为1，参考信号和控制信道开销占用两个RB
单位	速率/Mbit/s（20MHz）	频谱效率/（b/s/Hz）
3GPP目标	50	2.5
16QAM	57.6	2.9
64QAM	86.4	4.3
单TXUE，码率为1，全开销
16QAM	48	2.4
64QAM	72	3.6
考虑到不同的调制编码方式、MIMO工作方式、系统带宽等，LTE峰值速率如表11-6和表11-7所示。
表11-6 LTE下行峰值速率
RB数	6	15	25	50	100
子载波数	72	180	300	600	1200
调制编码	MIMO模式	1.4MHz	3.0MHz	5.0MHz	10MHz	20MHz
QPSK1/2	单流	0.8	2.1	3.6	7.2	14.3
16QAM1/2	单流	1.7	4.3	7.2	14.3	28.7
（续）
RB数	6	15	25	50	100
子载波数	72	180	300	600	1200
16QAM3/4	单流	2.6	6.4	10.7	21.5	43
64QAM3/4	单流	3.9	9.7	16.1	32.2	64.5
64QAM4/4	单流	5.1	12.9	21.5	43	86
64QAM3/4	2×2MIMO	7.7	19.3	32.2	64.5	129
64QAM4/4	2×2MIMO	10.3	25.8	43	86	176
64QAM4/4	4×4MIMO	20.6	51.6	86	172	343.9
表11-7 LTE上行峰值速率
RB数	6	15	25	50	100
子载波数	72	180	300	600	1200
调制编码	MIMO模式	1.4MHz	3.0MHz	5.0MHz	10MHz	20MHz
QPSK1/2	单流	0.8	2.1	3.6	7.2	14.3
16QAM1/2	单流	1.7	4.3	7.2	14.3	28.7
16QAM3/4	单流	2.6	6.4	10.7	21.5	43
16QAM4/4	单流	3.4	8.6	14.3	28.7	57.3
64QAM3/4	单流	3.9	9.7	16.1	32.2	64.5
64QAM4/4	单流	5.1	12.9	21.5	43	86
64QAM4/4	VMIMO（cell）	10.3	25.8	43	86	172
用户的峰值速率与终端能力等级有关，截至目前，3GPP共定义了8个等级的LTE终端，不同等级的终端对MIMO、UL-64QAM以及每帧中所能传送的最大传输块大小（TransportBlockSize，TBS）的支持都不尽相同，所支持的上下行峰值速率亦然，具体参见表11-8。
表11-8 LTEUE能力等级
UE等级	1	2	3	4	5	6	7	8
峰值速率Mbit/s	DL	10	50	100	150	300	300	300	300
UL	5	25	50	50	75	50	100	150
CA支持	No	No	No	No	No	Yes	Yes	Yes
UL-64QAM支持	No	No	No	No	Yes	No	No	Yes
MIMO	DL	1	2	2	2	4	2/4	2/4	8
UL	1	1	1	1	1	1/2	1/2	4
在实验室测试中获取的单用户峰值吞吐率如表11-9所示。
表11-9 内场测试单扇区吞吐率统计表
20MHz小区，TCP业务/Mbit/s
Cat3UE	Cat5UE
下行	上行	双向	下行	上行	双向
近点	95.3	49.7	92/30	127.8	59.6	127/60
中点	54.7	49.8	56/41	69.4	42.7	71/37
远点	44.7	50.0	49/22	22.6	5.5	21/10
（续）
10MHz小区，TCP业务/Mbit/s
下行	上行	双向	下行	上行	双向
近点	62.7	25.6	61/22	63.2	32.9	63/33
中点	36.3	25.2	35/22	33.5	19.4	51/20
远点	21.0	25.2	22/21	10	5.5	8.7/5.2
20MHz带宽时，采用Cat3UE的下行理论峰值速率约100Mbit/s，上行理论峰值速率约50Mbit/s；采用Cat5UE的下行峰值速率可达150Mbit/s，上行峰值速率约为75Mbit/s。Cat5UE进行测试时，近点处下行和上行的单UE的吞吐率能够分别达到127Mbit/s和60Mbit/s。使用Cat3UE，近点处的下行和上行单UE吞吐率基本能够达到90Mbit/s和50Mbit/s左右。
10MHz带宽时，Cat3UE和Cat5UE的下行理论峰值速率约为75Mbit/s，Cat3UE上行理论峰值速率约为25Mbit/s，Cat5UE上行理论峰值速率可达37.5Mbit/s。表11-9的数据中，近点处的单UE的下行吞吐量通常大于60Mbit/s，实测Cat3UE上行峰值速率通常高于20Mbit/s，实测Cat5UE上行理论峰值速率最高能达到33Mbit/s。
下行吞吐率随无线环境的变差而降低，而在上行，随着无线环境变差，发射功率会逐步提升直到最大发生功率限制，在达到最大发射功率之前，上行吞吐率基本保持不变。