TD-LTE系统的物理层和MAC层对下行流量的主要影响因素分析
随着通信技术的蓬勃发展，3gpp开展utra长期演进技术的研究，即lte技术，以实现3g技术向b3g和4g的平滑过渡。lte的改进目标是实现更快的数据速率、更短的时延、更低的成本、更高的系统容量以及改进的覆盖范围。在3gpp lte规范中，明显增加了峰值数据速率，要求在20mhz带宽上达到100mbit/s的下行传输速率和50mbit/s的上行传输速率。目前随着td-scdma的广泛应用，由td-scdma平滑演进到td-lte已经成为一种发展趋势。本篇文章着重阐述了在td-lte系统中如何优化单用户的下行流量测试。
无线网络侧用户数据处理的流程
图1-1 3gpp lte网络的用户面协议栈
图1-1是3gpp lte网络的用户面协议栈 ［1］。左边蓝色框内是无线网络侧的用户面协议栈。下行数据从核心网传输到基站侧后，经过pdcp层、rlc层和mac层的封装映射到物理层上，再通过空口传输到ue侧。ue侧经过相应层的解封装后，得到下行的数据包。
pdcp层从上层接收数据，对数据进行压缩和加密，然后再转发到rlc层。rlc层根据底层传输块大小对上层pdu进行分段，然后通过确认模式、非确认模式或者透明模式传输到mac层，并通过arq机制进行错误修正。mac层实现了ue间的动态调度，能通过harq进行错误纠正以及实现传输块格式的选择等功能。物理层为mac层和高层提供信息传输的服务。在td-lte系统中，mac层和物理层的配置和功能直接影响了用户的下行流量。
下行用户数据在mac层是承载在传输信道dl-sch上的。当基站发射数据的天线多于一根时，mac层会将接收到的上层数据分成两个比特流。图1-2是传输信道dl-sch在mac层的一个比特流的处理流程 ［2］。每一个比特流需要被附加24比特的crc校验位，然后再进行比特加扰。如果比特流的大小大于传输信道的最大长度，比特流就会被分割成多个码块，每一码块都要加24比特的crc校验位。经过码块分割后，每一个码块都要进行信道编码。dl-sch传输信道使用的是turbo 1/3 编码方式。编码后的数据进入harq软比特缓冲器后，进行harq的功能处理。从harq软比特缓冲器输出的比特流进行二次交织后，与控制信息复用，然后再映射到物理信道上。
图1-2传输信道dl-sch在mac层的处理流程
图1-3是物理信道pdsch上两个码字的处理流程 ［3］。首先，将传输信道dl-sch上的码字进行加扰，然后再进行调制。pdsch的调制方式可以是qpsk、16qam或64qam。经过调制后的码字是复值的调制符号，这些符号又会映射在一个或者多个的空间层上。在lte系统中，空间复用可以有1、2、3或4层。每一层的复值信号经过预编码后映射在为这个pdsch分配的资源单元上，然后再经过ofdm调制，被发送到天线端口上。
下行流量的潜在影响因素 用户面数据的处理流程描述了物理层和mac层对用户数据的处理过程。物理层的配置决定了系统最终能够为用户提供的物理承载能力，而这些物理承载中映射的用户信息比特数是由mac层所采用的编码率、调制方式以及是否有数据重传等因素决定的。所以，下面分别从物理层和mac层分析影响下行流量的因素。
d-lte系统物理层的用户传输能力 图2-1是td-lte的帧结构 ［3］。一个无线帧的长度是10ms，由两个结构一样的半帧组成，每个半帧中有五个子帧。子帧1是特殊时隙，用来传输dwpts、gp和uppts。子帧0和子帧 2分别固定用作下行和上行。子帧 3和子帧4可以用作上行或者下行。
图2-1 td-lte帧结构
下行物理信道有物理下行共享信道（pdsch），物理广播信道（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）。每一个下行物理信道都是一系列的资源粒子re的集合。除此之外，物理层上还有一些资源单元不对应物理信道，只是传输下行物理信号，其中包括参考信号和同步信号。在这些所有的物理资源上，只有pdsch是用来传输用户数据的。表2-1举例说明了物理信道pdsch在特定系统配置下能够提供的最大资源单元 （re）。
表2-1 物理信道pdsch基于特定系统配置下可用的资源单元
物理信道pdsch可用的资源单元的数量直接影响了用户的下行流量。所以，物理层对下行流量的影响是在于不同的系统配置。这些配置因素包括带宽、多天线技术、上下行时隙比、下行控制信道的ofdm符号数（cfi）和特殊时隙的配置。表2-2是这些影响因素的常用配置。
表2-2 物理层对下行流量的影响因素及常用配置
mac层影响下行流量的因素分析 mac层的数据传输是通过harq的多个进程来实现。每个harq进程就是一个输入数据比特的缓冲器。输入的数据流经过速率匹配后，与pdsch上能够传输的比特数匹配。系统会根据ue反馈的ack/nack后，决定发送新的数据还是重传旧的数据。对于每次重传，使用不同的信道冗余版本，这些冗余版本是预先定义好的。所以，harq进程数，最大重传次数和冗余版本的设置直接影响了下行数据的传输速率。
mac层还有对用户面数据处理的控制功能，即链路自适应功能。mac层根据ue反馈的信道质量指示，ri的指示和ack/nack的上报，决定为该用户分配的传输块大小、编码率和调制方式。信道编码率是下行信息比特数与pdsch物理信道比特数的比值 ［4］。
coderate = nsys / nrm
coderate是信道编码率。nsys 是在一个tti内用户信息的比特数。nrm是经过速率匹配后映射到物理信道pdsch上的比特数。nrm 用 rm （nphy） 表示。nphy 是物理信道pdsch能够传输的比特数。
nphy = nre * ri * nmod
nre是物理信道pdsch所占的资源单元数。ri是数据传输在空间的级数，可以取1或者2。当天线采用发射分集的方式时，ri等于1。当天线采用空分复用的方式时，ri等于2。nmod是一个调制符号所代表的比特数。nmod可以取2，4或者6，分别对应的是 qpsk，16qam或者是64qam的调制方式。
所以，nsys = coderate * rm （nre * ri * nmod）。其中nre与系统的基本配置相关。ri、nmod和coderate的取值和链路自适应的功能相关。
基于以上分析，mac层对单用户下行流量的影响体现在特定系统配置和不同的信道环境下，链路自适应功能和harq功能的实现，如图2-2所示。
图2-2 mac层对下行流量的影响因素和常用配置
下行流量在组网测试中的测试案例选择 在测试学的理论中，覆盖测试常用的测试模型有：block coverage、branch coverage、c-use coverage、p-use coverage、dud-chains和du-pairs。图3-1表示的是不同的覆盖测试模型下 ［5］，覆盖率和检测出的缺陷数之间的关系。从图中可以看出，即便是在效率最高的blocks coverage模型下，覆盖率在达到85%左右后，检测出的缺陷数基本保持不变。所以，测试不是追求100%覆盖，而是要在一定的时间和成本下，寻找到一套有效的测试方法来保证产品的质量。这种测试理论同样适用于运营商的组网测试。
图3-1 覆盖率和检测出错误数的关系
组网测试主要是针对td-lte系统在实际应用的网络中最常规和最大量应用的场景进行测试。理想信道下的测试衡量的是系统最大的传输能力。非理想信道下的测试反映了近似于真实环境下的系统传输能力。下面分别在这两种测试环境下，结合上述对下行流量影响因素的分析，选择了一组核心的测试案例，如表3-1和表3-2所示。其中包括测试目的、系统配置、测试方法以及预期的测试结果。这些测试案例中选取的系统配置可以根据实际网络的需求情况，作出相应的调整，以便测试能够更好地为组网应用提供保障。
表3-1下行流量在理想信道环境下的核心测试案例
表3-2下行流量在非理想信道环境下的核心测试案例
总结 从测试理论来看，测试不是追求100%覆盖，而是要根据特定的测试目的，寻找到一套有效的测试方法来保证产品的质量。 td-lte系统组网测试应该主要是针对实际应用的网络中最常规和最大量应用的场景进行测试。本文从理论上分析了物理层和mac层对下行流量的主要影响因素和常用配置，提出了运营商组网测试中理想信道环境下和非理想信道环境下针对下行流量的核心测试案例，其中的系统配置可以根据运营商具体的网络应用需求作出调整。这些测试案例可以作为运营商td-lte网络入网测试时针对下行流量测试的主要测试案例。
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图1-1 3gpp lte网络的用户面协议栈
图1-1是3gpp lte网络的用户面协议栈 ［1］。左边蓝色框内是无线网络侧的用户面协议栈。下行数据从核心网传输到基站侧后，经过pdcp层、rlc层和mac层的封装映射到物理层上，再通过空口传输到ue侧。ue侧经过相应层的解封装后，得到下行的数据包。
pdcp层从上层接收数据，对数据进行压缩和加密，然后再转发到rlc层。rlc层根据底层传输块大小对上层pdu进行分段，然后通过确认模式、非确认模式或者透明模式传输到mac层，并通过arq机制进行错误修正。mac层实现了ue间的动态调度，能通过harq进行错误纠正以及实现传输块格式的选择等功能。物理层为mac层和高层提供信息传输的服务。在td-lte系统中，mac层和物理层的配置和功能直接影响了用户的下行流量。
下行用户数据在mac层是承载在传输信道dl-sch上的。当基站发射数据的天线多于一根时，mac层会将接收到的上层数据分成两个比特流。图1-2是传输信道dl-sch在mac层的一个比特流的处理流程 ［2］。每一个比特流需要被附加24比特的crc校验位，然后再进行比特加扰。如果比特流的大小大于传输信道的最大长度，比特流就会被分割成多个码块，每一码块都要加24比特的crc校验位。经过码块分割后，每一个码块都要进行信道编码。dl-sch传输信道使用的是turbo 1/3 编码方式。编码后的数据进入harq软比特缓冲器后，进行harq的功能处理。从harq软比特缓冲器输出的比特流进行二次交织后，与控制信息复用，然后再映射到物理信道上。
图1-2传输信道dl-sch在mac层的处理流程
图1-3是物理信道pdsch上两个码字的处理流程 ［3］。首先，将传输信道dl-sch上的码字进行加扰，然后再进行调制。pdsch的调制方式可以是qpsk、16qam或64qam。经过调制后的码字是复值的调制符号，这些符号又会映射在一个或者多个的空间层上。在lte系统中，空间复用可以有1、2、3或4层。每一层的复值信号经过预编码后映射在为这个pdsch分配的资源单元上，然后再经过ofdm调制，被发送到天线端口上。
下行流量的潜在影响因素 用户面数据的处理流程描述了物理层和mac层对用户数据的处理过程。物理层的配置决定了系统最终能够为用户提供的物理承载能力，而这些物理承载中映射的用户信息比特数是由mac层所采用的编码率、调制方式以及是否有数据重传等因素决定的。所以，下面分别从物理层和mac层分析影响下行流量的因素。
d-lte系统物理层的用户传输能力 图2-1是td-lte的帧结构 ［3］。一个无线帧的长度是10ms，由两个结构一样的半帧组成，每个半帧中有五个子帧。子帧1是特殊时隙，用来传输dwpts、gp和uppts。子帧0和子帧 2分别固定用作下行和上行。子帧 3和子帧4可以用作上行或者下行。
图2-1 td-lte帧结构
下行物理信道有物理下行共享信道（pdsch），物理广播信道（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）。每一个下行物理信道都是一系列的资源粒子re的集合。除此之外，物理层上还有一些资源单元不对应物理信道，只是传输下行物理信号，其中包括参考信号和同步信号。在这些所有的物理资源上，只有pdsch是用来传输用户数据的。表2-1举例说明了物理信道pdsch在特定系统配置下能够提供的最大资源单元 （re）。
表2-1 物理信道pdsch基于特定系统配置下可用的资源单元
物理信道pdsch可用的资源单元的数量直接影响了用户的下行流量。所以，物理层对下行流量的影响是在于不同的系统配置。这些配置因素包括带宽、多天线技术、上下行时隙比、下行控制信道的ofdm符号数（cfi）和特殊时隙的配置。表2-2是这些影响因素的常用配置。
表2-2 物理层对下行流量的影响因素及常用配置
mac层影响下行流量的因素分析 mac层的数据传输是通过harq的多个进程来实现。每个harq进程就是一个输入数据比特的缓冲器。输入的数据流经过速率匹配后，与pdsch上能够传输的比特数匹配。系统会根据ue反馈的ack/nack后，决定发送新的数据还是重传旧的数据。对于每次重传，使用不同的信道冗余版本，这些冗余版本是预先定义好的。所以，harq进程数，最大重传次数和冗余版本的设置直接影响了下行数据的传输速率。
mac层还有对用户面数据处理的控制功能，即链路自适应功能。mac层根据ue反馈的信道质量指示，ri的指示和ack/nack的上报，决定为该用户分配的传输块大小、编码率和调制方式。信道编码率是下行信息比特数与pdsch物理信道比特数的比值 ［4］。
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nphy = nre * ri * nmod
nre是物理信道pdsch所占的资源单元数。ri是数据传输在空间的级数，可以取1或者2。当天线采用发射分集的方式时，ri等于1。当天线采用空分复用的方式时，ri等于2。nmod是一个调制符号所代表的比特数。nmod可以取2，4或者6，分别对应的是 qpsk，16qam或者是64qam的调制方式。
所以，nsys = coderate * rm （nre * ri * nmod）。其中nre与系统的基本配置相关。ri、nmod和coderate的取值和链路自适应的功能相关。
基于以上分析，mac层对单用户下行流量的影响体现在特定系统配置和不同的信道环境下，链路自适应功能和harq功能的实现，如图2-2所示。
图2-2 mac层对下行流量的影响因素和常用配置
下行流量在组网测试中的测试案例选择 在测试学的理论中，覆盖测试常用的测试模型有：block coverage、branch coverage、c-use coverage、p-use coverage、dud-chains和du-pairs。图3-1表示的是不同的覆盖测试模型下 ［5］，覆盖率和检测出的缺陷数之间的关系。从图中可以看出，即便是在效率最高的blocks coverage模型下，覆盖率在达到85%左右后，检测出的缺陷数基本保持不变。所以，测试不是追求100%覆盖，而是要在一定的时间和成本下，寻找到一套有效的测试方法来保证产品的质量。这种测试理论同样适用于运营商的组网测试。
图3-1 覆盖率和检测出错误数的关系
组网测试主要是针对td-lte系统在实际应用的网络中最常规和最大量应用的场景进行测试。理想信道下的测试衡量的是系统最大的传输能力。非理想信道下的测试反映了近似于真实环境下的系统传输能力。下面分别在这两种测试环境下，结合上述对下行流量影响因素的分析，选择了一组核心的测试案例，如表3-1和表3-2所示。其中包括测试目的、系统配置、测试方法以及预期的测试结果。这些测试案例中选取的系统配置可以根据实际网络的需求情况，作出相应的调整，以便测试能够更好地为组网应用提供保障。
表3-1下行流量在理想信道环境下的核心测试案例
表3-2下行流量在非理想信道环境下的核心测试案例
总结 从测试理论来看，测试不是追求100%覆盖，而是要根据特定的测试目的，寻找到一套有效的测试方法来保证产品的质量。 td-lte系统组网测试应该主要是针对实际应用的网络中最常规和最大量应用的场景进行测试。本文从理论上分析了物理层和mac层对下行流量的主要影响因素和常用配置，提出了运营商组网测试中理想信道环境下和非理想信道环境下针对下行流量的核心测试案例，其中的系统配置可以根据运营商具体的网络应用需求作出调整。这些测试案例可以作为运营商td-lte网络入网测试时针对下行流量测试的主要测试案例。
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