[系统运维]LTE峰值1Gbps传输速率之路

前言

?“提速”是移动通信永恒不变的主题，2、3、4、5G，第一个目标就是提速：

???通信行业最大的事莫过于西班牙巴塞罗那通信展了，大佬们齐聚一堂，共商行业发展大计；各公司竭尽所能，力求突出亮点，而我成功被一部中兴手机刷了屏：

就是这货，从外观上看，应该是还处于研发阶段的样机，虽然丑了点，不过能耐大啊。中兴称之为Gigabit Phone，就是“千兆速率手机”的意思，也就是说，该手机速率能达到1Gbps，是目前4G手机下载速率的6倍多，是4G+手机下载速率的3倍多。从图上看，该机器下行速率可达到978Mbps。

那么1Gbps是什么鬼？怎么能达到这个级别？

提高手机速率有三板斧：载波聚合、高阶调制、多流传输，这三板斧的花式组合就得到不同速率。不同速率的手机又对应不同的终端等级，即UE Cat。要计算速率，就得先说配置，任何不谈配置就算速率的行为都是耍流氓。FDD LTE网络下达到1Gbps速率和TD-LTE网络下达到1Gbps速率采用的方法是不同的。

UE CAT

????我们用手机是为了打电话、发短信、看小视频、双11剁手，每一次手机和网络都在默默的协商流程、配置参数、调度资源铺路，而做这些首先需要知道手机的能力，能力不一样，能干的事也不一样，网络才能有的放矢。手机能力，即UE Capability，是一堆参数集合，包括UE Category，PDCP参数、RLC参数、物理层参数、RF参数等等。其中UE Category（终端类型，简写为UE Cat），表示这部手机下载和上传能达到的最高速率，是由手机用的通信芯片决定。苹果7说它速率450Mbps，也就是说它是UE Cat 9。

据3GPP TS 36.306记载，表示下载速率的UE Cat从Cat NB1 ~ Cat 19，共22种；下载速率最低是680Kbps，即Cat NB1；最高约25Gbps，即Cat 17。表示上传速率的UE Cat从Cat NB1 ~ Cat 14，共17种；上传速率最低1Mbps，Cat NB1/Cat M1/Cat 0都是如此；最高约9.6Gbps，即Cat 14。

从手机到手表：终端都要有Cat

????从上图可以看到，Cat NB1/Cat M1/Cat 0/Cat 1表示的终端上传和下载都不超过10Mbps，显然不会有这么慢的4G手机。因为这几个Cat是为物联网终端准备的，像将来能连到中国某动网络的手表、水表、电表等等。

从Cat XX到UL Cat X + DL Cat Y：终端上下行能力

????我们发现表示上行速率的Cat值要比表示下行速率的Cat值少五种，上下行难道不是一一对应的？为啥这样？

? ? 4G技术是一个版本一个版本的不停更新，每次更新都会引入一些新技术和新UE Cat值。4G最早版本是R8,R9，后续接着有R10，R11，R12，R13等等。在营业厅和手机上看到的“4G”就是指R8和R9，看到的“4G+”表示升级到了R10及以后。

????R8/R9定义Cat1~Cat5；R10定义Cat6~Cat10；R11定义Cat11~Cat12；用一个Cat值表明手机的最大上传和下载速率，不同Cat对应的上传和下载速率可查看上上图。

? ? 但是从R12开始，为了更加灵活，手机的上传和下载速率用分开的UE Cat表示，上传速率用UE UL Cat X，下载速率用UE DL Cat Y，正所谓“合久必分”。X和Y可以相同，也可以不相同，通过UE UL Cat X和UE DL Cat Y的组合表示一部手机的上传和下载速率；当然，X和Y不是任意组合，组合方式见3GPP TS 36.306。

????R12除了将UE Cat分成UL Cat和DL Cat外，同时UL Cat新定义UL Cat13/14，DL Cat新定义DL Cat13/14/15/16；在R13新定义DL Cat17/18/19。可以看出DL Cat 15/16/17/18/19是单独定义的，没有UL Cat 15/16/17/18/19与之对应，这就是为什么UL Cat比DL Cat少五种。

多管齐下，满足终端不同上下行能力

????不管是上传速率，还是下载速率，总趋势是越来越快。对于一部Cat 6手机，比如苹果6s，最大下载速率300Mbps，，也就是每秒能下载300Mbps/8 = 37.5MB，下载一部4GB的高清电影需要约109s；想象一下有一部DL Cat 16的手机，下载速率最快1Gbps，也就是每秒能下载1Gbps/8 = 125MB，下载一部4GB的高清电影只需要33s！！（A：这里是理论分析，实际下载速率与网络配置有关，一般不会达到理论速率。B：就是不行呗…）

????如此快无边界的手机，是怎么做到的呢？有三种技术，分别是载波聚合、高阶调制、多流传输，通过它们不同配置的排列组合就可以得到不同速率，对应不同上行和下行能力，即UL Cat和DL Cat。这三种技术怎么选择、怎么配置是有讲究的，一方面要看手机支持哪些，这在UE能力（就是第一张图里的UE Capability）里有专门字段标记；另一方面，网络要根据当前无线环境、小区用户等统筹决定。

????不同上行和下行能力手机支持的三种技术配置如下图，

?

UE CAT 下行参数

对于下行DL Cat，共有四个参数，分别是：

Maximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI ：简记为MaxRate。

Maximum number of bits of a DL-SCH transport block received within a TTI：简记为MaxTBS。

Total number of soft channel bits：简记为SCB。

Maximum number of supported layers for spatial multiplexing in DL：简记为MaxLayers。

下行参数定义如下图：

MaxRate

????MaxRate是指手机最高速率（理论速率）。参数取值是指在一个TTI内（1ms），手机使出洪荒之力，最大能够处理的总比特数，据此可以算出手机的最大速率。

????以Cat 6为例，参数取值为301504，说明一个TTI内，手机最大能处理301540bit数据，所以下行最高速率为301504 bits/1ms = 301.504Mbps，市面上Cat 6终端宣传的300Mbps就是这么来的；再比如Cat 9，下行最高速率为452256 bits/1ms = 452.256Mbps，水果7的450Mbps就是这个意思。

MaxTBS

????该参数是指在一个TTI内，手机同时接收到的所有TB中，最大的TBS。根据TS36.213 Table7.1.7.1和Table7.1.7.2，选择最大MCS、最大PRB，对应的TBS就是该参数取值。以Cat 6为例，MCS选择最大值为28，PRB选择最大值为100（20MHz带宽），则TBS=75536。

????此外，若使用双流以上MIMO传输（下行双流是默认配置），如下行四流、下行八流，还需要将上一步得到的TBS，继续查表映射到多流传输时TBS大小。TS 36.213 Table 7.1.7.2.2和Table 7.1.7.2.5分别给出采用下行四流、下行八流时TBS大小。仍以Cat 6为例，上一步中得到下行双流时最大TBS=75536，如果采用下行四流，查表TS 36.213 Table 7.1.7.2.2，得到对应TBS=149776。

????这也说明实现下行Cat 6有两种方式，一种是采用默认下行双流+2载波聚合，最大TBS=75376；另一种是采用下行四流，最大TBS=149776。TBS越大，终端实现难度越大，所以各厂商的Cat 6终端无一例外都采用下行双流+2载波聚合。

SCB

第三个参数“Total number of soft channel bits”，直译为“软信道比特大小”，实际就是“终端HARQ缓存大小”。4G网络MAC层使用HARQ机制确保数据传输准确性，并且下行最多同时开启8个HARQ进程，每个HARQ进程传输经过信道编码后的数据，信道编码采用码率为1/3的Turbo码，所以HARQ缓存的数据量要远大于传输数据。

????还是以Cat 6为例，1个HARQ进程，最大TBS=149776，采用1/3码率信道编码，数据量为149776*3 = 449328bit；同时进行8个HARQ进程，则最大数据量为449328*8=3594624bit，即第三个参数。

????另外，本文开始提到，这个参数只在DL Cat中有，UL Cat没有，Why？下行方向，基站向每一个手机发送数据时，需要为手机预留足够的buffer，而每个手机的缓存大小不同（反映为UE Cat不同，速率越快的手机，缓存要越大），基站的基带芯片RAM空间也有限，不可能给每一个手机都预留很大，所以手机要向基站上报自己最大HARQ缓存，这就是为什么下行UE Cat里有这个参数。而上行方向，手机只要告诉基站自己有多少数据要发就OK了，即上行数据缓存（BSR），而这个缓存和UL Cat无需绑定。

MaxLayers

????第四个参数是手机支持的最大层/流数，也就是手机在使用MIMO时，可以将数据最大映射到几层，还记得小编在系列文章中“MIMO、OFDM实现方式”（关注微信公众号Wisdom365后台回复“数据流程”查看）里提到TB数<=层/流数<=天线端口数<=物理天线数，所以这个参数暗含了手机的物理天线数。如果手机最大支持的层/流数是2，则至少要有2根物理天线，这也是目前绝大部分手机的配置；如果最大支持的层/流数是4，则至少要有4根物理天线，天线越多，手机的设计越复杂。后续我们还会提到，想要将速率提到hin快hin快的1Gbps，手机必须要有四天线。

UE CAT 上行参数

????对于上行UL Cat，共有三个参数，分别是：

Maximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI ：简记为MaxRate。

Maximum number of bits of a DL-SCH transport block received within a TTI：简记为MaxTBS。

Support for UL 64QAM in UL：简记为UL64QAM。

上行定义如下图：

上行UL Cat共三个参数，前两个和下行DL Cat的意义完全相同，就不赘述啦。第三个参数“Support for UL 64QAM in UL”，意思是手机是否必须支持上行64QAM，至于为什么DL Cat没有这个参数，因为下行64QAM是默认配置，所有DL Cat 必须支持...

LTE FDD通往1Gbps速率之路

????现在市面上中低端的手机大部分都是Cat 4，下载速率最大150Mbps，为了达到150Mbps，网络必须为一个用户配置20MHz带宽的载波，最高调制方式64QAM，下行双流传输，即：一个载波20MHz + 64QAM + 双流 = 150Mbps ：

1. 把调制方式从64QAM提高为256QAM，速率提升1/3，则： 一个载波20MHz + 256QAM + 双流 = 200Mbps；
2. 把下行双流提升至下行四流，速率提升1倍，则：一个载波20MHz + 256QAM + 四流 = 400Mbps。

这是一个载波能达到的最大速率了，可距离1Gbps还远着呢，哈哈，速率不够，载波来凑：

1. 第一个载波20MHz + 256QAM + 四流 = 400Mbps；
2. 第二个载波20MHz + 256QAM + 四流 = 400Mbps；
3. 第三个载波20MHz + 256QAM + 双流 = 200Mbps；

????这样，三个载波的速率叠加400Mbps+400Mbps+200Mbps正好是1Gbps，也就是说：使用三载波聚合、每个载波都采用256QAM、其中两个采用下行四流，另外一个载波采用双流（三个载波共10流），则在LTE FDD网络下就可以达到下行1Gbps的速率，此时终端对应UE Cat 16。

TD-LTE通往1Gbps速率之路

????采用和LTE FDD相同的配置，TD-LTE的速率要小于LTE FDD，也就是说，同样使用三载波聚合、每个载波都采用256QAM、其中两个载波采用下行四流，另外一个载波采用双流（三个载波共10流），在LTE FDD网络下可以达到下行1Gbps，在TD-LTE网络下却达不到1Gbps，大约是700Mbps左右吧。这是由于TD-LTE本身“上下行共同一个载波”的技术特点决定的。这一点也常被不明真相的群众拿来诟病，说TD-LTE速率比LTE FDD差太远，天生残废；但这也正是TD-LTE的优势，比LTE FDD节省一半的频谱资源。技术本无好坏，就看用在哪里了。

TD-LTE速率到底能达到多少？

????按照一个载波20MHz（上行和下行共用20MHz），上行和下行子帧配比1：3（10个子帧中2个上行子帧，6个下行子帧，2个特殊子帧）的配置，这也是目前某动的现网配置。TD-LTE下行速率 = LTE FDD下行速率 * 下行子帧数/总子帧数 =LTE FDD下行速率* (6/10 ~ 8/10)，最小值为LTE FDD下行速率* 6/10（特殊子帧不用来传数据）；最大值为LTE FDD下行速率* 8/10（两个特殊子帧全部用来传下行数据）。

????上面提到在LTE FDD网络，一部Cat 4手机：一个载波20MHz + 64QAM + 双流 = 150Mbp；那么对于TD-LTE：一个载波20MHz + 64QAM + 双流 = 150Mbp*（6/10 ~ 8/10）= 90Mbps ~ 120Mbps，实际约110Mbps；

1. 把调制方式从64QAM提高为256QAM，速率提升1/3，则：一个载波20MHz + 256QAM + 双流 ~ 150Mbps；
2. 把下行双流提升至下行四流，速率提升1倍，则：一个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；

????如果采用LTE FDD达到1Gbps相同的配置（三载波聚合、每个载波256QAM、其中两载波下行四流，一个载波下行双流），对于TD-LTE：

1. 第一个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；
2. 第二个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；
3. 第三个载波20MHz + 256QAM + 双流 ~ 150Mbps；

三个载波速率叠加是750Mbps，也就是对于UE Cat16的手机，在LTE FDD可以达到1Gbps，在TD-LTE可以达到750Mbps。

TD-LTE想要达到1Gbps怎么破？

既然三个载波不够，那就继续用载波来凑：

1. 第一个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；
2. 第二个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；
3. 第三个载波20MHz + 256QAM + 四流 ~ 300Mbps；
4. 第四个载波20MHz + 256QAM + 双流 ~ 150Mbps；

如此，四个载波速率叠加300Mbps+300Mbps+300Mbps+150Mbps = 1050Mbps，成功get千兆速率！当然，这个时候终端就不是Cat16了，而是Cat 19。