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[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。

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加:2022-06-14 22:57:06  更:2022-06-14 22:59:19 
 
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