TD-LTE 基站传输带宽需求分析

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在北京怀柔以及上海世博的TD-LTE试验网的测试中，TD-LTE的峰值速率均可以达到每小区80Mbps左右的理想传输速率。更高的传输速率决定了无线基站所需要的传输带宽要求更高，而无线基站传输带宽要求的不同，也决定了对传输网络规划建设要求的不同。

本文对TD-LTE峰值带宽以及保证带宽的几种计算方式进行了分析讨论，希翼提出合理的TD-LTE基站所需传输带宽需求，为传输网络的规划建设提出合理的要求。

一、TD-LTE的网络架构

TD-LTE网络与2G/3G网络的架构完全不同，去掉了BSC/RNC 这个网络设备，只保留了E-NodeB 网元，目的是简化网络架构和降低时延。RNC 功能被分散到了E-NodeB和接入网关（aGW）中。

图1       GSM/UMTS网络架构向LTE网络架构的演进

E-NodeB与aGW 之间的接口称为S1 接口。S1接口也分为用户平面和控制平面。其中用户平面接口S1-U将eNB和SGW连接，用于传送用户数据和相应的用户平面控制帧。而控制平面接口S1-MME则将eNB和MME相连，主要完成S1接口的无线接入承载控制、接口专用的操作维护等功能。

E-NodeB之间通过X2接口互相连接，形成了所谓Mesh型网络，这是LTE相对原来的传统移动通信网的重大变化。X2接口也分为用户平面和控制平面。X2用户平面接口X2-U在E-NodeB之间的IP传输层上，采用面向非连接的UDP协议进行用户数据传输，在UDP协议之上承载GTP-U协议，即采用了和S1接口相同的用户平面机制。X2控制平面接口X2-C的协议结构底层也采用了SCTP over IP的机制，保证信令的可靠传输。

二、峰值传输带宽计算

根据TD-LTE的网络架构可以看到，E-NodeB基站的总传输带宽需求包括S1用户平面的业务数据带宽需求、S1控制平面的信令传输带宽需求、X2用户平面的业务数据带宽需求和X2控制平面的信令传输带宽需求几部分。

具体计算公式为：

E-NodeB总带宽需求=（S1用户平面带宽需求+X2用户平面带宽需求）×扇区数＋S1控制平面带宽需求+ X2控制平面带宽需求＋其他开销带宽

其中：

l  S1用户平面的业务数据带宽需求与小区吞吐量相关，可以用（扇区吞吐量×扇区数）来表示，对于峰值传输带宽计算时，扇区吞吐量采用峰值传输速率进行计算

l  X2用户平面的业务数据带宽需求与小区中同时切换的用户数及每用户平均需要转发的数据量相关

l  切换时的X2用户平面流量较少。同时如果用户在切换时，流量从X2接口走，则不占用S1接口，因此总的S1+X2流量不变。

l  S1控制平面带宽需求约为1Mbps

l  设一个基站与另一个基站的X2接口信令带宽约64kbps，一个基站与邻近16个基站有X2连接，X2控制平面的带宽需求总共约1Mbps流量

l  其他开销带宽每个厂家不一样，可以按照5%计算

从上面的公式可知，要计算基站的峰值传输带宽，需要计算单小区的峰值速率。目前，单小区峰值速率计算有两种方法。

方法一是采用单时隙承载的bit数进行计算。首先分别计算一定带宽和调制方式下的子帧时隙和特殊时隙的所能承载的bit数，然后根据时隙配比、MIMO方式计算单小区的峰值速率。

对于20MHz带宽，调制方式为64QAM的情况下，每一个子帧时隙单流承载bit数为：RB总数×[每RB的子载波数×(子帧内符号数 - 控制符号数) - RS数] ×调制阶数 ×码率=71280bit；

每一个DwPTS时隙单流承载业务bit数为：RB总数×[每RB的子载波数×(DwPTS内符号数 - 控制符号数) - RS数]×调制阶数 *码率=47520bit ；

这样，若为2:2时隙配比，2×2 MIMO，则下行峰值带宽为76.032Mbps ；若3:1时隙配比，2×2 MIMO，则下行峰值带宽为104.544Mbps。

方法二是采用最大TBsize的方式进行计算。首先根据RB数量及下行调制阶数确定下行时隙的Tbsize ，根据RB数量及上行调制阶数确定上行时隙的Tbsize 以及特殊子帧的Tbsize ，然后在分别计算上下行的峰值速率。

其中：

下行峰值速率=下行普通子帧最大MCS的TB size×每个无线帧包含的下行普通子帧数+下行特殊子帧最大MCS的TB size×每个无线帧包含的特殊子帧数）/每个无线帧的时间

上行峰值速率=上行最大MCS的TB size×每个无线帧包含的上行子帧数/每个无线帧的时间

对于带宽为20Mhz，RB数量为110，下行调制阶数为6，上行调制阶数为4的双流情况下，2:2时隙配比时，下行峰值速率是81.9Mbps，上行峰值速率是17.5Mbps；3:1时隙配比时，下行峰值速率是111.9Mbps上行峰值速率是8.76Mbps。

这样，如果采用方法一的计算结果，一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求可以按照下表计算：

BBU总容量	S1+X2用户面流量	S1控制面流量	X2控制面流量	BBU总带宽	承载带宽（5%开销）
3x20MHz小区(S111)	3x104.544	3 Mbps	1 Mbps	317Mbps	332Mbps
20Mhz小区(O1)	104.544	1 Mbps	1 Mbps	107 Mbps	112Mbps

上表所计算的是一个TD-LTE基站的峰值传输带宽需求，在实际的传输网络的规划建设中，为了保证传输网络的经济效益，一般不按照峰值传输带宽进行传输网络的建设，而是按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求。

三、保证传输带宽计算

在实际网络中，由于无线传播环境的差异以及用户分布位置不同等原因，用户终端不可能都按照峰值速率工作。如果按照峰值传输带宽进行传输网络的的建设，将会造成很大的传输资源浪费。所以为了保证传输网络的经济效益，一般按照一定的方式来计算基站的保证带宽需求，按照保证带宽需求进行传输网络规划建设。

保证带宽的计算有采用多种方式，可以根据峰值带宽按照一定的收敛比计算，也可以按照峰值和平均值进行配比计算，还可以根据网络仿真进行估算。

1．根据峰值带宽按照收敛比计算

根据峰值按照收敛比进行计算的方法是在实际配置传输接口时，考虑不同的收敛比进行计算。

图2       传输收敛比示意图

按照1/3的收敛，对于前面所计算的三扇区的基站3:1时隙时所需带宽为332/3=111Mbps。

在实际带宽需求大的场景下应设置较小的收敛比，甚至是不设置收敛比；在实际带宽需求较小的场景下可以设置较大的收敛比。

2．按照峰值和平均值进行配比计算

按照峰值和平均值进行配比计算的计算方法，是在实际配置传输接口时根据平均值和峰值配比进行计算。

前面所计算的单扇区的3:1时隙时的峰值为112Mbps,平均值为26Mbps。按照1个峰值，2个平均值进行计算 ，3:1时隙配置需要的带宽为 ：

1.1×1.2×(2 × 26Mbps＋112Mbps) = 1.1×1.2×164Mbps = 216 Mbps

3．根据网络仿真进行估算

根据网络仿真进行估算的方法，是在一定的网络建设条件下，考虑相应的业务需求，利用仿真工具对TD-LTE网络进行仿真，得到网络中每个基站的上下行的平均吞吐量，考虑一定的传输倍增系数，再加上相应的控制平面带宽需求，从而得到该TD-LTE网络中基站实际所需要的带宽。

假设有一个TD-LTE网络，有100个TD-LTE基站，共计300个小区，站间距为500米，带宽为20MHz，同频组网，时隙配比为2:2。对此网络进行仿真，得到每小区的平均吞吐量为30Mbps，考虑1.1的倍增系数，以及5Mbps的控制平面带宽需求，则一个三扇区基站的需求带宽为30M×3×1.1+5=104Mbps。

由于不同TD-LTE网络的仿真条件不一样，而且不同的仿真工具的算法也不一样，仿真得到结果就不一样。

四、总结

前面根据TD-LTE的网络结构，给出了TD-LTE基站的峰值传输带宽的计算方法，然后在峰值传输带宽的基础上，给出了三种保证带宽的计算方法，对TD-LTE基站的传输带宽需求进行了分析。

可以看到，上面三种保证带宽的计算方法所计算出来的结果相差较大，在TD-LTE实际网络建设中，TD-LTE基站的保证带宽究竟按照多少进行配置，还需要在后续的试验网中进行测试和验证。