经典资料LTE问题定位指导书吞吐量.docx
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经典资料LTE问题定位指导书吞吐量
产品名称Productname
密级Confidentialitylevel
LTE
内部公开
产品版本Productversion
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eRAN3.0
LTE-TDD问题定位指导书-吞吐量篇
目录TableofContents
关键词Keywords:
摘要Abstract:
本文描述了下行吞吐率问题的定位流程和优化方法。
缩略语清单Listofabbreviations:
Abbreviations
缩略语
Fullspelling
英文全名
Chineseexplanation
中文解释
BSR
BufferStatusReport
缓存状态报告
CHR
CallHistoryRecord
呼叫历史记录
CRC
CyclicRedundancyCheck
循环校验
CRNTI
CellRadioNetworkTemporaryIdentifier
小区无线网络临时标示
CS
CircuitSwitched
电路域
DCI
DownlinkControlInformation
下行控制信息
DMRS
DemodulationReferenceSignal
调制参考信号
DRX
DiscontinuousReception
非连续接收
DTX
DiscontinuousTransmission
非连续发射
eNB
E-UTRANNodeB
E-UTRAN逻辑结点B
E-UTRAN
EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork
演进通用陆地无线接入网络
ERAB
E-UTRANRadioAccessBearer
E-UTRAN无线接入承载
GPRS
GeneralPacketRadioService
通用分组无线接入
GTPU
GPRSTunnellingProtocolforUserPlane
GPRS用户面隧道协议
IFTS
IntelligentFieldTestSystem
智能路测系统
IMSI
InternationalMobileSubscriberIdentity
国际移动用户标示
KPI
KeyPerformanceIndicator
关键性能指示
LAE
LTEAnalysisExpert
LTE分析专家系统
LMT
LocalMaintenanceTerminal
本地维护台
LTE
LongTermEvolution
长期演进系统
MAC
MediumAccessControl(protocollayeringcontext)
媒体接入控制层
MCS
ModulationandCodingScheme
调制编码方案
MME
MobileManagementEntity
移动管理实体
MSG
Message
消息
NACK
NegativeAcknowledgement
非确认
OM
OperationandMaintenance
操作与维护
OMT
OperationManagementTerminal
操作维护台
PDCCH
PhysicalDownlinkControlChannel
物理下行控制信道
PDSCH
PhysicalDownlinkSharedChannel
物理下行共享信道
PHR
PowerHeadroom
功率余量
PRACH
PhysicalRandomAccessChannel
物理随机接入信道
PS
PacketSwitched
分组域
PUCCH
PhysicalUplinkControlChannel
物理上行控制信道
PUSCH
PhysicalUplinkSharedChannel
物理上行共享信道
RACH
RandomAccessChannel
随机接入信道
RAR
RandomAccessResponse
随机接入响应
RA-RNTI
RandomAccessRadioNetworkTemporaryIdentifier
随机接入无线网络临时标示
RRC
RadioResourceControl
无线资源控制
RRU
RadioRemoteUnit
无线拉远单元
RSRP
ReferenceSignalReceivedPower
参考信号接收功率
SI
SchedulingInformation
调度信息
SIB
SystemInformationBlock
系统消息块
SINR
SignalInterferenceNoiseRatio
信号干扰噪声比
SRB
SignallingRadioBearer
信令无线承载
SRI
SchedulingRequestInformation
调度请求信息
SRS
SoundingReferenceSignal
探测接收信号
TA
TimingAdvance
时间提前量
TDD
TimeDivisionDuplex(ing)
时分双工
TMSI
TemporaryMobileSubscriberIdentity
临时移动标示
TRM
TransmissionResourceManagement
传输资源管理
TTI
TransmissionTimingInterval
传输时间间隔
UE
UserEquipment
用户设备
UU
User-to-Use
用户用户间接口
AM
Acknowledgedmode
确认模式
UM
Unacknowledgedmode
非确认模式
1概述
本文中的所提到的M2000在中国区等同于OMC920。
吞吐率异常主要有吞吐率偏低和吞吐率波动(掉坑、裂缝)两种表现,如果存在异常,需要定位。
本文档主要描述MAC层吞吐率问题定位的思路和方法。
E2E数传问题定位中,涉及TCP、IP、PDCP、RLC、MAC等协议层以及S1传输的问题定位,除MAC层问题在本文描述外,其他部分的问题隔离参考《TCP数传问题定位和优化指导书V3.0》。
2基础知识
2.1基本概念
2.1.1吞吐量相关指标定义
吞吐率定义:
单位时间内下载或者上传的数据量。
吞吐率公式:
吞吐率=∑下载上传数据量/统计时长。
吞吐率主要通过如下指标衡量,不同指标的观测方法一致,测试场景选择和限制条件有所不同:
(1)单用户峰值吞吐率:
单用户峰值吞吐率以近点静止测试,信道条件满足达到MCS最高阶以及IBLER为0,进行UDP/TCP灌包,使用RLC层平均吞吐率进行评价。
(2)单用户平均吞吐率:
单用户平均吞吐率以移动测试(DT)时,进行UDP/TCP灌包,使用RLC层平均吞吐率进行评价。
移动区域包含近点、中点、远点区域,移动速度最好30km/h以内。
(3)单用户边缘吞吐率:
单用户边缘吞吐率是指移动测试,进行UDP/TCP灌包,对RLC吞吐率进行地理平均,以两种定义分别记录边缘吞吐率。
Ø定义1)以CDF曲线(Throughputvs.SINR)5%的点为边缘吞吐率,此一般使用在连续覆盖下路测场景;
Ø定义2)以PL为120定义为小区边缘,此时的吞吐率为边缘吞吐率;此处只定义RSRP边缘覆盖的场景,假定此时的干扰接近白噪声,此种场景类似于单小区测试。
(4)小区峰值吞吐率:
小区峰值吞吐率测试时,用户均在近点,信道质量满足达到最高阶MCS,IBLER为0,采用UDP/TCP灌包;通过小区级RLC平均吞吐率观测。
(5)小区平均吞吐率:
小区平均吞吐率测试时,用户分布一般类似1:
2:
1分布(备注:
用户分布根据运营商要求而不同),即近点1UE、中点2UE、远点1UE,其中近点/中点/远点定义为RSRP-85dbm/-95dbm/-105dbm。
采用UDP/TCP灌包,通过M2000跟踪的小区RLC吞吐率观测得到。
2.1.2各层开销分析
从协议栈的不同层上进行定义,相应就体现了不同层的吞吐率,从高层到底层主要的有:
应用层速率、IP层速率、PDCP层速率、RLC层速率、MAC层速率、物理层速率。
高层速率和底层速率之间,主要差别在于头开销、以及重传的差异,比如说TCP层的重传数据不会体现在应用层吞吐率上,但是会体现在底层的如物理层吞吐率上。
用户面的协议栈参考下图:
图表11上行用户面协议栈
上层的数据到了底层之后,都会进行一层封装,从而增加了头开销,而在本层增加的头开销到了更底层的时候就又体现为数据量,应该计算入该层的吞吐量中,其各层吞吐率中包含的开销可以参考下图:
图表13各层吞吐率示意图
显然,头开销的比特数相对固定,头开销的比例和应用层的数据包大小相关的,应用层包字节越大,则头开销比例越小(暂不详细分析RLC层、MAC层都可能存在的分片和级联),另外,在LTE中,MAC层的传输块的大小是由MCS以及所分配的RB个数决定的,其变化的范围非常大,参考TS36.213Table7.1.7.2.1-1,
AM
UM
Applicationpackagesize
X
X
TCPheadersize
20
20
IPheadersize
20
20
IPpackageSize
X+40
X+40
PDCPheadersize
2
2or1
RLCheadersize
2ormore
1or2ormore
MACheadersize
2or3ormore
2or3ormore
L1packagesize
X+46(X+47ormore)
X+45(X+47ormore)
Overhead(1-app/L1)
=1-X/(X+46)
=1-X/(X+45)
图表14各层吞吐率示意图
以下表格给出了,当各个协议层的包都是一一对应的情况下的头开销估计,即一个RLCSDU对应一个RLCPDU,一个MACSDU对应一个MACPDU,另外PDCP/RLC/MAC的头部都为2个字节时的开销计算,可以看到当应用层采用最大字节1460的包时,协议栈的开销在3.05%。
当然在峰值测试时,RLC层会做级联,多个RLC包映射为一个MAC包,开销有所降低;
Apppackagesize
IPpackagesize
ProtocolOverhead
Efficiency
L1throughput
60
100
43.40%
56.60%
106
160
200
22.33%
77.67%
206
360
400
11.33%
88.67%
406
560
600
7.59%
92.41%
606
960
1000
4.57%
95.43%
1006
1460
1500
3.05%
96.95%
1506
2.2吞吐量计算
2.2.1峰值吞吐量计算方法
吞吐量取决于MAC层调度选择的TBS,理论峰值吞吐量就是在一定条件下计算可以选择的最大TBS,TBS由RB数和MCS阶数查表得到,具体计算思路如下:
【Step1】计算每个子帧最大可用的RE数
根据协议物理层时频资源分布,扣除每个子帧里PDCCH/PUCCH/PRACH、PBCH,SSS,PSS,CRS(对于BF还有DRS)等开销。
这些开销中,PBCH,SSS,PSS是固定的;其它的开销要考虑具体的参数设置,比如PDCCH符号数,PUCCH/PRACH占用的RB个数,特殊子帧配比,CRS映射到2端口还是4端口等。
说明:
目前产品实现中,对于单UEBF峰值,在TM7下子帧0(TM8下子帧0/1/5/6)的中间6个RB不能使用,由于采用RBG的分配方式,中间6个RB占用了3个RBG,所以10M带宽时共9个RB不可用,20M带宽时12个RB不可用。
【Step2】计算每个子帧可携带比特(bit)数
计算每个子帧可携带的比特数,可携带比特数=可用RE×调制系数(QPSK为2,16QAM为4,64QAM为6)。
【Step3】选择合适的TBS
依据可用的RB数选择满足CR(码率)不超过0.93的最大的TBS,CR=(TBS+CRC)/可携带比特数;如果CR超过0.93,MCS就要降阶。
根据协议,PHY层会把超过6144bits的TBS进行分块,给每块加上24bits的CRC,最后整个TBS还要加上一个TBCRC。
【Step4】PHY层吞吐量的计算
计算出每个子帧选择的TBS后,根据帧配比和特殊子帧配比累加各个子帧的TBS+CRC,如果是双码字还要乘以2,从而计算出最终PHY层吞吐量。
2.2.2单UE理论峰值吞吐量
(1)上行峰值吞吐量(以CFI=3,2T2R为例)
上行峰值速率
PUCCHRB
Cat3单用户峰值
Cat5单用户峰值
10M小区
配比0
4
14.3864
19.3576
配比1
6
8.3232
11.4304
配比2
8
4.0464
5.5712
配比5
8
1.908
2.6416
20M小区
配比0
6
28.8496
36.0536
配比1
8
19.0624
24.0024
配比2
16
8.4392
11.4312
配比5
14
4.3816
5.9256
(2)下行峰值吞吐量
特殊子帧配比7下行理论峰值(Mbps)
UE能力
Cat1
Cat2
Cat3
Cat4
Cat5
带宽
10M
20M
10M
20M
10M
20M
10M
20M
10M
20M
配比0
4.118
4.118
20.365
20.365
25.629
39.165
25.629
52.173
25.629
52.173
配比1
6.178
6.178
30.547
30.547
40.307
59.574
40.307
82.323
40.307
82.323
配比2
8.237
8.237
40.73
40.73
54.986
79.984
54.986
112.474
54.986
112.474
配比5
9.266
9.266
45.82
45.82
64.189
91.016
64.189
131.613
64.189
131.613
特殊子帧配比5下行理论峰值(Mbps)
UE能力
Cat1
Cat2
Cat3
Cat4
Cat5
带宽
10M
20M
10M
20M
10M
20M
10M
20M
10M
20M
配比0
2.059
2.059
10.182
10.182
14.678
20.41
14.678
30.150
14.678
30.150
配比1
4.118
4.118
20.365
20.365
29.357
40.819
29.356
60.301
29.356
60.301
配比2
6.178
6.178
30.547
30.547
44.035
61.229
44.036
90.451
44.036
90.451
配比5
8.237
8.237
40.73
40.73
58.714
81.638
58.714
120.602
58.714
120.602
2.2.3小区理论峰值吞吐量
(1)上行小区峰值吞吐量理论计算(以CFI=3,2T2R为例):
上行峰值速率
PUCCHRB
Cat3小区峰值
Cat5小区峰值
10M小区
配比0
4
14.3864
19.9336
配比1
6
9.168
12.6904
配比2
12
4.2
5.6992
配比5
8
1.908
2.6416
20M小区
配比0
6
30.2008
36.1536
配比1
10
19.3696
24.1024
配比2
20
8.772
11.7592
配比5
14
4.3816
5.9256
如果要精确计算的话还需要考虑SRS和PRACH的开销,基带只能处理60256TBS的能力,由于TDD目前SRS都是配置在特殊子帧上,所以只需要考虑PRACH的影响。
(2)下行小区峰值吞吐量计算
下行峰值速率
特殊子帧配比
CFI
小区理论峰值(mbps)
10M小区
配比0
10:
2:
2
1
25.62
配比1
10:
2:
2
1
40.3
配比2
10:
2:
2
1
54.98
配比5
10:
2:
2
1
64.18
20M小区
配比0
10:
2:
2
1
52.17
配比1
10:
2:
2
1
82.32
配比2
10:
2:
2
1
112.47
配比5
10:
2:
2
1
131.61
2.3影响吞吐量的相关因素
2.3.1呼叫流程中与吞吐率有关的关键信令
2.3.2下行吞吐率基本影响因素
3.2.2.1下行调度基本过程
UE在规定的上行CQI、RI反馈周期时,上报CQI、RI(仅复用模式需上报)、PMI(仅闭环时需上报)。
且在下行有PDSCH时,反馈ACK/NACK。
eNB侧根据实际资源情况和调度算法,给UE分配相应的上行资源,在PDCCH上下发DLGrant和PDSCH给UE。
3.2.2.2影响下行吞吐率的基本因素
(1)系统带宽:
系统的不同带宽决定了系统的总RB数;
ChannelbandwidthBWChannel[MHz]
1.4
3
5
10
15
20
TransmissionbandwidthconfigurationNRB
6
15
25
50
75
100
(2)数据信道可用带宽:
公共信道的开销进一步决定了用户可以实际使用的资源,其中下行主要包括PDCCH和系统消息;
(3)UE能力限制:
在计算单用户峰值时,在考虑用户可用带宽时,还需要考虑UE能力的限制,不同类型UE具备不同的上下行峰值速率具体参考TS36.306;
UECategory
MaximumnumberofDL-SCHTBsizeswithinaTTI
MaximumnumberaDL-SCHTBsizeswithinaTTI
Totalnumberofsoftchannelbits
MaximumnumberofsupportedlayersforspatialmultiplexinginDL
Category1
10296
10296
250368
1
Category2
51024
51024
1237248
2
Category3
102048
75376
1237248
2
Category4
150752
75376
1827072
2
Category5
302752
151376
3667200
4
ACsGAO,同时开始上
(4)编码速率限制:
传输块的编码速率不能超过0.93,这一点实际上限制了在某些场景下能够调度的最高MCS阶数,具体参考TS36.213;
(5)信道条件
信道条件主要包含RSRP,AVGSINR,信道相关性等参数,这些都会对实际的信号解调性能造成影响。
如果RSRP过低,则可使用的有用信号的越低;如果AVGSINR过低,则干扰信号强度较有用信号越大;而信道相关性会对RANK值计算造成影响:
一般MIMO模式要求信道相关性低,而BF模式则要求信道相关性高,这些都将对解调性能造成较大影响。
2.3.3上行吞吐率基本影响因素
3.2.3.1上行调度基本过程
在初始接入时,UE在PUCCH发送SR(调度请求),用来请求少量数据的上行资源调度。
eNB侧根据实际资源情况和调度算法,给UE分配相应的上行资源,在PDCCH上下发ULGrant通知UE;
在已有上行资源的情况下,UE在PUSCH发送BSR(缓冲区状态报告)进行上行资源调度请求;eNB侧在PDCCH上下发ULGrant通知UE。
3.2.3.2影响上行吞吐率的基本因素
(1)系统带宽:
系统的不同带宽决定了系统的总RB数,TS36.104;
ChannelbandwidthBWChannel[MHz]
1.4
3
5
10
15
20
TransmissionbandwidthconfigurationNRB
6
15
25
50
75
100
(2)数据信道可用带宽:
公共信道的开销进一步决定了用户可以实际使用的资源,其中下行主要包括PDCCH和系统消息,上行主要包括PUCCH、SRS、PRACH;
(3)UE能力限制:
在计算单用户峰值时,在考虑用户可用带宽时,还需要考虑UE能力的限制,不同类型UE具备不同的上下行峰值速率,且只有Cat5终端才支持上行64QAM,具体参考TS36.306;
UECategory
MaximumnumberofbitsofanUL-SCHtransportblocktransmittedwithinaTTI
Supportfor64QAMinUL
Category1
5160
No
Category2
25456
No
Category3
51024
No
Category4
51024
No
Category5
75376
Yes
(4)上行单用户RB数分配限制:
在计算单用户的上行吞吐率时,还需要考虑单用户的分配的RB个数必须可以分解为1、2、3、5相乘,参考TS36.211;
representsthebandwidthofthePUSCHintermsofresourceblocks,andshallfulfil
,where
isasetofnon-negativeintegers.
(5)信道条件
信道条件主要包含RSRP,AVGSINR,信道相关性等参数,这些都会对实际的信号解调性能造成影响。
如果RSRP过低,则可使用的有用信号的越低;如果AVGSINR过低,则干扰信号强度较有用信号越大;而信道相关性会对RANK值计算造成影响:
一般MIMO模式要求信道相关性低,而
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