系统性能优化的关键指标

在许多方面，TDD模式与FDD模式相似。从性能的角度来看，当我们分析系统性能时，这也是正确的。通常情况下，当我们对时间复用和频率复用进行对比时，存在着一些与频谱使用方式有关的区别，它为我们对频谱效率进行100%的公平比较带来了诸多困难。虽然在TDD模式下，在UL和DL之间系统需要一个保护周期，但是FDD系统在频域需要一个大的间隔。其次，如果TDD系统对UL和DL资源采用了相同的分配方法，则它们可以工作在邻近频段；否则它们需要采用与FDD系统中UL和DL资源分配类似的方法。

另一个与频谱相关的问题是，对于能够提供与FDD系统类似容量的TDD系统来说，DL和UL系统带宽需要设置为FDD系统的两倍。这会影响到RRM性能，且用户需要采用更大的传输带宽进行工作。对于UL数据传输来说，这是非常困难的，因为UE的传输功率非常有限。

TDD RRM解决方案的一大优势是可能会使用信道互易。在当前的RRM框架中（参见第8章），可以采用两种并行机制来获取信道状态信息。对于DL来说，可以将UE设置为能够根据DL参考信号测量值来对CQI、PMI和RI报告进行反馈。在UL中，UE可以传送SRS，这样NodeB能够对无线信道进行测量。在TDD模式中，当信道互易可用时，在理想情况下，我们仅需要一种机制，因为DL信道状态可以从UL信道状态中导出，或者UL信道状态可以从DL信道状态中导出。如前所述，当实际RRM解决方案中的各种问题解决之前，还存在着诸多挑战因素，如UL/DL干扰电平差、不同UL/DL天线配置、UL/DL无线链校准缺乏，但另一方面，增益是非常重要的。例如，UL探测过程会占用UL系统容量的10%以上。关于信道互易的详细信息，参见12.2.4节。

12.6.3.1 TDD系统的往返时间

在LTE系统中，反馈控制环路有多种用途。由于TDD系统不具备连续传输和接收功能，我们预计TDD中这些控制环路的往返时间会增加，从而可能会降低系统性能。但是，由于需要处理时间，即UE或Node B对控制信道进行解码和编码操作所需的时间，TDD和FDD之间的往返时间典型取值是类似的。由于形成的时延通常是10ms左右（FDD RTT为8ms左右），因而TDD帧结构的影响相当小，无论它是运行在LTETDD模式下，还是运行在FDD模式下，都不可能对TCP/IP性能产生影响。

12.6.3.2 调度

LTE RRM的一个关键特征是信道感知调度，它既可用在UL中，也可用在DL中。在适当条件下，该特征可为频谱效率带来高达50%的增益，以及对覆盖范围的重大改进。为了最大限度地提高调度增益，获取频率选择性信道信息，并拥有为UE分配最优频率资源的控制信令灵活性是非常重要的。在控制信令方面，要获取详细的频率选择性信道状态信息，并支持灵活的频域资源分配，代价是非常高的。

标准中规定了许多不同的DL频率资源分配方案。对于信道感知调度来说，标准中规定的最有效分配方案给出了1bit的屏蔽位，每个比特与子频段相对应，而子频段是由多个连续PRB构成的。为了得到不同子频段的信道状态，CQI报告包含了一个类似的屏蔽位和一个指示位。屏蔽位用来表示最好的M个子频段，指示位表示这些子频段上支持的MCS方案。在规范中，每个子频段中的PRB数和M值是固定的。当屏蔽位长度随着系统带宽增加时，当系统带宽增加时，子频段长度也增加。如果我们对10MHz FDD DL和20MHz TDD DL进行比较的话，在20MHz TDD DL中，调度增益可能存在一些损耗，尤其是对于那些使用窄带频率相关带宽的信道来说。另一方面，增加系统带宽会导致频率分集的增加，这会为TDD系统带来一定的好处。

在UL中，由于受到单载波限制条件的影响，频率资源必须进行连续分配，这样低系统带宽和高系统带宽之间的资源分配信令没有什么区别。为了获取信道状态信息，我们支持来自于UE的SRS传输。探测会占用系统资源，与DL中的情形相比，探测需要系统带宽越大，所需的资源越多。另一方面，要获取信道感知调度增益，没有必要知道整个带宽上的信道状态信息。

资源分配信令消耗了大量DL控制信道资源，且由于控制信道资源是有限的，因而一个TTI内可以调度的典型用户数为10～20个（UL用户数5～10个，DL用户数5～10个）。我们假定TDD的系统带宽是FDD的2倍，TDD UE需要工作在双倍带宽中，以充分利用系统的带宽（见图12-19）。UE带宽的增加尤其会对UL信道感知调度增益产生影响。当频率资源进行连续分配时，要根据频域中的信道质量来分配资源是非常困难的。

图12-19 LTE中的TDD和FDD资源分配。由于受到每个TTI中调度用户数的限制，TDD模式下的UE必须使用高带宽来传输信号

DL控制信道资源总量随着UL/DL数量比的变化而变化，它为每个DL子帧预留3个符号（为每个DwPTS预留2个符号）。TDD 2DL/3UL TDD配置方案拥有的控制信道资源比FDD少，而在其他配置方案中，TDD模式拥有的控制信道资源比FDD多。通常情况下，TDD 3DL/2UL配置方案拥有的DL控制信道资源比FDD（在带宽为20MHz的TDD系统中为8个符号，而在带宽为10MHz的FDD系统中为15个符号，）略多一些，因而FDD和TDD之间没有太大区别。需要注意的是，TDD分配消息（DCI）具有较高的有效负荷，这是由高系统带宽和诸如多TTI和ACK/NACK集束等特殊特征造成的。

12.6.3.3 上行链路功率控制

上行链路功率控制是另一个非常重要的RR功能，因为它对扇区中的比特率分布具有较大影响。同时，功率控制参数的微调能够提高蜂窝频谱效率和覆盖范围。正如前面我们所讨论的，与FDD UE相比，典型的TDD UE需要使用高带宽进行传输。这对上行链路发射功率资源（该资源是有限的）提出了较高要求，可能会导致TDD系统覆盖范围缩小。但是，在干扰限制系统性能的位置，TDD系统和FDD系统的性能差别比较小。图12-20对20MHz TDD系统和2×10MHz FDD系统中的上行链路频谱效率进行了比较，其中TDDUE使用12个PRB的带宽来传输信号，而FDDUE使用6个PRB的带宽来传输信号。由12-20图可知，TDD系统和FDD系统的蜂窝和覆盖范围性能非常相似，但FDD系统的性能略好一些。这种区别主要是由于信道感知调度增益降低引起的，而信道感知调度增益降低是由高带宽造成的。需要注意的是，系统中的最佳上行链路干扰电平取决于带宽：12个PRB UE带宽的最佳上行链路干扰电平比6个PRB UE带宽的最佳上行链路干扰电平低3dB，它是独立于α值的。当站点密度降低时，TDD系统的覆盖范围性能下降速度比FDD系统快，我们最终会在链路预算区别中看到该结果。

图12-20 采用不同功率控制设置的TDD和FDD系统上行链路频谱效率。假设条件见参考文献[6]

12.6.3.4 下行链路HARQACK/NACK集束

最后我们将讨论下行链路HARQ ACK/NACK集束特征对性能的影响，我们曾在12.3.5节中介绍了下行链路HARQ ACK/NACK集束特征。对于多个子帧来说，只有一个ACK/NACK是可用的，且这些子帧来自于不同的HARQ过程，要求的重选数目也不同，这样存在着过度重传的风险。如果我们考虑采用积极MCS方案的下行链路TDD配置，则由此造成的高重传概率将会降低下行链路系统性能。

对于初次传输，通过采用具有相对较低BLER的HARQ方案，可以抵消这种影响。但是，这意味着下行链路HARQ将工作在次优工作点上。另一种降低由ACK/NACK集束造成的过度传输的方法是降低调度用户的频度，且使用较高带宽。另一方面，这样会降低信道感知调度增益。在最常用的TDD3DL/2UL配置方案中，来自于ACK/NACK集束的影响非常小，因为对最多2个ACK/NACK进行了集束处理。

仿真结果表明，当采用TDD4DL/1UL配置方案时，损耗低于10%。但是，对于那些依靠HARQ来计算链路预算和覆盖范围问题中的用户来说，过度传输会带来诸多性能问题，因为一个NACK将会触发多个TTI的重传。

12.6.3.5 VoIP性能(www.xing528.com)

在LTETDD模式中，应当尽可能高效地支持IP语音（VoIP）流。但是，与FDD模式一样，在LTETDD模式中支持VoIP面临着诸多挑战：

1）时延要求严格，HARQ RTT较长；

2）不同上行链路/下行链路配置方案中的各种控制信道限制条件；

3）由不连续传输导致的严重上行链路覆盖范围问题，由于存在多个可能的上行链路/下行链路配置方案，它可用于实现高的VoIP总容量。

下面，我们将给出当系统带宽为5MHz时，LTE TDD模式中的VoIP系统级性能。容量估计标准与FDD相同：定义为当中断概率不超过5%时，每个扇区VoIP支持的用户最大数。VoIP容量数可以从宏蜂窝场景1和宏蜂窝场景3中级的系统级仿真结果中得到^[2]，参考文献[7]给出了系统仿真使用的主要参数。

与第10章中的FDD系统类似，表12-5和表12-6给出了采用两种不同的AMR编解码方案（AMR 7.95和AMR 12.2）、使用动态调度器和半静态调度器时，宏蜂窝场景1和宏蜂窝场景3下的VoIP容量仿真结果。

表12-5 在宏蜂窝场景1中，当系统带宽为5MHz时，LTE TDD的VoIP容量

表12-6 在宏蜂窝场景3中，当系统带宽为5MHz时，LTETDD的VoIP容量

在UL和DL仿真中，特殊子帧中使用的控制符号数设置为2，它包含6个控制信道单元（CCCE）。在标准的DL子帧中，存在3个可用的控制符号，它可为UL和DL控制提供10个控制信道单元（CCCE）。

至于LTE TDD中的DL VoIP容量，如果两种仿真场景都不支持分组集束，则全动态PS的性能会受到控制信道的影响。但是，使用分组集束技术，具有较好CQI的用户被调度的频度比较低，因而系统容量可提高70%～90%，因为可以释放更多的控制信道资源，并供其他用户使用。FDD系统和TDD系统在分组集束概念方面没有区别。关于分组集束的更多详细信息，读者可参阅第10章。半静态PS在控制信道有限的情况下，能够充分发挥其功能，且如果系统不支持分组集束，则半静态PS的功能发挥要比动态PS更胜一筹。只有当系统支持分组集束，且VoIP分组有效载荷足够高时（如AMR12.2或更高），这样才能避免控制信道限制条件发挥作用，此时全动态PS的功能发挥要比半静态PS更胜一筹。应用场景1和应用场景3之间的性能差别达15%～20%，区别不大的原因在于，即使在应用场景3中，DL传输功率也不小。

至于LTE TDD中的UL VoIP容量，可以将配置方案0看作是受控制信道限制的，由于可用的控制信道数量有限，因而动态调度的性能非常差。与半静态调度相比，采用不同的AMR编解码方案时，动态调度的性能损耗可以达到40%～80%。相比之下，配置方案1是一种宽松控制信道情形，由于灵活重传机制和频域分组调度（Frequency Domain Packet Scheduling，FDPS）增益的存在，动态调度性能要比半静态调度性能略好一些。宏蜂窝应用场景1和宏蜂窝应用场景3之间的性能差别达50%，这是一个较大损耗。损耗非常严重的原因在于，宏蜂窝应用场景3是一种覆盖范围非常有限的应用场景。UE发射功率不够大，无法提供准确的链路预算。在宏蜂窝应用场景3中，TTI集束和长延迟上界可以为系统性能提供较大增益。例如，通过在TDD配置0方案的70ms延迟预算中使用TTI集束，可以实现3dB的功率累积增益。但是，如果不采用TTI集束，由于缺乏功率累积，因而很难实现较好的VoIP容量（即＜40用户/扇区）。

为了实现FDD和TDD之间的公平对比，FDD容量结果应当可以针对不同TDD配置方案和调度方案进行换算。在DL中，动态调度器的换算因子取决于控制符号假设条件，因为动态调度的控制开销性能非常有限。使用两个控制符号，特殊子帧只有6个可用的CCE。因此，在下行链路中，对于配置方案1来说，动态调度器的FDD结果应当使用换算因子26/50=0.52进行换算，而对于配置方案0来说，动态调度器的FDD结果应当使用换算因子16/50=0.32进行换算。但是，在下行链路中，针对SPS的换算因子取决于数据符号假设条件数，因为SPS的数据性能非常有限。使用这两种控制符号，特殊子帧只包含7个可用的数据符号。因此，对于配置方案1来说，SPS的FDD结果应当使用换算因子27/50=0.54进行换算，而对于配置方案0来说，SPS的FDD结果应当使用换算因子17/50=0.34进行换算。

在下行链路中，特殊子帧中不存在可用的数据符号，只有UL控制信号可用，因而对于配置方案0和配置方案1，UL数据符号比分别使用换算因子0.6和0.4进行换算。

与第10章中换算后的FDD结果相比，我们可以得出如下结论。在下行链路宏蜂窝应用场景1中，两种配置方案的TDD结果最多比换算后的FDD结果低5%。对于覆盖范围有限的宏蜂窝应用场景3中的动态调度来说，每个分组的平均传输数增加。当TDD中时域的调度灵活性降低，且HARQRTT增加时，换算后的TDD性能要比换算后的FDD性能低10%左右——配置方案0中的损耗通常比较高，由于L子帧的数目较小。

在宏蜂窝应用场景1的ULTDD配置方案中，对于半静态调度来说，由于FDD中分集增益更大一些，因而FDD增益要比TDD增益高7%～10%。同时，由于TDD中控制信道资源有限，因而FDD增益要比动态调度增益高40%。对于宏蜂窝应用场景1中的TDD上行链路配置方案1来说，由于控制信道限制条件比较宽松，因而采用AMR 12.2和AMR 7.95方案后，TDD的动态调度增益要比FDD高5%～20%。由于存在较大的分集，因而采用AMR 12.2和AMR 7.95方案后，FDD的半静态调度增益要比FDD高10%左右。

对于采用TTI集束、且分组延迟预算略长（即70ms）的宏蜂窝应用场景3来说，由于TDD模式中存在较少的功率累积，因而在不同TDD配置方案中，FDD和TDD之间的差值可以达到15%～25%。但是，使用较短的延迟预算（即50ms），虽然与不使用集束的情况相比，功率累积达到了2dB，但TTI集束无法提供明显的容量改善。表12-7给出了当分组延迟预算为50ms时的功率累积。与TDD中的值相比，使用TTI集束，FDD可以实现1.76dB的功率累积增益。因此，对VoIP容量的改善是明显的。

表12-7 使用TTI集束时的功率累积影响