LTE終端等級能力v2.doc

LTE終端能力等級之“貓”系列大揭密還記得90年代56K撥號用的那只“貓”嗎？小時候不懂英語，被人誤導只有用那只“貓”才能上網(wǎng)是因為那個叫調(diào)整解調(diào)器的東西撥號上網(wǎng)時會有貓一樣的叫聲Orz非要把LTE終端和喵星人扯上些關系的話，那么華為榮耀手機滿大街PPT式的巨幅廣告當然是首當其沖的。筆者在機場、火車車、公交站等等各路廣告牌下每每看見華為榮耀手機廣告中顯眼的“cat6”標識，總隱隱感到華為難道是找自家工程師設計的廣告咩？總之，今天就帶大家剝開貓系列背后的故事，還原它背后省略表達的一萬字。一、 什么是“貓6”？LTE以快著稱，根據(jù)LTE終端無線傳輸性能，可將其分為多種能力等級，這就是LTE category，簡稱CAT。著名的移動通信標準組織3GPP目前將終端能力劃分為15個等級，能力等級越高對應著終端能夠具備的無線傳輸性能越強，直白說就是達到的峰值速率越高。我們常說的LTE下載峰值速率100Mbps，上傳峰值50Mbps對應為CAT3能力等級。而實際上，目前大部分終端均為CAT4能力等級，對應LTE下載峰值速率150Mbps，上傳峰值50Mbps。隨著LTE芯片處理能力的增強，眾多具備更高能力等級LTE終端紛紛面世，不斷刷新4G速率極限，華為榮耀6憑借全球首款支持CAT6的海思芯片，成為全球首款上市的Cat6手機。意味著它能夠支持下行峰值速率達到300Mbps。CAT6之所以能夠達到CAT4峰值速率的兩倍，只因CAT6在LTE界首次引入了載波聚合技術（Carrier Aggregation），該技術能夠將多個載波聚合成一個更寬的頻譜，說直白點就是CAT6能讓兩段20Mhz帶寬合并為一個終端所用，而CAT4終端沒這能力只能最大用一段20Mhz。二、 峰值速率誰說了算？（此段非可作為LTE圈內(nèi)人士判斷標準段）總的來說，LTE終端的峰值速率由以下因素決定：系統(tǒng)帶寬、子幀配比、特殊子幀配比、TM模式、控制信道開銷、終端能力等級等等。結合終端能力等級，筆者和大家一起計算一遍20M帶寬下，CAT6終端的下行理論峰值速率。請跟緊：1. 首先打開3GPP標準TS 36.213中表7.1.7.2.1-1，我們看到100RB，最高調(diào)制模式下對應TB size為75376bits，再看表7.1.7.2.4-1將其映射到二流時（下行2天線收），TB size為149776bits。這里作簡單說明：TB size表示一個子幀上一個碼流上的數(shù)據(jù)塊大小，它由RB數(shù)量和MCS以及碼率共同決定。2. 接著打開TS 36.306查到表4.1-1規(guī)定CAT6每TTI接收到的TB比特數(shù)為301504bits（每TTI 301504bits）。因此我們此時已經(jīng)得到，CAT6終端在雙流下CA的情況下每TTI（0.001s）可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，因此我們可以輕易計算下行的理論峰值速率：FDD雙工模式下，下行峰值速率=301504bits/0.001s=301.5Mbps。這就是我們常常在廣告中看到的宣傳語所映射出的信息，CAT6最高下行速率為300Mbps。事實上這個下行速率僅在FDD下能夠達到。3. 在TDD雙工模式下，TD-LTE下，如果選定幀格式為1:3，特殊子幀格式為10:2:2,則下行峰值速率為（10ms內(nèi)6個下行子幀，2個特殊子幀，其中特殊子幀DwPTS可用于傳輸下行數(shù)據(jù)）：下行峰值速率=301504bits*（6+1.5）*100=223.1Mbps。4. 這里說明一下，也就是說中國移動LTE手機在CAT6下是無法達到300Mbps的，根本原因是TDD下1個無線幀下是無法全部工作在下行的，還有一部分要分給上行。但是對于FDD而言，300Mbps的速率比起TDD付出了2倍的系統(tǒng)帶寬（上下行各40M，2個20M載波聚合），而TDD僅僅是40Mbps，也就是說TDD在頻譜利用率的確上呈現(xiàn)出超高的優(yōu)勢。以上計算流程一定會引發(fā)你的幾個問題，下面來一一解答：問題一、3GPP TS 36.213中單流TB size75376bits從何而來？答：這個數(shù)值可以計算得到。下面開始計算：1200子載波* 11個符號 (假設PDCCH占用3個符號)=13200個RE單流下，參考信號占用(時域是每時隙2個，頻域是6子載波1個，交叉看是每3載波1個 )，又因為前兩個RS落在PDCCH中，因此：(4RS - 2 RS) + 4RS = 6RS即每TTI數(shù)據(jù)部分傳輸6個RS信號，則100個RB需600個RE資源。因此剩下13200-600=12600個RE來傳輸數(shù)據(jù)采用64QAM調(diào)制方式，一個符號對應6個bit，得到：12600*6=75600這個結果和3GPP提供的75376相差224bit，主要用于PSS和SSS同步以及BCH的傳輸。需要說明的是實際上每個子幀的情況不同，不是每個子幀都能夠達到75376這個傳輸能力，例如TDD下的特殊子幀因為可攜帶的數(shù)據(jù)bit數(shù)有限再考慮碼率（CR）不能超過0.93，可能會選用更低TBS的能力。BCH每40ms 占用4符號*72個子載波=288RE 如果某一TTI落入BCH傳輸?shù)闹芷谥校瑒t需要減掉288*6=bit每10ms PSS SSS占用2個符號*72 =144個RE 共288個RE288*6=864bit 172bit問題二、單流75536、雙流149776、CAT6最大TB比特數(shù)301504的關系？首先我們看一下3GPP TS36.306表格4.1-1：UE CategoryMaximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI (Note 1)Maximum number of bits of a DL-SCH transport block received within a TTICategory 0 (Note 2)10001000Category 11029610296Category 25102451024Category 310204875376Category 415075275376Category 5299552149776Category 6301504149776 (4 layers)75376 (2 layers)Category 7301504149776 (4 layers)75376 (2 layers)Category 82998560299856Category 9452256149776 (4 layers)75376 (2 layers)Category 10452256149776 (4 layers)75376 (2 layers)首先表格第二列表示各種CAT等級下終端在每TTI下傳輸?shù)腡B塊的最大bit數(shù)，第三列是每TTI下傳輸?shù)淖畲蟮腡B size。此時關注CAT6在第三列有兩種選項，這兩種選項分別是75376(2 layers)和149776(4 layers)。分別對應著20M帶寬+4天線收、20M+20M CA+2天線收的情況。只有20M+20M CA+2天線收的情況對應著CAT6 第二列的301504bit。而在20M帶寬+4天線收的情況下每TTI傳輸?shù)淖畲骲it數(shù)其實和CAT5下是一樣的，為299552。細微差別來自于這兩種情況下參考信號所占資源不同。這樣就回答了這個問題。接著解釋一下3GPP TS 36.306 表4.1-1 中“Total number of soft channel bits”的含義：可翻譯為“接收端HARQ緩存大小”，但凡是采用了HARQ技術的終端，都有這個參數(shù)配置。他指的是基站側應該為該手機終端留出多大的buffer。主要原因是手機采用HARQ技術，但是不同手機接收緩存能力不同，所以基站需要確切知道手機的最大接收能力。這樣才能在基站側基帶芯片中合理預留。因為成本因素，系統(tǒng)側的基帶芯片里的ram是有空間限制的，不可能給每一個終端都開的很大，所以手機自己上報能力需求很必要。最后說一說終端的緩存能力。從TS 36.306 表4.1-1中我們看到CAT6終端的緩存能力是3654144bits，即446KB?？偟膩碚f緩存是一種高速存儲器，主要是為了協(xié)調(diào)速度相差較大的兩種硬件/軟件之間的速度差異的，也就是說終端接收的緩存大小主要是解決了譯碼模塊的速度和讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的速度差異，即緩存的大小決定著譯碼的速度，而CAT能力等級不同導致一定時間內(nèi)需要譯碼的數(shù)據(jù)量不同。既然緩存的作用這么重要，為什么終端的緩存大小一直做的比較小呢？（具體大小大家可以搜索手機處理器的緩存指標）這是由于高速緩存的工作頻率一般和處理器一致，這使得緩存基本上做在處理器的片內(nèi)（一般來說片外緩存的工作頻率都會有所降低），片內(nèi)緩存的大小會明顯影響到處理器芯片的散熱、面積，可以想象緩存如果做的巨大，芯片光是驅動這些緩存就需要消耗額外的驅動模塊，并消耗一定的電量，高功耗的芯片勢必影響芯片的散熱和高溫工作指標，這些都會切實的影響到芯片的整體性能，而更重要的是片內(nèi)緩存的大小影響到芯片的成本（芯片的流片成本非常高，高到一次失敗的大規(guī)模投片可能會使得一家規(guī)模一般的芯片公司徹底關張）。因此緩存一般不會做的太大。三、高CAT終端復雜度究竟體現(xiàn)在哪？ 以LTE終端的下行物理層處理為例說明該問題：由圖看到，LTE終端的下行物理層處理流程包括了同步、FFT、信道估計、MIMO算法、Demapper和解碼等運算過程，這些運算過程隨著數(shù)據(jù)量的增加都會增加運算規(guī)模和復雜度，而這僅僅是隨著CAT能力要求增強復雜度增加的一個方面，LTE協(xié)議棧的各個層次對于數(shù)據(jù)的處理都將增加復雜度。以下給出LTE下行處理運算量的一個分析結果：模塊CAT1CAT2CAT3CAT4CAT5同步12K復乘加12K復乘加12K個復乘加12K個復乘加12K個復乘加fft點數(shù)256512102420482048Fft運算量2RX TDD收15.36M復乘30.72M復加34.56M復乘69.12M復加76.8M復乘153.6M復加168.96M復乘338M復加168.96M復乘338M復加信道估計120K除法200K除法400K除法600K除法800K除法MIMO2.9M復乘1.5M復加15K求倒數(shù)4.85M復乘2.5M復加25k求倒數(shù)9.7M復乘5M復加50K求倒數(shù)14.55M復乘7.5M復加75K求倒數(shù)19.4M復乘10M復加100K的求倒數(shù)Demapper(QAM64)25.92M減法43.2M減法86.4M減法129.6M減法172.8M減法DecoderTurbo60運算/bit301M加減,比選1500M加減,比選3000M加減,比選4503M加減,比選9001M加減,比選接收鏈處理量估計390MO