TD-LTE與LTEFDD混合組網(wǎng)策略探討(上)

TD-LTE與LTEFDD混合組網(wǎng)策略探討(上)

摘要：著重對(duì)比分析了TD-LTE和LTEFDD技術(shù)的不同之處和特點(diǎn)?；趯?duì)技術(shù)原理的討論分析和實(shí)際組網(wǎng)的特性，對(duì)TD-LTE和LTEFDD混合組網(wǎng)的頻率、天線(xiàn)、時(shí)隙、覆蓋、容量、干擾等方面問(wèn)題進(jìn)行分析，給出混合組網(wǎng)相關(guān)策略。關(guān)鍵詞：TD-LTE，LTEFDD，組網(wǎng)策略目前，LTE已逐步在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)和商用。LTE基于正交頻分復(fù)用(OFDM)和多入多出(MIMO)技術(shù)的高速率傳輸，可承載更豐富的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。LTE的發(fā)展引起電信行業(yè)的廣泛關(guān)注。LTE基于不同的雙工方式演進(jìn)出兩種版本系統(tǒng)，即TD-LTE與LTEFDD。TD-LTE基于不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)上下行通信；LTEFDD分別在兩個(gè)不同的頻帶實(shí)現(xiàn)上行和下行通信。由于在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中，存在TD-LTE和LTEFDD雙網(wǎng)共存的場(chǎng)景，這兩種LTE系統(tǒng)的頻率、天線(xiàn)、時(shí)隙、覆蓋、容量、干擾等方面存在著技術(shù)共性和個(gè)性。本文從TD-LTE和LTEFDD兩種技術(shù)的原理出發(fā)，對(duì)其共性和個(gè)性進(jìn)行對(duì)比分析，給出兩種系統(tǒng)混合組網(wǎng)在各個(gè)技術(shù)點(diǎn)的相應(yīng)策略，給TD-LTE和LTEFDD混合組網(wǎng)提供了有效的建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)。1LTE技術(shù)原理及對(duì)比分析1.1LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)LTE對(duì)傳統(tǒng)3G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，區(qū)別于以往3G，其采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，接入網(wǎng)僅包含NodeB，不再有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)。LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，由核心網(wǎng)、基站和用戶(hù)設(shè)備3部分組成。其中，EPC(EvolvedPacketCore)為演進(jìn)分組核心網(wǎng)，EPC信令處理部分稱(chēng)為移動(dòng)新管理設(shè)備(MME)，數(shù)據(jù)處理部分稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)(Gateway，這里是S-GW)；eNodeB負(fù)責(zé)接入網(wǎng)部分，也稱(chēng)E-UTRAN；UE指用戶(hù)終端設(shè)備。

圖1LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，TD-LTE與FDDLTE沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，兩種制式共用相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。表1TD-LTE/LTEFDD傳輸參數(shù)系統(tǒng)帶寬MHz1.435101520時(shí)隙長(zhǎng)度0.5ms子載波間隔15kHz采樣頻率(MHz)1.923.847.6815.323.0430.7FFT點(diǎn)數(shù)128256512102415362048子載波數(shù)721803006009001200PRB個(gè)數(shù)615255075100每時(shí)隙OFDM符號(hào)數(shù)7/6CP長(zhǎng)度μs常規(guī)(4.69)×6，(5.21)×1擴(kuò)展(16.67)×61.2無(wú)線(xiàn)側(cè)基本原理對(duì)比1.2.1基本傳輸方式LTE采用了與3G不同的空中接口技術(shù)，采用基于OFDM技術(shù)的空中接口設(shè)計(jì)。TDLTE和LTEFDD均選擇了基于正交頻分的多址接入方式(OFDMA)作為其上下行多址技術(shù)。TD-LTE與FDDLTE規(guī)定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶(hù)間的正交性。表1給出了基于LTE傳輸?shù)牟煌瑤挼幕緟?shù)。1.2.2雙工方式FDD雙工方式在相異的頻帶上分別傳輸上行和下行信號(hào)?；赥DD雙工方式的技術(shù)不同于FDD，其利用時(shí)隙作為正交資源，在相同頻帶的不同時(shí)隙上分別傳輸上行和下行信號(hào)，上下行時(shí)隙具有可配置的切換點(diǎn)，其主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：頻譜配置靈活，利用率高；靈活地上下行資源比例配置，更有效地支持非對(duì)稱(chēng)的IP分組業(yè)務(wù)；利用信道對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，提升系統(tǒng)性能；TDD雙工方式要求全網(wǎng)同步，在小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、多點(diǎn)協(xié)作等技術(shù)應(yīng)用上更為容易。然而TDD雙工方式現(xiàn)階段也存在一些應(yīng)用問(wèn)題，主要表現(xiàn)如下。(1)相對(duì)于FDD系統(tǒng)，TDD的系統(tǒng)內(nèi)干擾更為復(fù)雜。除了與FDD系統(tǒng)中相同的下行干擾下行、上行干擾上行的干擾類(lèi)型外，由于各小區(qū)可能存在的不同的上下行時(shí)隙配置，還可能存在上行干擾下行、下行干擾上行的復(fù)雜干擾場(chǎng)景。為此，TDD系統(tǒng)需通過(guò)全網(wǎng)同步，在相鄰小區(qū)間盡可能規(guī)劃采用相同上下行時(shí)隙比例配置，加大上下行時(shí)隙保護(hù)間隔，及采用一些工程手段等方式來(lái)解決。(2)TDD雙工系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)同步要求更為嚴(yán)格。TDD系統(tǒng)設(shè)備需滿(mǎn)足嚴(yán)格的時(shí)間同步，上下行時(shí)隙對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)TDD的雙工方式。(3)TDD系統(tǒng)由于上下行信號(hào)發(fā)送通過(guò)時(shí)分方式進(jìn)行區(qū)分，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，存在著一定的傳輸時(shí)延。1.2.3幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)是指無(wú)線(xiàn)幀的結(jié)構(gòu)，通過(guò)幀結(jié)構(gòu)的定義，約束了數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間參數(shù)以保證收發(fā)的正確執(zhí)行。LTEFDD使用圖2所示幀結(jié)構(gòu)，一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀為10ms，包含10個(gè)子幀，每個(gè)子幀由兩個(gè)時(shí)隙組成，每一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度為0.5ms。上行和下行在一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀分別有20個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。圖2LTEFDD幀結(jié)構(gòu)TD-LTE為了與TD-SCDMA保持良好的演進(jìn)性，其主要幀結(jié)構(gòu)參考了TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個(gè)TD-LTE無(wú)線(xiàn)幀由兩個(gè)半幀構(gòu)成，每一個(gè)半幀長(zhǎng)度為5ms。每一個(gè)半幀又由8個(gè)常規(guī)時(shí)隙和DwPTS、GP和UpPTS三個(gè)特殊時(shí)隙構(gòu)成。DwPTS和UpPTS長(zhǎng)度可配。對(duì)應(yīng)5ms切換點(diǎn)的上下行配置D︰U＝2︰2和配置D︰U＝3︰1兩種情況。為保持較好的兼容性，特殊時(shí)隙配置選擇配置7(DwPTS︰GP︰Up-PTS＝10︰2︰2)和配置5(DwPTS︰GP︰UpPTS＝3︰9︰2)來(lái)對(duì)應(yīng)。圖3TD-LTE幀結(jié)構(gòu)FDD系統(tǒng)在成對(duì)的兩個(gè)頻帶進(jìn)行上下行的傳輸，上行頻段全部配置為上行時(shí)隙，下行頻段全部配置為下行時(shí)隙，上下行之間具有一定的隔離帶寬避免系統(tǒng)內(nèi)的上下行干擾。TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)相比，優(yōu)點(diǎn)是可以更靈活地配置具體的上下行資源比例，以更好地支持不同業(yè)務(wù)類(lèi)型。例如，隨著互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的開(kāi)展，下行數(shù)據(jù)傳輸量將遠(yuǎn)大于上行的情況，如果上下行配置同樣多的資源，則很容易導(dǎo)致下行資源受限而上行資源利用率較低的情況。對(duì)于TDD系統(tǒng)可以將支持該業(yè)務(wù)的場(chǎng)景配成下行子幀多于上行子幀的時(shí)隙配比關(guān)系，提高資源的利用率。其主要問(wèn)題是不完美的系統(tǒng)同步易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的上下行互相干擾，將嚴(yán)重影響TD-LTE的系統(tǒng)性能。1.2.4多天線(xiàn)技術(shù)多天線(xiàn)技術(shù)在LTE系統(tǒng)有充分應(yīng)用。在下行鏈路，多天線(xiàn)發(fā)送方式包括發(fā)送分集、空間復(fù)用、多用戶(hù)MIMO和波束賦形等傳輸模式；在上行鏈路，多個(gè)用戶(hù)組成的虛擬MIMO也進(jìn)一步提高了上行的系統(tǒng)容量。MIMO技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是將用戶(hù)數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內(nèi)由多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)刻發(fā)射，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道后，由多個(gè)接收天線(xiàn)接收，并根據(jù)各個(gè)并行數(shù)據(jù)流的空間特性，利用解調(diào)技術(shù)，最終恢復(fù)出原數(shù)據(jù)流。3GPP定義了LTE的九種傳輸模式(表2)。表2LTE的MIMO傳輸模式MIMO傳輸模式MIMO方式傳輸模式1單天線(xiàn)端口，端口0傳輸模式2發(fā)射分集傳輸模式3開(kāi)環(huán)空間復(fù)用傳輸模式4閉環(huán)空間復(fù)用傳輸模式5多用戶(hù)MIMO傳輸模式6閉環(huán)rank為1預(yù)編碼傳輸模式7單天線(xiàn)端口端口5(波束賦形)傳輸模式8雙流傳輸，端口7、8傳輸模式98流傳輸，端口7-14對(duì)于LTEFDD來(lái)說(shuō)，目前主要使用模式2、模式3，也可以考慮使用模式4、模式5。對(duì)于TD-LTE來(lái)說(shuō)，除了模式2、模式3、模式4和模式5外，因?yàn)椴捎昧酥悄芏嗵炀€(xiàn)系統(tǒng)，還可以應(yīng)用波束賦形技術(shù)。TD-LTE的R8定義了傳輸模式7用以支持基于專(zhuān)用導(dǎo)頻的波束賦形技術(shù)。傳輸過(guò)程中，UE需要通過(guò)對(duì)專(zhuān)用導(dǎo)頻的測(cè)量來(lái)估計(jì)波束賦形后的等效信道，并進(jìn)行相干檢測(cè)。對(duì)于TDD系統(tǒng)，可以利用上下行信道的互易性，采用EBB或其他波束賦形算法。當(dāng)瞬時(shí)信道特性的互易性難以得到保障時(shí)，可以利用DoA等長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)信息實(shí)現(xiàn)波束賦形傳輸。TD-LTER9系統(tǒng)將波束賦形擴(kuò)展到了雙流傳輸，實(shí)現(xiàn)了波束賦形與空間復(fù)用技術(shù)的結(jié)合。為了支持雙流波束賦形，LTER9中定義了新的雙端口專(zhuān)用導(dǎo)頻(端口7與端口8)，并引入了新的控制信令。傳輸模式8可以采用非預(yù)編碼矩陣指示(PMI)或PMI兩種反饋方式。表3LTE系統(tǒng)同步時(shí)間要求小區(qū)類(lèi)型小區(qū)半徑同步要求小小區(qū)≤3km≤3μs大小區(qū)＞3km≤10μs1.2.5同步LTEFDD系統(tǒng)因?yàn)樯?、下行使用不同頻段，所以小區(qū)間信號(hào)不需要嚴(yán)格同步也不會(huì)造成上下行互干擾問(wèn)題。但TDLTE和LTEFDD不同，需要系統(tǒng)在同一頻段進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，如果小區(qū)間未保持同步，會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的收發(fā)互相干擾的問(wèn)題。因此，TDD網(wǎng)絡(luò)部署需要小區(qū)之間保持子幀邊界的精確同步并在同一TDD同步區(qū)內(nèi)配置成相同的上下行配比。目前主要的同步方法包括絕對(duì)時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)同步、終端測(cè)量輔助同步、基站間空中接口自同步(表3)。(1)絕對(duì)時(shí)間同步方法主要是基于衛(wèi)星同步的方法，典型的如GPS。GPS可以提供一個(gè)高精度的同步時(shí)鐘參考。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，但GPS信號(hào)不能有效的穿透到室內(nèi)，必須使用室外天線(xiàn)。(2)網(wǎng)絡(luò)同步的方法主要是指利用IEEE1588協(xié)議進(jìn)行同步的方法，IEEE1588是一種精確時(shí)間同步協(xié)議，IEEE1588v2是在IEEE1588基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化，正逐步應(yīng)用于3G/LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)中。采用時(shí)間分布機(jī)制和時(shí)間調(diào)度概念，客戶(hù)端或從屬設(shè)備可以使用普通振蕩器，通過(guò)軟件調(diào)度或主機(jī)的時(shí)鐘保持同步，過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，占用帶寬少，相比GPS成本低，便于維護(hù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中各通信節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不重和數(shù)據(jù)包處理時(shí)延不是很大時(shí)，IEEE1588v2協(xié)議能夠滿(mǎn)足μs級(jí)的小區(qū)間同步精度，前提是通信路徑上所有的中間節(jié)點(diǎn)都需要支持加硬件時(shí)間戳，具備對(duì)路徑和時(shí)延的測(cè)量與校準(zhǔn)功能。(3)終端測(cè)量輔助的同步方法主要是通過(guò)終端測(cè)量?jī)蓚€(gè)鄰小區(qū)的時(shí)間差來(lái)獲得定時(shí)關(guān)系，該方法需要進(jìn)一步評(píng)估終端的影響。(4)基站間空中接口自同步方法的主要思想是基站可以與網(wǎng)絡(luò)中其他已經(jīng)同步的基站獲得同步，包括兩個(gè)方面：初始的同步建立以及周期性的同步保持機(jī)制。為防止時(shí)鐘漂移，還需要周期性地進(jìn)行同步信號(hào)的跟蹤，執(zhí)行與初始建立同步類(lèi)似的過(guò)程。以上四種同步方法各有優(yōu)