TD-LTE系統(tǒng)為何需要時間同步的整理20140804

1、TD-LTE系統(tǒng)為何需要時間同步的整理一、LTE系統(tǒng)模式及幀結(jié)構(gòu)LTE系統(tǒng)有兩種模式，即FDD（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）和TDD（Time Division Duplexing，時分雙工），一般用LTE FDD（寫法不一，F(xiàn)DD LTE，F(xiàn)DD-LTE都代表頻分模式）和TD-LTE來區(qū)別兩種不同的系統(tǒng)模式。1、TDD和FDD的工作原理頻分雙工（FDD） 和時分雙工（TDD）是兩種不同的雙工方式。如下圖1所示，F(xiàn)DD是在分離的兩個對稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源

2、在時間上是連續(xù)的。FDD在支持對稱業(yè)務(wù)時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業(yè)務(wù)時，頻譜利用率將大大降低。TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD 方式的移動通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進(jìn)行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。圖12、LTE FDD和TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)（1）幀結(jié)構(gòu)Type1：FDD（全雙工和半雙工）每一個無線幀長度為10ms，由20個時隙構(gòu)成，每一個時隙長度為Tslot = 15360 x Ts =

3、0.5ms。FDD其特點為：上下行數(shù)據(jù)在不同的頻帶里傳輸，使用成對頻譜；對于FDD，在每一個10ms中，有10個子幀可以用于下行傳輸，并且有10個子幀可以用于上行傳輸，上下行傳輸在頻域上進(jìn)行分開。（2）幀結(jié)構(gòu)Type2：TDD一個無線幀10ms，每個無線幀由兩個半幀構(gòu)成，每個半幀長度為5ms。每一個半幀由5個子幀構(gòu)成，可劃分為8個常規(guī)時隙(每一個時隙長度為Tslot = 15630 x Ts = 0.5ms)和DwPTS、GP和UpPTS三個特殊時隙構(gòu)成，DwPTS和UpPTS的長度可配置，要求DwPTS、GP以及UpPTS的總長度為1ms。TDD其特點為：上下行數(shù)據(jù)可以在同一頻帶內(nèi)傳輸，可使

4、用非成對頻譜；對于TDD，在每一個10ms中，除2個特殊子幀外的8個子幀可以按規(guī)則進(jìn)行上下行的靈活配置，上下行傳輸在同一頻域上進(jìn)行。由于TDD與FDD技術(shù)的不同，導(dǎo)致LTE FDD系統(tǒng)和TD-LTE系統(tǒng)在同步的需求和實現(xiàn)上也存在差異，LTE FDD只需要載波同步，TD-LTE需要載波同步時間同步，時間同步對于TDD系統(tǒng)來說是必須的。二、TDD系統(tǒng)同步方式由于TD-LTE與TD-SCDMA均為TDD系統(tǒng)，幀結(jié)構(gòu)相近（以下討論均以同頻組網(wǎng)為基礎(chǔ)進(jìn)行論述），對同步的需求是一致的，且TD-SCDMA資料較為詳細(xì)，以下為使描述更簡單，就選用了TD-SCDMA系統(tǒng)作為模型進(jìn)行分析描述。1、TD基站之間為什

5、么必須時間同步？ TD作為一個時分系統(tǒng)，是非常講究時間同步的，它要求所有基站之間都必須同步，這是為什么呢？為什么同作為時分系統(tǒng)的GSM沒有這么苛刻的要求呢？我們不妨舉個例子來說明。  如下圖2所示，有2個相鄰的基站和1個手機(jī)，其中手機(jī)處于基站1的覆蓋范圍內(nèi)。由于TD-SCDMA系統(tǒng)是一個“時分雙工”的移動通信系統(tǒng)，所以基站1在某個時刻是在向手機(jī)發(fā)射信號，還是在接收信號完全是靠時隙來區(qū)分的，而且基站和手機(jī)之間的上下行信號都會使用相同的頻率來發(fā)射。如果相鄰基站沒有精確同步，那它們的收發(fā)時隙可能就會有錯位。那么假設(shè)基站1此時正在接收來自手機(jī)的上行信號，而此時與其相鄰的基

6、站2由于和基站1并不是同步的，時間不一樣，那么基站2此時可能正在發(fā)射下行信號。由于手機(jī)和基站2都是用相同的頻率發(fā)射的信號，那么基站1就分辨不清楚收到的信號到底是不是來自于手機(jī)，因為它很容易把來自基站2的同頻信號當(dāng)成是來自手機(jī)的信號。也就是說如果失步基站在下行信號的發(fā)射時隙如果剛好落在正?；镜慕邮諘r隙里，正?；揪蜔o法接收手機(jī)發(fā)出的上行信號，這樣就會造成強(qiáng)干擾。由此可見，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，失步基站很容易對附近所有基站造成很大的干擾。  為了避免相鄰基站的收發(fā)時隙交叉，減少干擾， TD-SCDMA系統(tǒng)要求所有網(wǎng)內(nèi)基站之間必須同步。圖2   

7、;TD系統(tǒng)基站1和基站2不同步，出現(xiàn)干擾大家可以想想為什么GSM也是一個時分系統(tǒng)，也是通過時隙來工作，怎么就不會有這樣的情況？我們不妨先看看圖3圖3   GSM系統(tǒng)基站2的下行和基站1上行頻段不同，無法干擾在GSM里面，即使基站1和基站2時間不同步，出現(xiàn)了時隙交錯，基站2也無法對手機(jī)的上行進(jìn)行干擾，因為它們處于不同的頻段。上下行處于不同的頻段，通過頻段來對上下行信號進(jìn)行區(qū)隔叫做“頻分雙工”，比如GSM、WCDMA、CDMA2000；上下行處于同一個頻段，通過不同的時間來進(jìn)行區(qū)隔叫做“時分雙工”，比如TD-LTE、TD-SCDMA、PHS。GSM和TD雖然都采用時分

8、復(fù)用，但是其雙工方式不同，也就是說區(qū)隔上下行信號的方式不同，從而導(dǎo)致了對基站同步的要求的不同。我們看到，為了時分雙工TD是付出了一定代價的，那么時分雙工又有什么好處呢？  （1）頻譜的靈活性 采用頻分雙工的話，上下行需要成對的頻譜，在2GHZ以下，已經(jīng)是比較難了。而時分雙工不需要成對的頻譜，相對而言分配頻譜起來要簡單不少。（2）對不對稱業(yè)務(wù)的支持 對于時分雙工而言，上下行工作于同一個頻段，只是不同的時隙，這樣就可以通過調(diào)整上下行的時隙數(shù)目來適應(yīng)上下行的業(yè)務(wù)量。我們知道，對于上互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，上下行的流量一般而言是不對稱的，下行流量一般要遠(yuǎn)大于上行流量

9、。既然如此，那么上下行分配相等的帶寬是不是顯得有點浪費呢？  （3）上下行鏈路的相關(guān)性 由于時分雙工系統(tǒng)上下行工作于同一個頻率，所以上下行的傳播特性比較相近?；径说陌l(fā)射機(jī)就可以根據(jù)在上行鏈路上得到的接收信號來了解下行鏈路的多徑信道的特性，從而 可以非常方便使用我們后文將說到的智能天線。頻分雙工系統(tǒng)由于上下行工作于不同的頻段，而不同頻段的電磁波其傳播特性各不相同，因此很難根據(jù)上行的情況判斷下行的情況，用起智能天線來就沒那么方便了。  （4）設(shè)備成本較低 由于上下行工作于相同的頻段，其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)就比較簡單，從而可以使得設(shè)備

10、成本比頻分雙工的要低20%40%。2、 TD-SCDMA的同步需求移動通信技術(shù)的發(fā)展離不開同步技術(shù)的支持，載波頻率的穩(wěn)定、上下行時隙的對準(zhǔn)、可靠高質(zhì)量的傳送、基站之間的切換、漫游等都需要精確的同步控制。我國提出的TD-SCDMATime Division- Synchronous Code Division Multiple Access (時分同步的碼分多址技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)，由于采用了TDD模式對時鐘和時間同步提出了更高的要求。TD-SCDMA系統(tǒng)相鄰基站之間空口對時間同步的精度要求是3s。表1       各種無線通

11、信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求StandardFrequency AccuracyPhase AccuracyGSM50ppbNoneUMTS/WCDMA50ppbNoneCDMA200050ppb目標(biāo)小于3s必須小于10sTD-SCDMA50ppb相鄰基站間相差小于3sFemtocell (UMTS)100ppb, 200 (NSN), 250(Samsung)NoneFemtocell (TDD)50ppb相鄰基站間相差小于3sLTE（FDD）50ppbNoneLTE（TDD）50ppb相鄰基站間相差小于3sLTE MBMS50ppb相鄰cell間相差小于5sWiMax 802.16e (TDD

12、)絕對偏差2ppm；相鄰基站間 50ppb1.4s (SOFDMA, G = 1/8) (相鄰基站間)Backhaul N/W16ppbN/A 各種無線通信系統(tǒng)的同步性能指標(biāo)要求如表1所示。其中，TD-SCDMA的同步需求主要來源于無線系統(tǒng)同步、物理幀同步和載波頻率的同步需求。無線系統(tǒng)同步主要是要實現(xiàn)基站和終端的幀同步，以及接入網(wǎng)設(shè)備RNC和NodeB的節(jié)點同步，是通過各個網(wǎng)元通過PP2S或1PPS時刻獲取原子時，通過原子時計算SFN（系統(tǒng)幀號）來最終實現(xiàn)的。TD的物理層幀同步原理是NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS相位、通過本地高穩(wěn)晶振產(chǎn)生與1PPS無相差的5ms子幀時刻

13、（觀測點為天線口），實現(xiàn)空口同步（即相鄰基站間空口時刻或時間同步）。                                            &#

14、160;              圖4      TD-SCDMA系統(tǒng)的同步需求TD的載波頻率同步原理是各個網(wǎng)元的時頻單元在相同時頻產(chǎn)生算法通過授時系統(tǒng)得到1PPS長期穩(wěn)定度高于1×10-10；NodeB通過獲取授時系統(tǒng)1PPS長期穩(wěn)定度高，來調(diào)整本地高穩(wěn)晶振，使本地高穩(wěn)晶振滿足±0.05ppm，就可滿足終端250km/h的移動速度。如圖4所示，當(dāng)TD-SCDMA同頻組網(wǎng)時，如果相鄰N

15、ode B之間空口不同步，會產(chǎn)生時隙間干擾和上下行時隙干擾。時隙干擾是指前一個時隙的信號落在下一個時隙中，破壞了這兩個時隙內(nèi)的正交碼的正交性，使這兩個時隙內(nèi)的基站或手機(jī)都無法正常解調(diào)。上下行時隙干擾是指一個基站發(fā)射的信號直接對另一個基站的接收造成強(qiáng)大的干擾，嚴(yán)重影響第二個基站的正常接收。TD-SCDMA 基站的時間同步需求描述見技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層（碼、幀、時隙）同步，保證所有NodeB同時發(fā)送同時接收，相位精度為<1.5s；提供NodeB的SFN（系統(tǒng)幀號）同步，現(xiàn)在的TD系統(tǒng)要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN = ( ti

16、me * 100) mod 4096，其中time為從1980.1.6 00:00:00開始計數(shù)的秒時間，SFN號每隔1024秒循環(huán)一遍；提供TOD信息（年月日時分秒）；提供1pps，通過鎖相技術(shù)使NodeB保證輸出頻率穩(wěn)定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA 基站要求頻率準(zhǔn)確度滿足±50ppb，同時要求相鄰基站間時間誤差小于3s。【補(bǔ)充內(nèi)容】補(bǔ)充點1基站的同步是靠GPS/北斗/1588V2來實現(xiàn)的，GPS/北斗/1588V2的作用是實現(xiàn)基站的時間同步，時間同步的作用是在距離較近的周圍基站實現(xiàn)“大家一起發(fā)，大家一起收”這樣可以增加頻譜的利用率（不像G網(wǎng)那樣，一個頻段發(fā)，一個頻段收），這也就是TD典型的“同步技術(shù)”。TD在這種同