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：著重對比分析了TD-LTE和LTEFDD技術的不同之處和特點?；趯夹g原理的討論分析和實際組網(wǎng)的特性，對TD-LTE和LTEFDD混合組網(wǎng)的頻率、天線、時隙、覆蓋、容量、干擾等方面問題進行分析，給出混合組網(wǎng)相關策略。關鍵詞：TD-LTE，LTEFDD，組網(wǎng)策略目前，LTE已逐步在世界范圍內進行了試驗和商用。LTE基于正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)技術的高速率傳輸，可承載更豐富的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。LTE的發(fā)展引起電信行業(yè)的廣泛關注。LTE基于不同的雙工方式演進出兩種版本系統(tǒng)，即TD-LTE與LTEFDD。TD-LTE基于不同的時隙實現(xiàn)上下行通信；LTEFDD分別在兩個不同的頻帶實現(xiàn)上行和下行通信。由于在未來的網(wǎng)絡中，存在TD-LTE和LTEFDD雙網(wǎng)共存的場景，這兩種LTE系統(tǒng)的頻率、天線、時隙、覆蓋、容量、干擾等方面存在著技術共性和個性。本文從TD-LTE和LTEFDD兩種技術的原理出發(fā)，對其共性和個性進行對比分析，給出兩種系統(tǒng)混合組網(wǎng)在各個技術點的相應策略，給TD-LTE和LTEFDD混合組網(wǎng)提供了有效的建設指導意見。1LTE技術原理及對比分析1.1LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡架構LTE對傳統(tǒng)3G的網(wǎng)絡架構進行了優(yōu)化，區(qū)別于以往3G，其采用扁平化的網(wǎng)絡結構，接入網(wǎng)僅包含NodeB，不再有無線網(wǎng)絡控制器(RNC)。LTE網(wǎng)絡架構如圖1所示，由核心網(wǎng)、基站和用戶設備3部分組成。其中，EPC(EvolvedPacketCore)為演進分組核心網(wǎng)，EPC信令處理部分稱為移動新管理設備(MME)，數(shù)據(jù)處理部分稱為網(wǎng)關(Gateway，這里是S-GW)；eNodeB負責接入網(wǎng)部分，也稱E-UTRAN；UE指用戶終端設備。

圖1LTE網(wǎng)絡架構在LTE的網(wǎng)絡架構層面，TD-LTE與FDDLTE沒有本質區(qū)別，兩種制式共用相同的網(wǎng)絡架構。表1TD-LTE/LTEFDD傳輸參數(shù)系統(tǒng)帶寬MHz1.435101520時隙長度0.5ms子載波間隔15kHz采樣頻率(MHz)1.923.847.6815.323.0430.7FFT點數(shù)128256512102415362048子載波數(shù)721803006009001200PRB個數(shù)615255075100每時隙OFDM符號數(shù)7/6CP長度μs常規(guī)(4.69)×6，(5.21)×1擴展(16.67)×61.2無線側基本原理對比1.2.1基本傳輸方式LTE采用了與3G不同的空中接口技術，采用基于OFDM技術的空中接口設計。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。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?；赥DD雙工方式的技術不同于FDD，其利用時隙作為正交資源，在相同頻帶的不同時隙上分別傳輸上行和下行信號，上下行時隙具有可配置的切換點，其主要有以下四個特點：頻譜配置靈活，利用率高；靈活地上下行資源比例配置，更有效地支持非對稱的IP分組業(yè)務；利用信道對稱性特點，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、多點協(xié)作等技術應用上更為容易。然而TDD雙工方式現(xiàn)階段也存在一些應用問題，主要表現(xiàn)如下。(1)相對于FDD系統(tǒng)，TDD的系統(tǒng)內干擾更為復雜。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型外，由于各小區(qū)可能存在的不同的上下行時隙配置，還可能存在上行干擾下行、下行干擾上行的復雜干擾場景。為此，TDD系統(tǒng)需通過全網(wǎng)同步，在相鄰小區(qū)間盡可能規(guī)劃采用相同上下行時隙比例配置，加大上下行時隙保護間隔，及采用一些工程手段等方式來解決。(2)TDD雙工系統(tǒng)對系統(tǒng)同步要求更為嚴格。TDD系統(tǒng)設備需滿足嚴格的時間同步，上下行時隙對齊來實現(xiàn)TDD的雙工方式。(3)TDD系統(tǒng)由于上下行信號發(fā)送通過時分方式進行區(qū)分，在信號傳輸過程中，存在著一定的傳輸時延。1.2.3幀結構幀結構是指無線幀的結構，通過幀結構的定義，約束了數(shù)據(jù)的發(fā)送時間參數(shù)以保證收發(fā)的正確執(zhí)行。LTEFDD使用圖2所示幀結構，一個無線幀為10ms，包含10個子幀，每個子幀由兩個時隙組成，每一個時隙的長度為0.5ms。上行和下行在一個無線幀分別有20個時隙進行傳輸。圖2LTEFDD幀結構TD-LTE為了與TD-SCDMA保持良好的演進性，其主要幀結構參考了TD-SCDMA幀結構設計，其幀結構如圖3所示。每一個TD-LTE無線幀由兩個半幀構成，每一個半幀長度為5ms。每一個半幀又由8個常規(guī)時隙和DwPTS、GP和UpPTS三個特殊時隙構成。DwPTS和UpPTS長度可配。對應5ms切換點的上下行配置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)來對應。圖3TD-LTE幀結構FDD系統(tǒng)在成對的兩個頻帶進行上下行的傳輸，上行頻段全部配置為上行時隙，下行頻段全部配置為下行時隙，上下行之間具有一定的隔離帶寬避免系統(tǒng)內的上下行干擾。TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)相比，優(yōu)點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)務類型。例如，隨著互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務的開展，下行數(shù)據(jù)傳輸量將遠大于上行的情況，如果上下行配置同樣多的資源，則很容易導致下行資源受限而上行資源利用率較低的情況。對于TDD系統(tǒng)可以將支持該業(yè)務的場景配成下行子幀多于上行子幀的時隙配比關系，提高資源的利用率。其主要問題是不完美的系統(tǒng)同步易導致系統(tǒng)內的上下行互相干擾，將嚴重影響TD-LTE的系統(tǒng)性能。1.2.4多天線技術多天線技術在LTE系統(tǒng)有充分應用。在下行鏈路，多天線發(fā)送方式包括發(fā)送分集、空間復用、多用戶MIMO和波束賦形等傳輸模式；在上行鏈路，多個用戶組成的虛擬MIMO也進一步提高了上行的系統(tǒng)容量。MIMO技術的基本出發(fā)點是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個并行的數(shù)據(jù)流，在指定的帶寬內由多個發(fā)射天線同時刻發(fā)射，經(jīng)過無線信道后，由多個接收天線接收，并根據(jù)各個并行數(shù)據(jù)流的空間特性，利用解調技術，最終恢復出原數(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單天線端口，端口0傳輸模式2發(fā)射分集傳輸模式3開環(huán)空間復用傳輸模式4閉環(huán)空間復用傳輸模式5多用戶MIMO傳輸模式6閉環(huán)rank為1預編碼傳輸模式7單天線端口端口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對于LTEFDD來說，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。對于TD-LTE來說，除了模式2、模式3、模式4和模式5外，因為采用了智能多天線系統(tǒng)，還可以應用波束賦形技術。TD-LTE的R8定義了傳輸模式7用以支持基于專用導頻的波束賦形技術。傳輸過程中，UE需要通過對專用導頻的測量來估計波束賦形后的等效信道，并進行相干檢測。對于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。當瞬時信道特性的互易性難以得到保障時，可以利用DoA等長期統(tǒng)計信息實現(xiàn)波束賦形傳輸。TD-LTER9系統(tǒng)將波束賦形擴展到了雙流傳輸，實現(xiàn)了波束賦形與空間復用技術的結合。為了支持雙流波束賦形，LTER9中定義了新的雙端口專用導頻(端口7與端口8)，并引入了新的控制信令。傳輸模式8可以采用非預編碼矩陣指示(PMI)或PMI兩種反饋方式。表3LTE系統(tǒng)同步時間要求小區(qū)類型小區(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)因為上、下行使用不同頻段，所以小區(qū)間信號不需要嚴格同步也不會造成上下行互干擾問題。但TDLTE和LTEFDD不同，需要系統(tǒng)在同一頻段進行信號收發(fā)，如果小區(qū)間未保持同步，會出現(xiàn)比較嚴重的收發(fā)互相干擾的問題。因此，TDD網(wǎng)絡部署需要小區(qū)之間保持子幀邊界的精確同步并在同一TDD同步區(qū)內配置成相同的上下行配比。目前主要的同步方法包括絕對時間同步、網(wǎng)絡同步、終端測量輔助同步、基站間空中接口自同步(表3)。(1)絕對時間同步方法主要是基于衛(wèi)星同步的方法，典型的如GPS。GPS可以提供一個高精度的同步時鐘參考。其優(yōu)點是可靠性高，但GPS信號不能有效的穿透到室內，必須使用室外天線。(2)網(wǎng)絡同步的方法主要是指利用IEEE1588協(xié)議進行同步的方法，IEEE1588是一種精確時間同步協(xié)議，IEEE1588v2是在IEEE1588基礎上進行的優(yōu)化，正逐步應用于3G/LTE移動通信系統(tǒng)中。采用時間分布機制和時間調度概念，客戶端或從屬設備可以使用普通振蕩器，通過軟件調度或主機的時鐘保持同步，過程簡單可靠，占用帶寬少，相比GPS成本低，便于維護。當網(wǎng)絡中各通信節(jié)點的負載不重和數(shù)據(jù)包處理時延不是很大時，IEEE1588v2協(xié)議能夠滿足μs級的小區(qū)間同步精度，前提是通信路徑上所有的中間節(jié)點都需要支持加硬件時間戳，具備對路徑和時延的測量與校準功能。(3)終端測量輔助的同步方法主要是通過終端測量兩個鄰小區(qū)的時間差來獲得定時關系，該方法需要進一步評估終端的影響。(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)絡中其他已經(jīng)同步的基站獲得同步，包括兩個方面：初始的同步建立以及周期性的同步保持機制。為防止時鐘漂移，還需要周期性地進行同步信號的跟蹤，執(zhí)行與初始建立同步類似的過程。以上四種同步方法各有優(yōu)