FDD-LTE技术简述

FDD LTE 技术简介技术简介 16721492 程俊达程俊达 2017 3 3 摘摘 要 要 随着当今世界信息化程度越来越高 通信技术的发达程度对社会的发展速度有着关键的影响 如今全球已经迈入 4G 时代 4G 移动通信技术作为目前最前沿的通信技术 已被全球广泛的采用 在 生产生活和科技进步方面发挥着无可替代的作用 TD LTE 和 FDD LTE 作为 4G 的两种不同的网络 制式 在编码 空口 信令方面有所不同 但除此之外的相似度达到百分之九十 本文着重介绍 FDD LTE 的网络制式 从其特点 优势 关键技术 与 TD 方式的优劣对比以及目前的发展程度进行 一个详细的介绍 希望让更多的人能了解 FDD LTE 了解它与 TD 的异同 从而更好地去展望未来的 5G 通信 The Introduction of FDD LTE Technology Abstract With the increasing degree of information technology in the world today the degree of communication technology development has a key impact on the speed of social development Now the world has entered the 4G era 4G mobile communication technology as the most cutting edge communications technology has been widely used in the world in production and scientific and technological progress play an irreplaceable role TD LTE and FDD LTE as the 4G of the two different network formats coding air port signaling is different but in addition to the similarity of 90 This paper focuses on the FDD LTE network standard from its characteristics advantages key technologies and TD way of comparison and the current level of development of a detailed introduction Want to let more people understand FDD LTE understand its similarities and differences with TD so as to better look forward to the future 5G communication 1 引言引言 伴随着人类社会进入信息时代 移动互联网成为了信息化时代最具时代特色的前沿技术 移动 互联网是通信产业与传统的 IT 产业的交汇和融合 是信息技术 IT Information Technology 产业向通 信技术 CT Communication Technology 产业的渗透 随着人们对于高速的数据传输日益增长的需 求及智能移动终端设备的出现 使得人们开始追求对生活品质以及丰富多彩的体验 传统的移动互 联业务已经无法满足人们的需求 高质量的移动视听服务 高清晰度的视听享受 需要体验快捷方 便的移动支付 需要进行实时流畅的手机游戏 需要进行高速准确的移动搜索 实时的获取各种新 闻信息 人们希望在移动中进行轻松的社交活动 高效的完成工作 正是这些需求 成为了推动移 动互联技术快速发展的源动力 推动着我们的信息时代大步向前 日新月异 目前 我们已经进入 4G 移动互联时代 4G 网络已经遍布全球 移动互联网用户的数量正在以 史无前例的速度增长 据统计 目前全球移动上网的用户已经远远超过了固定网络上网的用户 移 动话音通信的用户已经远远超过了固定电话通信的用户 移动数据业务收人已经远远超过了移动话 音业务收人 手机用户保有量已经超过 PC 和 TV 用户的保有量 4G 移动互联正在构建一个全新的 信息时代 1 2 通信技术发展历程通信技术发展历程 移动通信技术到目前为止经历了四个阶段的发展历程 第一代 1G 通信技术自上世纪 80 年代初期被提出 历经十年的发展问世 这一代移动通信 技术主要是通过模拟传输 第 1 代移动通信系统 1G 是模拟式通信系统 模拟式是代表在无线 传输采用模拟式的 FM 调制 将介于 300Hz 到 3400Hz 的语音转换到高频的载波频率 MHz 上 一 部大哥大在当时的售价为 21000 元 除了手机价格昂贵之外 手机网络资费的价格也让普通老百姓 难以消费 当时的入网费高达 6000 元 而每分钟通话的资费也有 0 5 元 不过由于模拟通信系统 有着很多缺陷 经常出现串号 盗号等现象 给运营商和用户带来了不少烦恼 于是在 1999 年 A 网和 B 网被正式关闭 2 第二代 2G 通信技术的发展开始于二十世纪九十年代初期 该技术通过采用更密集的技术 结构以及引用智能技术等 较 1G 技术有所进步 但依然不能真正满足移动通信业务的发展需求 从 1G 跨入 2G 的分水岭则是从模拟调制进入到数字调制 相比于第 1 代移动通信 第二代移动通 信具备高度的保密性 系统的容量也在增加 同时能够提高多种业务服务 从这一代开始手机也可 以上网了 第一款支持 WAP 的 GSM 手机是诺基亚 7110 它的出现标志着手机上网时代的开始 而那个时代 GSM 的网速仅有 9 6KB s 数字网有以下优点 1 频谱利用率高 有利于提高系统容量 2 提供多种业务服务 提高通信系统通用性 3 抗噪声 抗干扰 抗多径衰落能力强 4 能实现更 有效 灵活的网络管理和控制 5 便于实现通信的安全保密 6 可降低设备成本 第三代 3G 通信技术的问世 通过应用智能信号等处理技术 已经能够提供前两代技术无 法提供的移动宽带服务 但该技术中频谱利用效率还是比较低 依然有大量宝贵的频谱资源未得到 充分利用 因此 3G 技术同样还是远远不能满足未来人们对于通信技术的需求 国际电信联盟 ITU 发布了官方第 3 代移动通信 3G 标准 IMT 2000 国际移动通信 2000 标准 3G 存在四 种标准制式 分别是 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA WiMAX 在 3G 的众多标准之中 CDMA 这个字眼曝光率最高 CDMA 码分多址 是第三代移动通信系统的技术基础 中国在 2009 年的 1 月 7 日颁发了 3 张 3G 牌照 分别是中国移动的 TD SCDMA 中国联通的 WCDMA 和中国 电信的 WCDMA2000 第四代 4G 通信技术在这种背景下提出 其视频图像传输的效果可以媲美高清晰电视 拥 有极高的下载速度及灵活的计费方式等 具有前三代无可比拟的先进性 4G 包括 TD LTE 和 FDD LTE 两种制式 是集 3G 与 WLAN 于一体 并能够快速传输数据 高质量 音频 视频和图像等 4G 能够以 100Mbps 以上的速度下载 大约是 12 5MB s 18 75MB s 的下行速度 比目前的家用宽 带 ADSL 4 兆 快 20 倍 并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求 此外 4G 可以在 DSL 和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署 然后再扩展到整个地区 很明显 4G 有着不可比拟 的优越性 2013 年 12 月 4 日 工业和信息化部向中国移动 中国电信 中国联通正式发放了第四 代移动通信业务牌照 即 4G 牌照 中国移动 中国电信 中国联通三家均获得 TD LTE 牌照 此举标志着中国电信产业正式进入了 4G 时代 3 3 简介 简介 FDD LTE LTE Long Term Evolution 长期演进 是由 3GPP The 3rd Generation Partnership Project 第三 代合作伙伴计划 组织制定的 UMTS Universal Mobile Telecommunications System 通用移动通信 系统 技术标准的长期演进 于 2004 年 12 月在 3GPP 多伦多会议上正式立项并启动 LTE 系统引 入了 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用 和 MIMO Multi Input Multi Output 多输入多输出 等关键技术 显著增加了频谱效率和数据传输速率 20M 带宽 2X2MIMO 在 64QAM 情况下 理论下行最大传输速率为 201Mbps 除去信令开销后大概为 150Mbps 但根据实际组网以及终端能力限制 一般认为下行峰值速率为 100Mbps 上行为 50Mbps 并支持多种带宽分配 1 4MHz 3MHz 5MHz 10MHz 15MHz 和 20MHz 等 且支持 全球主流 2G 3G 频段和一些新增频段 因而频谱分配更加灵活 系统容量和覆盖也显著提升 LTE 系统网络架构更加扁平化简单化 减少了网络节点和系统复杂度 从而减小了系统时延 也降低了 网络部署和维护成本 LTE 系统支持与其他 3GPP 系统互操作 根据双工方式不同 LTE 系统分为 FDD LTE Frequency Division Duplexing 和 TDD LTE Time Division Duplexing FDD 频分双工 是该技术支持的两种双工模式之一 应用 FDD 频分 双工 式的 LTE 即为 FDD LTE 作为 LTE 的需求 TD 系统的演进与 FDD 系统的演进是同步进行 的 绝大多数企业对 LTE 标准的贡献可等同用于 FDD 和 TD 模式 两者的相似度可达 90 由于无线技术的差异 使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素 FDD LTE 的标准化与产 都领先于 TD LTE FDD LTE 已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的 终端种类最丰富的一 种 4G 标准 FDD 采用两个独立的信道分别进行向下传送和向上传送信息的技术 为了防止邻近的发射机 和接收机之间产生相互干扰 在两个信道之间存在一个保护频段 FDD 操作时需要两个独立的信 道 一个信道用来从基站向终端用户传送信息 另一个信道用来从终端用户向基站发送信息 TD 则采用的是同一频率的载波 通过控制信号来控制数据流的方向 并且可根据不同的业务灵活分配 上下行的帧比例 4 简析 简析 FDD LTE 关键技术关键技术 FDD LTE 主要的关键技术有 OFDM 正交频分复用 MIMO 多入多出 技术即多天线技术 循环前缀 CP 为了减小峰均比而使用的单载波频分多址 SO FDMA 等等 接下来将详细讲 解这些技术 简析这些技术的优劣 4 1 OFDM 1 概述 正交频分复用 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing 是一种多载波调制 技术 早在 20 世纪 60 年代就已经提出了 OFDM 的概念 不过由于实现复杂度高 大家并不怎么 关注 之后随着 DFT 离散傅立叶变化 FFT 快速傅立叶变换 的提出以及 DSP 芯片技术的发展 极大减少了 OFDM 实现复杂度和成本 OFDM 逐步在通信领域得到了广泛的应用 并且成为了高 速移动通信中的主流技术 OFDM 使用相互重叠但正交的窄带传输数据 相比传统的多载波系统具 有更高的频谱利用率 3gpp 选择 OFDM 作为 LTE 下行数据传输制式 由于 OFDM 信号是多个子载波信号的叠加 所以存在较高的 PAPR 峰均比 对功放的要求较高 不适合于上行使用 所以为了克服 OFDM 的缺点 3gpp 在上行引入了单载波频分多址 SC FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access 机制 SC FDMA 是 OFDM 的一种修正形式 和 OFDM 使用多载波并行方式传输数据相比 SC FDMA 采用单载波串行方式传输数据 从而具有较 低的 PAPR 4 2 原理 将高速的数据流分解为多路并行低速数据流 在多个载波上同时进行传输 OFDM 允许子载波频谱部分重叠 只要能满足子载波之间相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信 息 由于 OFDM 允许子载波频谱混叠 其频谱效率大大提高 因而是一种高效的调制方式 5 对比传统的 FDM OFDM 的频带利用率大大提高 3 优缺点分析 OFDM 相比于传统的单载波系统 它的优势是无可比拟的 频谱利用率高 1 OFDM 中各个子载波之间是彼此重叠的 相互正交 从而极大地提高了频谱利用率 抗多径干 2 扰 为了最大限度地消除符号间干扰 在 OFDM 符号之间插入循环前缀 CP 当 CP 长度大于无线 信道的最大时延扩展时 前一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰 抗频率选择性衰落 3 由于无线信道的频率选择性衰落 OFDM 系统可以通过动态子载波分配 充分利用信噪比高的子 载波 提高系统性能 但是 OFDM 的缺陷也是非常明显并且需要我们去解决的 OFDM 具有 1 较高的峰均比 PAPR 比 CDMA 高很多 从而会影响射频放大器的效率 增加硬件成本 对同 2 步误差较敏感 时间偏移会导致 OFDM 子载波的相位偏移 而频率偏移误差则会导致子载波间失 去正交性 带来子载波之间的干扰 影响接收性能 对频偏和相位噪声比较敏感 会导致各个子 3 载波之间的正交性恶化 仅仅 1 的频偏就会使信噪比下降 30dB 4 减小峰均比 PAPR 高峰平比是影响 OFDM 技术应用的一个关键问题 为了降低 OFDM 系统的 PAPR 国内外学者进行了大量深入的研究 提出了很多方法 解决高峰平比问题主要 有两种途径 一是提高功率放大器的性能 二是降低 OFDM 信号的峰平比 其中 从提高功率放 大器的性能着手解决 OFDM 系统存在的高峰平比问题有一定的局限性 实际应用中 更多的是从 OFDM 信号本身的角度出发 采取措施降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现 降 低 OFDM 信号峰平比的技术可以从本质上解决 OFDM 系统存在的高峰平比问题 目前所存在的减小 PAPR 的方法大概可以分为三类 1 信号预畸变技术 即在信号经过放大 之前 首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变 包括限幅 峰值加窗或者峰值消除等操 作 这些信号畸变技术的好处在于直观 简单 但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的 2 编码方法 即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样 例如采用循环编码方法 这 种方法的缺陷在于 可供使用的编码图样数量非常少 特别是当子载波数量 N 较大时 编码效率 会非常低 从而导致这一矛盾会更加突出 3 利用不同的加扰序列对 OFDM 符号进行加权处理 从而选择 PAR 较小的 OFDM 信号来传输 4 2 保护间隔与循环前缀保护间隔与循环前缀 克服克服 OFDM 的干扰的干扰 应用 OFDM 的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展 通过把输入的数据流串 并变换到 N 个并行的子信道中 使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据 符号周期的 N 倍 因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低 N 倍 为了最大限度地消除符号间 干扰 还可以在每个 OFDM 符号之间插入保护间隔 guard inerval 而且该保护间隔长度一般 g T 要大于无线信道的最大时延扩展 这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰 在这段 保护间隔内 可以不插入任何信号 即是一段空闲的传输时段 然而在这种情况中 由于多径传播 的影响 则会产生信道间干扰 ICI 即子载波之间的正交性遭到破坏 不同的子载波之间产生干 扰 为了消除由于多径所造成的 ICI OFDM 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀 CP 循环 前缀是将 OFDM 符号尾部的信号搬移到头部构成的 这样就可以保证有时延的 OFDM 信号在 FFT 周期内总是具有整数倍周期 这样 时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生 g T ICI 4 3 多天线技术多天线技术 MIMO 多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破 通常多径效应会引起衰落 因而被视 为有害因素 然而 多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用 MIMO Multiple Input Multiple output 多输入多输出 技术利用空间中的多径因素 在发送端和接收端采用多个天线 通 过空时处理技术实现分集増益或复用増益 充分利用空间资源 提高频谱利用率 为了满足 LTE 系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求 LTE 系统中 MIMO 技术主 要包括 空间分集 空间复用及波束成形 3 大类 1 空间分集 采用多个收发天线的空间分 集可以很好的对抗传输信道的衰落 空间分集分为发射分集 接收分集和接收发射分集三种 2 空间复用 空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性 通过在多个相互独立的空间信 道上传输不同的数据流 从而提高数据传输的峰值速率 LTE 系统中空间复用技术包括 开环空间 复用和闭环空间复用 开环空间复用 LTE 系统支持基于多码字的空间复用传输 所谓多码字 即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流 每个码字可以独立 地进行速率控制 闭环空间复用 即所谓的线性预编码技术 3 波束成形 MIMO 中的波束成 形方式与智能天线系统中的波束成形类似 在发射端将待发射数据矢量加权 形成某种方向图后到 达接收端 接收端再对收到的信号进行上行波束成形 抑制噪声和干扰 与常规智能天线不同的是 原来的下行波束成形只针对一个天线 现在需要针对多个天线 通过下行波束成形 使得信号在用 户方向上得到加强 通过上行波束成形 使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力 因此 和发 射分集类似 可以利用额外的波束成形増益提高通信链路的可靠性 也可在同样可靠性下利用高阶 调制提高数据率和频谱利用率 6 5 FDD LTE 与与 TD LTE 的对比的对比 2013 年 2 月 欧盟 TD 和 FDD 是 LTE 的两种不同的双工方式 TDD LTE 是时分双工 即发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的 FDD LTE 是频分双工 即采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号 形象点来说 TDD 是单车道 FDD 是双车道 双向放行 目前 FDD 已经覆盖超过 93 个国家 是国际主流的 4G 通信技术 FDD 是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送 用保护频段来分离接收和发送信道 FDD 必须采用成对的频率 依靠频率来区分上下行链路 其单方向的资源在时间上是连续的 FDD 在支持对称业务时 能充分利用上下行的频谱 但在支持非对称业务时 频谱利用率将大大 降低 TDD 用时间来分离接收和发送信道 在 TDD 方式的移动通信系统中 接收和发送使用同一频 率载波的不同时隙作为信道的承载 其单方向的资源在时间上是不连续的 时间资源在两个方向上 进行了分配 某个时间段由基站发送信号给移动台 另外的时间由移动台发送信号给基站 基站和 移动台之间必须协同一致才能顺利工作 7 主要几点对比 1 使用 TDD 技术时 只要基站和移动台之间的上下行时间间隔不大 小于信道相干时间 就可以比较简单的根据对方的信号估计信道特征 而对于一般的 FDD 技术 一般的上下行频率间 隔远远大于信道相干带宽 几乎无法利用上行信号估计下行 也无法用下行信号估计上行 这一特 点使得 TDD 方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显的优势 但也是 因为这一点 TDD 系统的覆盖范围半径要小 由于上下行时间间隔的缘故 基站覆盖半径明显小 于 FDD 基站 否则 小区边缘的用户信号到达基站时会不能同步 2 TDD 技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻 用于实现不对称的上行和下行业务带宽 有利于实现明显上下行不对称的互联网业务 但是 这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行 3 与 FDD 相比 TDD 可以使用零碎的频段 因为上下行由时间区别 不必要求带宽对称 的频段 4 TDD 技术不需要收发隔离器 只需要一个开关即可 5 发射功率受限 如果 TDD 要发送和 FDD 同样多的数据 但是发射时间只有 FDD 的大约 一半 这要求 TDD 的发送功率要大 6 对于 TD 来说 移动台速度比 FD 少一半 当数据率为 144kb s 时 TDD 的最大移动速度 可达 250km h TD 的几点优势 1 频谱配置 频段资源是无线通信中最宝贵的资源 前代通信系统 GSM900 和 GSM1800 均采用 FDD 双工方式 FDD 双工方式占用了大量的频段资源 同时 一些零散频谱资源由于 FDD 不能使用而闲置 造成了频谱浪费 LTE TDD 系统无需成对的频率 可以方便的配置在 LTE FDD 系统所不易使用的零散频段上 具有一定的频谱灵活性 能有效的提高频谱利用率 2 灵活应对非对称业务 未来数据和多媒体业务将成为主要内容 上网 文件传输和多媒 体业务通常具有上下行不对称特性 LTE TDD 系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性 根 据 LTE TDD 帧结构的特点 LTE TDD 系统可以根据业务类型灵活配置 LTE TDD 帧的上下行配比 如浏览网页 视频点播等业务 下行数据量明显大于上行数据量 系统可以根据业务量的分析 配 置下行帧多于上行帧情况 而在提供传统的语音业务时 系统可以配置下行帧等于上行帧 在 LTE FDD 系统中 非对称业务的实现对上行信道资源存在一定的浪费 必须采用高速分组接入 HSPA EV DO 和广播 组播等技术 相对于 LTE FDD 系统 LTE TDD 系统能够更好的支持不 同类型的业务 不会造成资源的浪费 3 智能天线的使用 智能天线技术是未来无线技术的发展方向 在 LTE TDD 系统中 上下 行链路使用相同频率 且间隔时间较短 小于信道相干时间 链路无线传播环境差异不大 在使用 赋形算法时 上下行链路可以使用相同的权值 与之不同的是 由于 FDD 系统上下行链路信号传 播的无线环境受频率选择性衰落影响不同 根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路 因而 LTE TDD 系统能有效地降低移动终端的处理复杂性 8 FDD 的几点优势 1 覆盖范围更广 2 速度更快 目前 LTE FDD 理论下行速度为 150Mbps TD LTE 理论下行 速度 100Mbps 3 能同时双向通信 4 技术更成熟 使用国家多 成本更低 5 终端种类多 6 实际中的应用情况 实际中的应用情况 频分双工 FDD 和时分双工 TDD 两种方式 由于无线技术的差异 使用频段的不同以及各个厂 家的利益等因素 LTE FDD 支持阵营更加强大 标准化与产业发展都领先于 LTE TDD 截至 2013 年 3 月份 全球 125 个国家共计 412 个运营商投资建设 LTE 网络 67 个国家 的 156 个电信运营商 己商用 LTE 网络 其中商用的 FDD 网络共有 149 个 主流频段为 1 8G