如何应对TDLTE网络规划的新挑战

如何应对TD-LTE网络规划的新挑战王强2012-9-27 14:41:37来源：人民邮电报2012年09月06日截至2012年7月，全球已开通了9个TD-LTE商用网络。在国内，经过规模网络技术验证两个阶段的测试，TD-LTE产业链进一步完善，系统、芯片、终端等各方的支持力度明显增强，规模不断增大。当前，以运营企业为主体的TD-LTE扩大规模试验稳步推进。从流程上来看，TD-LTE网络规划与3G系统相似。但由于物理层技术、网络结构、调度算法、干扰控制等基础技术的变化，使得TD-LTE网络规划在需求分析、频率规划、覆盖与容量规模估算、网络平滑升级等领域与以往的3G规划存在较大差异。随着TD-LTE产业的成熟以及规模扩大部署，在网络规划过程中需要在如下问题上重点关注、妥善解决并加强推进。解决覆盖问题不能仅靠室分室内分布系统（简称室分，下同）作为室内深度覆盖的重要手段，各家运营商在投资上有逐年递增的趋势，有运营商在室分方面的工程投资甚至超过移动网总投资的30%。但事实上，室分对室内深度覆盖方面的贡献并不如它的投资比例那么高，各运营商室分对室内话务的吸收比例最高也没有超过10%，室内网络覆盖最终还是依靠室外宏基站、室外小基站以及室内分布系统等多种手段来共同完成的。因此，我们首先应该正确认识室分在室内网络覆盖中的作用：第一，室分是一个重要手段，但不是唯一；第二，室分所完成的任务是室外宏基站、小基站等其他手段所无法完成的。其次我们来确定室分建设的原则：投资的经济性和投资的有效性。鉴于这个原则，我们讨论一下LTE室分建设的两个问题：第一，现有室分针对LTE的兼容性改造；第二，LTE网在室内MIMO技术的运用。现有室分的兼容性改造。现有室分对LTE的兼容性很大程度取决于LTE最终能够获取的工作频率，目前中国各运营商的室分均经过多次的室分改造，90%以上的系统能够完全兼容8002500MHz工作频率，而天线的部署密度至少能够满足2.4GHzWi-Fi网络的苛刻要求。如果LTE超出上述的频率，则现有的室分需要改造。以2.6GHz为例，室分改造需要重点关注两个参数：器件驻波比和系统驻波比，前者影响信号功率传输效率，后者会对收发信机形成干扰。各驻波比对应功率传输效率如下表。在室分中，射频信号从发射机到天线端需经过功分器、耦合器的多级器件，每个器件都会对信号反射造成一定的损耗，器件数量取决于楼层面积、楼层结构等因素，目前国内平均为7级器件（含天线），按业界统一的1.4计算，信号经过7级器件的总体功率传输效率约为82%。2.6GHz的LTE信号进入现有系统中肯定会导致各器件天线驻波比抬升，从下表可看出，如果驻波比能够控制在2.0左右，功率传输效率约为43.9%，相比驻波比1.4而言，功率多损失2.7dB，对比高昂的改造费用，这个损失是可以接受的。而系统驻波比则不仅取决于器件驻波比，还跟馈线长度、馈线规格有关，建议在系统改造中优先更换垂直主干的器件，使得主干器件的驻波比能够低于1.4，不仅能够提高整个系统的功率传输效率，按照3G改造的经验，系统驻波比也能够控制在可以接受的范围内。LTE在室内MIMO技术的运用。MIMO是LTE制式中的技术特点，通过多收多发技术，不仅能够优化链路，还能够大幅提升空口吞吐能力。该技术在室外基站可以得到较好的运用，但是在室内场景中，我们必须考虑两个因素：第一，现有室分以单路系统为主，极少数场景（如地铁）采用双路系统，无法支持MIMO技术；第二，前文已经证实，室分的有效覆盖范围低于预期值，室分实际承担的移动业务不高，LTE采用单路系统能满足大部分场景的容量和覆盖需求，没有必要使用MIMO。考虑到投资的经济性和有效性，建议在已有室分的楼宇为节约投资和加快建设，不采用MIMO技术，部分容量需求较大的场景可采用室内小区分裂的方式增加系统容量；在新建楼宇中的大型场景，如果容量需求高、用户体验要求高且室分能够对室内区域形成主导性覆盖能力（例如机场候机楼、大型车站候车厅、大型会场等），则考虑采用MIMO技术，其余场景均可使用单路系统而无须采用MIMO技术。最大限度共用天馈系统随着技术发展和网络演进，三大运营商将同时运营2G、3G、LTE等多张网络，基站天线数量与日俱增。此外，为了满足用户不断增长的需求，近年来各运营商都在不断地新建基站以增强网络的深度覆盖。因此，基站数量增多，天线林立的问题愈加严重。这样一方面影响了视觉环境，另一方面基站建设对天面提出了更高的要求，给基站选址和建设带来了困难。对于中国移动而言，正在运营的GSM900、DCS1800和TD-SCDMA三张无线网络，由于三张网络制式和频段不同，现网主要采用三套天馈系统部署建设。随着TD-LTE试验网进程的加速，中国移动必将面临同时运营建设GSM900、DCS1800、TD-SCDMA和TD-LTE四张网络的局面，按传统方式需同时建设四套天馈系统，这增加了基站的建设难度，影响TD-LTE网络的建设，因此需要研究和改变TD-LTE网络天馈系统建设模式，采取科学合理的解决方案。对于TD-LTE建网后的多网天馈系统建设问题，主要有以下几种解决方案：TD-SCDMA/TD-LTE共天馈系统方案。该方案是目前的主要解决手段。将现有的TD-SCDMA等网络的F/A频段的天线，替换成F/A/D频段天线，从而支持工作于D频段的TD-LTE网络。TD-LTE与TD-SCDMA共用天馈系统的建设方案，可以减小TD-LTE系统对天面的需求，加快TD-LTE网络建设速度，但仍存在一些不足：需要更换现有网络的天线，增加投资；各系统难以各自调整下倾角，影响网络优化效果；对抱杆要求较高，安装复杂。在实际网络建设中，是否采用此方案，需根据实际情况综合考虑。小型化天线方案。使用新型的小型化天线，可减少天线体积，从而降低天线安装压力，现在厂家已开发出紧凑型设计的设备，体积比普通天线减少约50%。采用小型化天线可以简化天线面板施工，但是天线小型化方案可能在天线增益、隔离度等方面会有一定性能损失，可以考虑先在条件受限的站址上使用。设备天线一体化方案。该方案将天线集成到射频单元中，具有以下优势：减少了部件数量和相互连接，缩短安装时间；减少馈线损耗，简化冷却过程，降低功耗。已有厂家开发出相关产品，但尚未经过大规模应用验证，需重点考虑运维方便和稳定性。以“三新”提升网络性能正在进行的TD-LTE试验网建设正式商用后将面临TD-LTE与2G、3G网络互操作的问题。如何合理解决网络互操作问题、提升用户感知，具有重要意义。2010年中国移动通过采用“三不三新三融合”的网络建设理念，使TD-SCDMA网络从无到有、从小到大，逐渐发展成为覆盖全国的3G网络。所谓的“三新”是指新机制、新标准、新测量，即一套全新的机制、全新的标准、全新的测量体系，提升了2G和3G的切换效率，使用户在使用TD-SCDMA网络时候可以方便地切换到2G网络，使用2G网络的时候又可以方便地切换到TD-SCDMA网络。中国移动正在进行的TD-LTE网络建设也应该采用“三新”策略。这是因为TD-LTE网络测量仪器仪表的产业化进程相对FDD-LTE还有一定差距，主要表现为国外厂家研发资源投入少，侧重FDD-LTE研发；国内厂家启动较晚。另外，国外厂家多数采用先FDD后TDD研发策略；国内厂家研发重心仍在TD-SCDMA，LTE整体投入较少。TD-LTE在测量仪器仪表方面，产业化进程的缓慢，必然会影响TD-LTE网络商用化进程。因此，中国移动应继续采用“三新”策略，同时还应该走国际化路线，加速TD-LTE与FDD-LTE的融合，推动TD-LTE测量仪器仪表的产业化进程。加快频率规划进程频率是移动通信的基础性资源。经过30年的发展，800MHz2GHz段的较适合移动通信的频率，已经基本被2G和3G占用。而2.3GHz以上频率的电波在空间传输过程中衰减大、穿透能力弱，会显着影响无线信号的覆盖范围。LTE频率划分为FDD频段和TDD频段，其中TDD建议频段有11个，集中在1.8GHz3.8GHz的高端频谱上。由于很难找到可以全球统一使用的TD-LTE频段，因此各国的TD-LTE频段较为分散，不过最主要的频段还是2.6GHz。在全球已经部署的9个商用网中，5个网络工作在2.6GHz频段。在TD-LTE规模网络技术验证阶段，主要使用的是2570MHz2620MHz之间共50M的频率。由于需在频谱两端各留出保护带，实际可用频谱仅40MHz。中国移动董事长奚国华2012年6月在上海GTI亚洲峰会上表达了对2.6GHz频谱的支持：“在TD-LTE频率问题上，2.6G是国际电联确定的全球频率的主频段，也是较为丰富的频率，城市地区容量主承载频段，在招标采购扩大规模的所有城市，中国移动均将以2.6G为主开展部署。”尽管如此，由于40MHz带宽的频谱承载容量有限，着眼于TD-LTE产业的中长远发展和网络规模部署，还是需要将频率规划与频谱使用尽早提上日程。LTE网络建设首先是解决热点区域的高速、大流量的连片业务需求，为避免用户使用业务时过多的系统间交互，覆盖区域不宜零散，应保证一定区域范围内连续覆盖。基于连续覆盖的考虑，采用不同的频率组网时，基站覆盖距离与规划结果显着不同。如果没有对网络频率使用有一个长远考虑，是难以规划出合理的无线网基础布局的。另一方面，频率不及早规划也增加了终端方案的推出难度。尽管终端支持多频段在技术上可行，但考虑到TD-LTE商用终端很可能还需要支持现有2G/3G的多个频段，太多的频段支持对终端芯片设计也是挑战。为降低TD-LTE商用终端开发难度与技术风险，尽早做好频率规划是有利于产业发展的。消除终端和业务短板在LTE的产业链上，终端与业务的发展相对滞后，作为与用户最密切的相关环节，如何发展终端，高效利用LTE高带宽，促进数据业务更全面发展，是目前推动TD-LTE整个产业链走向成熟、网络走向市场的重要课题之一。相对于2G/3G网络终端和业务的发展，LTE具有较大差别。目前，2G/3G终端产业链成熟，如iPhone、三星、HTC、摩托罗拉、华为、中兴等知名品牌终端丰富，价格逐渐亲民，同时因Android、iOS等系统，应用业务种类繁多。网络性能方面，网络环境复杂，大多数用户已习惯了2G良好的语音业务质量，另外3G网络带来了一定带宽的增长，有效提升了用户对于移动数据业务的体验，基本可以满足用户在移动状态下对于中速数据业务的需要。这无疑对LTE的终端和业务质量提出了更严苛的要求，即更先进、价格适中的终端，更高速的数据传输及良好的业务体验。终端作为移动通信网络的承载，目前主要面临以下几个问题：终端模式。终端的模式取决于TD-LTE运营商所拥有的网络环境背景因素，同时更取决于TD-LTE在今后较长的时间段内与那些遗留通信制式之间是“替代”或者“长期共存”的不同发展策略来决定的。TD-LTE要面临的网络状况非常复杂，2G网络、3G网络、4G网络，还有3G和4G的不同制式以及WLAN，因此多模及多频段终端就成为必须实现的产品形态，甚至是全模及全频段。因此决定TD-LTE终端发展一开始就考虑的是多模思路，不仅是TD-SCDMA/TD-LTE的多模，而且还考虑FDD/TDD的多模，这样可以有效借鉴FDD的技术优势，使得TD-LTE的终端不至于和FDDLTE有较大的差距。终端形态。LTE终端种类大致可分为：数据卡、CPE、移动热点、模块、平板电脑、上网本、智能手机等。目前，各种形式的终端都或多或少遇到一些亟待解决的问题。因多模及多频段因素，加上多天线功能，决定终端形态和功耗都较大。CPE的形态和功耗相对适中，但由于其不支持切换的功能，多作为游牧式的定点业务的网络终端（如即摄即传业务）。USB上网卡基于TD-LTE芯片，形态和功耗都很小，能很好地用于室内高速上网的业务中。目前各类终端和网络设备不同厂商之间的IOT测试还在进行中，已有一部分终端产品可以接入多个厂商的网络设备，但是仍不支持在不同厂商之间切换。运营商类型。目前TD-LTE试验网主要分布在以中国、印度和日本为主的亚太地区。中国移动积极推动TD-LTE试验网建设。日本第三大移动运营商软银（Softbank），近来与中兴、华为达成战略合作：将由华为和中兴为其建设TD-LTE。相对于其他国家和地区，印度更多的运营商选择了使用TD-LTE作为其4G网络建设的标准。即便如此，目前世界上选用TD-LTE的运营商远远不及LTEFDD网络的运营商数量，有90%的运营商选择FDD制式LTE，故多模终端的发展也是考虑不同运营商之间的兼容。LTE受限于手持终端的丰富程度不足和功能性不强以及网络覆盖不到位的问题，从业务的发展来看，移动宽带业务将会沿着不同的阶段逐步发展。在网络发展初期，终端主要为类似于USB数据卡和CPE等形态，业务主要就是满足无线上网的需求。在发展期，网络覆盖开始扩大，终端类型也由单一的上网卡逐步推广到智能手机、平板电脑、行业终端等。此时，将会为用户提供大量的高带宽的多媒体视频应用，为个人、家庭、企业带来更新的用户体验。包括高清视频通话、移动视频监控、即摄即传、远程教育、无线视频会议和动态电子商务等。这个阶段也是业务发展和丰富的过程，是用户快速增长的时期。大规模发展阶段是TD-LTE发展的成熟阶段，网络覆盖基本到位，终端涵盖上网卡、CPE、智能手机、行业终端等各种类型。此时，将会全方位提供包括视频、语音和数据