TD-SCDMA后续演进技术TD-LTE研究.doc

河北北方学院河北北方学院 毕业论文毕业论文 题题 目 目 TD SCDMA 后续演进技术 TD LTE 研究 姓姓 名 名 孔大鹏 院系 部 院系 部 河北北方学院宣化教学部 专专 业 业 通信工程 年年 级 级 2007 级 学学 号 号 20071940147 指导教师 指导教师 王秋良 提交时间 提交时间 2011 05 10 河北北方学院教务处制河北北方学院教务处制 0 理工宣化教学部 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 3 第二章 基础知识 5 2 1 TD SCDMA 主要技术简介 5 2 1 1 智能天线 5 2 1 2 多用户检测 6 2 1 3 接力切换 7 2 2 TD LTE 产业的发展现状和趋势 8 第三章 TD LTE 关键技术理论 11 3 1 TD LTE 的关键技术 11 3 1 1 基本的传输技术和多址技术 11 3 1 2 物理层技术 12 3 1 3 无线帧结构 13 3 1 4 网络结构 13 3 1 5 空中接口 14 3 2 TD LTE 容量特性和干扰因素 15 第四章 TD LTE 与 TD SCDMA 帧结构的比较 18 4 1 TD SCDMA 帧结构 18 4 2 TD LTE 帧结构 18 4 2 1 帧结构类型 1 18 4 2 2 帧结构类型 2 19 第五章 TD LTE 发展展望 20 5 1 TD LTE 对我国社会发展的影响 20 5 2 TD LTE 发展重要意义 20 第六章 结论 22 致 谢 23 参考文献 24 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 1 摘摘 要要 TD LTE 是一种新一代宽带移动通信技术 是我国拥有自主知识产权的 TD SCDMA 的后续演进技术 通过对 TD LTE 研究 使系统带宽 网络时延 移动性等方面得到跨 越式提高 TD LTE 的成功才真正标志着中国通信产业正式跻身世界前列 LTE 是中国移 动推动 TD 产业发展的一个重要战略举措 通过对 TD SCDMA 后续演进技术 TD LTE 研究 加快中国后 3G 技术演进和商用进程 促进中国移动通信技术的蓬勃发展 本课题研究 TD LTE 的技术原理 TD LTE 的帧结构 TDD 双工技术 基于 OFDM 的多址接入技术 基于 MIMO SA 的多天线技术等 主要研究 TD LTE 的帧结构 关键词 宽带移动通信 帧结构 TD SCDMA TD LTE OFDM MIMO SA Abstract TD LTE is a kind of new generation broadband mobile technology is our country with 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 2 independent intellectual property rights td scdma follow up evolution technology Through the research of TD made the system LTE network time delay bandwidth etc great leap forward improve mobility get TD LTE success truly marks China s telecom industry official ranks among the world s top LTE is China mobile drive TD industry development one of the important strategy of td scdma by subsequent evolution technology TD LTE research accelerate after China 3G technology evolution and commercial process promote the China mobile communication technology of booming development This topic research TD LTE technology principle TD the frame structure TD LTE full duplex technology based on the OFDM based on multiple access technology more multiple input multiple output MIMO SA antenna technology etc KeyWord Broadband mobile communication Frame structure TD LTE OFDM MIMO SA 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 3 第一章第一章 绪论绪论 随着宽带无线接入的出现 接入移动化 宽带化的业务需求越来越旺盛 用户对移 动通信网络的速率求也越来越高 Wi Fi和WiMAX等无线宽带接入方案迅猛发展 与此同 时 以正交频分复用 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex 技术为核心的新 一代技术逐渐成熟 接入速率提升到了100Mb s以上 相比之下 2Mb s的WCDMA R99传 输速率 14 4Mb s 的R5HSDPA峰值速率已经难以满足需求 为此 3GPP在2004年底经 过认真的讨论 决定采用B3G或4G的技术来使用3G频段 以便于占有宽带无线接入市场 并制定了长期演进计划LTE Long Term Evolution 长期演进 TD LTE作为3GPP LTE TDD制式的唯一成员 是我国3G发展和演进的重点之一 TD LTE 即 TD SCDMA Long Term Evolution 宣传是是指 TD SCDMA 的长期 演进 TD LTE 是 TDD 版本的 LTE 的技术 FDDLTE 的技术是 FDD 版本的 LTE 技术 TDD 和 FDD 的差别就是 TD 采用的是不对称频率是用时间进行双工的 而 FDD 是采用 一对频率来进行双工 TD SCDMA 是 CDMA 技术 TD LTE 是 OFDM 技术 不能对接 3GPP于2004年11月在加拿大的多伦多举行了RAN未来演进研讨会 决定开始LTE工 作 标准制订过程分SI Study Item 研究项目 和WI Work Item 工作项目 两个阶段 SI主要完成目标需求的定义 明确LTE的概念等 然后征集候选技术提案 并对技术 提案进行评估 确定其是否符合目标需求 对有可能融合的提案进行讨论 对各候选技 术的优越性进行辩论 最终选择出适合未来LTE的技术方案 经过长达数月的激烈讨论 LTE需求技术报告在2005年5月底 RAN全会上获得通过 随后各组的主要工作集中在LTE 各层的技术报告 其中物理层的技术报告是各参与方工作的重点 由于3GPP组织成员在 核心技术标准的选择以及网络演进思路上存在争议使得LTE核心技术规范标准的制订阶段 延期了3个月 在2006年9月RAN 33次全会上 经过激烈的讨论和艰苦的融合 3GPP最 终选择了大多数公司支持的方案 下行采用OFDM 上行采用SC FDMA 至此 3GPP LTE的SI阶段正式结束 WI阶段的主要任务是制订LTE的各核心规范 2007年 LTE物理层规范基本完成 高 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 4 层 接口和射频规范接近完成 实现了3GPP内TDD技术的融合 TD LTE成为LTE中唯一 的TDD技术 在2007年11月举行的3GPP RAN 38次会议上 3GPP就TDD两种物理帧结构 Type1和Type2进行讨论 最终明确了TD LTE的帧结构为Type2 融合的帧结构基于我国 提出的TD SCDMA的帧结构 本文的内容如下 第一章 绪论 简述TD LTE的必要性和总要性 介绍了本论文所研究的内容以及论 文的结构安排 第二章 基础知识 第三章 TD LTE关键技术理论 第四章 TD LTE与TD SCDMA帧结构的比较 第五章 TD LTE发展展望 第六章 总结 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 5 第二章第二章 基础知识基础知识 2 1 TD SCDMA 主要技术简介主要技术简介 2 1 1 智能天线智能天线 智能天线概念 智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信技术 它结合了自适 应天线技术的优点 利用天线阵列对波束的汇成和指向的控制 产生多个独立的波束 可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化 接收时 每个阵元的输入被自适应地加 权调整 并与其他的信号相加 以达到从混合的接收信号中解调出期望得到的信号并抑 制干扰信号的目的 它对干扰方向调零 以减少甚至抵消干扰信号 发射时 根据从接 收信号中获知的 UE 信号方位图 通过自适应地调整每个辐射阵元输出的幅度和相位 使 得它们的输出在空间叠加 产生指向目标 UE 的赋形波束 智能天线良好的抗多用户干扰性能使其成为 TD SCDMA 系统关键技术之一 它对网 络性能有着重要影响 空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下 极大地 降低总的辐射发射功率 一方面改善了空间电磁环境 另一方面也降低了无线基站的成 本 在接收端 智能天线通过空间选择分集 可大大提高接收灵敏度 减少不同位置同 信道用户的干扰 有效合并多径分量 抵消多径衰落 提高上行容量 智能天线使得空间角度成为可利用的资源 所以在对系统资源进行分配和管理时 既要考虑最大限度地利用系统容量 又要协调好各种资源之间的相互关系 以便最大限 度地降低用户之间的干扰 只有这样才能保证系统的整体性能达到最优状态 智能天线 能使能量集中 而非智能天线使能量分散 这相当于手电筒和电灯的关系 智能天线对网络规划的影响 主要体现在覆盖及资源分配 在 TD SCDMA 系统的宏 基站中一般都用到了智能天线这一技术 而在微基站中没有利用这一技术 智能天线优势 提高了基站接收机的灵敏度 基站所接收到的信号来自各天线单元和 收信机所接收到的信号之和 如果采用最大功率合成算法 在不计多径传播条件下 则 总的接收信号将增加 101gNdB 其中 N 为天线单元的数量 存在多径时 此接受灵敏 度的改善将随多径传播条件及上行波束赋形算法而改变 其结果也在 101gNdB 左右 提高了基站的 EIRP 由于天线波束赋形的结果等效于增大了天线增益 发射天线阵 在进行波束赋形后 该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加 201gNdB 其中 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 6 101gNdB 是 N 个发射机的效果 与波束成形算法无关 另外部分将和接受灵敏度的改善 类似 随传播条件和下行波束赋形算法而变 降低了系统的干扰 经过波束赋形 只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径才对 有用信号带来干扰 增加了 CDMA 系统的容量 在未使用智能天线的系统中 能量分布在整个小区中 移动终端的工作状态对其所处区域的干扰影响并不明显 即使某一地区的所有移动终端 都处于非激活状态 干扰却并没有减少 而在使用了智能天线的系统中 基站的接受方 向图是有方向性的 移动终端在整个小区中始终处于受跟踪状态 并且能量仅指向小区 内处于激活状态的移动终端 对接受方向以外的干扰有强的抑制 这对于 CDMA 系统来 说 就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性 导致至少将 CDMA 系统容 量增加一倍以上的可能性 改进了小区的覆盖 对使用普通天线的无线基站 其小区的覆盖完全由天线了辐射 方向图确定 天线的辐射方向图形是可以根据需要设计的 但是现场安装后 除非更换 天线 其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的 但智能天线阵的辐射方向图形则是 完全可以用软件控制 在网络覆盖需要调整或者由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等 情况下 均可能非常简单的通过软件来优化 降低了无线基站的成本 由于智能天线的使用 可以采用多个小功率的线性功率放 大器来代替单一的大功率线性功率放大器 由于线性功率放大器的价格与功率值不成线 性关系 因而大大降低了基站成本 基于智能天线的单小区定位 无需 GPS 只需一个 小区参与定位 是最经济的定位方式 2 1 2 多用户检测多用户检测 联合检测概念 在 3G 蜂窝移动通信中 由于在同一个小区间 同时通信的用户不是 一个而是多个 在码分多址中多个用户均占用同一时隙 同一频隙 所不同的是选取的 地址码不一样 而实际选用的地址码间的互相关函数又不可能全部达到理想状态的全为 零 因而造成了多个用户同时通信时 必然要产生多址干扰 MAI 在 TD SCDMA 系 统中 应用联合检测技术来消除多址干扰带来的负面影响 联合检测技术在上下行中都 能做到 并且在下行中更加容易做到 联合检测技术是多用户检测技术中一种 多用户检测技术是信息论并通过严格的理 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 7 论分析后提出的一种新型抗多址技术 而且通过多用户检测技术可以实现一箭三雕的作 用 既可以抗多址干扰 又可以抵抗远近效应和多径干扰 联合检测技术充分利用扩频 码的已知结构信息 在通常的码分多址 CDMA 中 都将多径干扰与多址干扰看做等效白 噪声的无用信息来处理 这是一种消极的处理方法 然而实际上不论多径干扰还是多址 干扰 本质上并不是纯粹无用的白噪声 而是有着强烈结构性的伪随机序列信号 而且 用户间与各条路径间的相关函数都是已知的 因此完全可以利用这些伪随机序列的已知 结构信息和统计信息来进一步消除它所带来的负面影响 以达到提高系统性能的目的 联合检测优势 随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高 联合检测技术的优 势也会越来越显著 主要的优势如下 降低干扰 联合检测技术的使用可以降低 ISI 符号间干扰 与 MAI 多址干扰 扩大容量 联合检测技术充分利用了 MAI 的所有用户信息 使得在相同目标误码率 的前提下 所需的接收信号信噪比可以大大降低 这样就大大提高了接收机性能并增加 了系统容量 削弱 远近效应 的影响 由于联合检测技术能完全消除 MAI 干扰 因此产生的噪声 量将与干扰信号的接收功率无关 从而大大减少 远近效应 对信号接收的影响 降低功控的要求 由于联合检测技术可以削弱 远近效应 的影响 从而降低对功控模 块的要求 简化功率控制系统的设计 通过检测 功率控制的复杂性可降低到类似于 GSM 的常规无线移动系统的水平 2 1 3 接力切换接力切换 接力切换的概念 在 TD SCDMA 系统中 移动台的精确定位应用了智能天线技术 首先 基站 Node B 利用天线阵估计用户终端 UE 的 DOA 用户终端的方位 然后通过 信号的往还时延 确定 UE 到 Node B 的距离 这样 通过 UE 的方向 DOA 和基站与 UE 间的距离信息 基站可以确知 UE 的位置信息 如果来自一个基站的信息不够 可以让几 个基站同时监测 并进行定位 这为接力切换奠定了基础 正是由于 TD SCDMA 系统采用了智能天线以及两个基站对终端进行定位 具有对终 端精确定位的功能 所以能够实现更有效的越区切换 接力切换 在接力切换的过程 中 同频小区之间的两个小区的基站都将接收同一个终端的信号 并对其定位 将确定 可能切换区域的定位结果向基站控制器报告 完成向目标基站的切换 克服了 软切换 浪 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 8 费信道资源的缺点 接力切换不仅具有上述的 软切换 功能 而且可以使用在不同载波频 率的 TD SCDMA 基站之间 实现不丢失信息 不中断通信的理想的越区切换 在一般情 况下 接力切换 与 软切换 相比较 能够使系统容量增加一倍以上 接力切换属于 TD SCDMA 系统内切换 是 TD SCDMA 移动通信系统的核心技术之 一 接力切换使用上行预同步技术 在切换过程中 UE 从源小区接收下行数据 向目标 小区发送上行数据 即上下行通信链路先后转移到目标小区 接力切换充分利用系统特 殊的帧结构设计和 TD SCDMA 系统上行同步的特征 通过开环同步保持实现上行预同步 过程 这样就可以使 UE 在接入目标小区时 能够快速地完成上行同步过程 这也意味着 切换所需要的执行时间短 上行预同步技术就是在移动台在与源小区通信保持不变的情 况下与目标小区建立起开环同步关系 提前获取切换后的上行信道发送时间和功率 从 而达到减少切换时间 提高切换成功率 降低切换掉话率的目的 接力切换的优势 接力切换相对于软切换和硬切换有较明显的优势 在本论文的后面 章节将会具体介绍和分析 在本小节中只简单地归纳了接力切换的优势 它的优势如下 切换成功率高 缩短切换时延 信道利用率高 较低的掉话率 较小的上行干扰 2 2 TD LTE 产业的发展现状和趋势产业的发展现状和趋势 从2008年开始 LTE加快了标准制定和产业化工作 并得到设备商和运营商的广泛支 持 2009年则是TeliaSonera Elisa和DNA分配了LTE频谱 2009年6月 日本总务省发布 了关于批准3 9G移动通信系统的基站建设方案的通知 将1 500MHz和1 700MHz频段 LTE走向高速发展的一年 LTE市场将进入高速的发展的频率分配给四家运营商 丹麦科 学技术创新部年中期 从2008年底开始 全球陆续有多个国家和地区为运营商分配了LTE 的频率 2009年3月芬兰为宣布计划拍卖2 5GHz频带的频谱用于无线宽带服务 拍卖的频 段分别为2500MHz 2690MHz的190MHz和201 0MHz 2025MHz的1 5MHz等等 由于移 动宽带业务呈井喷式增长 运营商面临激 烈的市场竞争压力 但全球仍有超过20家运营商公布了自己的LTE部署计划 包括 NTT DoCoMo Telstra TeliaSonera Verizon Vodafone AT T等 但大部分运营商受 经济危机影响 随后在2009年宣布推迟LTE的部署计划 截至2009年底 全球共有9个运 营商完成了LTE测试 2 0 0 9年1 2月中旬 北欧最大的电信运营商TeliaSonera宣布 正式在瑞典和挪威两国 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 9 首都推出基于LTE技术的移动网络服务 并推出全球首家LTE商用服务TeliaSonera的LTE 移动网络服务将覆盖斯德哥尔摩和奥斯陆的市中心区域 在LTE移动网络下 除手机上网 外 用户还可通过笔记本电脑完成一些需要更快传输速率和更高传输性能的任务 作为 第一个商用LTE网络 其覆盖范围仅限于挪威和瑞典两国首都的中心地带 其中在斯德哥 尔摩覆盖的人口仅有40万 2009年 电信设备厂商也都把研发资源向LTE相关产品倾斜 中兴和华为均推出基于多制式基站的LTE商用产品 NEC将研发精力投向LTE网络及终端 产品 大唐则与爱立信在LTE领域展开合作 重点研发LTE TDD技术 并预计TDD LTE系统将于201 0 201 2年之间推出 并可实现热点地区覆盖 总的看来 LTE的设备 链已经为LTE的商用做了较为充足的准备 作为TD SCDMA的演进技术 TD LTE一方面继承了TD SCDMA智能天线 特殊 时隙等的核心专利 另一方面 由于中国企业在国际标准组织中的实力不断增强 且参 与LTE的研发工作较早 从而在一些3G时代并不占据优势的技术领域获得了新的专利 因此 总体看来 TD LTE有望实现中国自主专利整体比重的进一步提升 2009年2月 TD LTE的高成本相关接入和射频标准化都已完成 至1J2009年年底 TD LTE的相关 标准 包括终端 制定已经基本完成 开始向下一步的演进技术出击 2009年10月 是国际 电联提交lMT Advanced的截止时间 我国提交了TD LTE Advanced标准 国际电联后续将对候选技术进行评估 预计最终 的标准将在201 1年完成 LTE Advanced是LTE的演进与增强 LTE Advanced与LTE强 兼容 其采用载波聚合 增强下行MIMO 分布式天线 CoMP 上行MIMO Relay等关 键技术提升性能 作为TD网络的经营者 中国移动在推动TD LTE产业发展上不遗余力 在2009年2月的巴塞罗那世界移动通信大会上 中国移动总裁王建宙力促LTE TDD和 FDDLTE融合 而这一呼吁也得到了包括运营商沃达丰 Verizon 芯片制造商高通 设 备制造商爱立信 诺基亚西f3 7 阿尔卡特朗讯等多家企业的响应 中国移动LTE的部署 计划已经非常详细而且目标明确 在2009年底前 中国移动已经完成了多次LTE的概念证 实试验 并将于2010年上海世博会建设覆盖全园区TD LTE演示网络 向全球展示中国 自主创新技术的最新成果 推动其国际化发展 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 10 第三章第三章 TD LTE 关键技术理论关键技术理论 3 1 TD LTE 的关键技术的关键技术 3 1 1 基本的传输技术和多址技术基本的传输技术和多址技术 OFDM是公认的宽带无线通信的首选技术 虽然有个别公司仍试图坚持用CDMA技术 但绝大部分公司为了提高LTE在新兴的宽带无线接入市场的竞争力 为摆脱Qualcom的 CDMA专利制约 很早就在采用OFDM作为下行核心技术这一点上达成了共识 3GPP在 选择OFDM作为物理层基本传输技术的同时 在对OFDM的具体实现上还存在分歧 一部 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 11 分公司认为上行的峰均比较大 对终端的寿命和耗电量的需求很高 由此建议上行采用 低峰均比的单载波技术 另一部分公司则认为在上行也可采用滤波 循环削峰等方法有 效降低OFDM峰均比 LTE上行的要求与下行不同 上行终端功率消耗是关键因素 高 PAPR 功率峰均比 Peakto Average Power Ratio 和相对低效率的OFDMA技术难以满足 需求 SC FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access 单载波频分多址 相对于OFDMA 发送和接收机简单 能提供同样的多径保护 最重要的是它的波形本质 上是单载波 PAPR低 最后 3GPP选用SC FDMA技术作为LTE上行传输技术 选用 OFDMA技术作为LTE下行传输技术 3 1 2 物理层技术物理层技术 OFDM技术是LTE系统的技术基础与主要特点 与传统的多载波调制相比 OFDM调 制的各个子载波间可相互重叠 并且能够保持各个子载波之间的正交性 OFDM技术有效 地提高了频谱效率 同时通过添加循环前缀 能够克服多径时延带来的符号间干扰 OFDM技术通过将宽带信道划分为多个窄带的子载波 子载波宽度小于信道相干带宽 可以较为有效地对抗信道的频率选择性衰落 有利于简化信道估计 并且不需要复杂的信 道均衡 特别适合5MHz以上的宽带移动通信系统 OFDM系统参数设定对整个系统的性 能会产生决定性的影响 其中载波间隔又是OFDM系统的最基本参数 3GPP经过理论分析 与仿真比较最终确定为15kHz 上下行的最小资源块为375kHz 即25个子载波宽度 循环 前缀 CP Cyclic Prefix 的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力 长CP利于 克服多径干扰 支持大范围覆盖 但系统开销也会相应增加 导致数据传输能力下降为了 达到小区半径100km的覆盖要求 LTE系统采用长短两套CP方案 根据具体场景进行选择 短CP方案为基本选项 长CP方案用于支持LTE大范围小区覆盖和多小区广播业务 SC FDMA技术是一种单载波多用户接入技术 它的实现比OFDM OFDMA 简单 性 能也逊于OFDM OFDMA相对于OFDM OFDMA SC FDMA具有较低的PAPR 发射机效 率较高 能提高小区边缘的网络性能 SC FDMA有两种子载波映射方式 集中式和离散 式 集中式每用户在频域集中传输 传输带宽是可变的 离散式每用户分配在频域 采用 IFDMA方式 根据IFDMA的循环因数 子载波数量是可变的 MIMO作为提高系统输率的最主要手段 也受到了广泛关注 由于OFDM的子载波衰 落情况相对平坦 十分适合与MIMO技术相结合 提高系统性能 MIMO系统在发射端和 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 12 接收端均采用多天线 或阵列天线 和多通道 多天线接收机利用空时编码处理能够分 开并解码数据子流 从而实现最佳的处理 若各发射接收天线间的通道响应独立 则多 入多出系统可以创造多个并行空间信道 通过这些并行空间信道独立地传输信息 数据 速率必然可以提高 MIMO将多径无线信道与发射 接收视为一个整体进行优化 从而实 现高的通信容量和频谱利用率 这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处 理 当功率和带宽固定时 多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而 线性增加 而在同样条件下 在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线 系统 其容量仅随天线数的对数增加而增加 3GPP确定LTE MIMO天线个数的配置为下 行4 2 2 2 1 2 1 1 上行1 2 1 1 下行方向MIMO方案相对较多 LTE MIMO下 行方案可分为两大类 发射分集和空间复用两大类 目前 考虑采用的发射分集方案包 括块状编码传送分集 时间 频率 转换发射分集 包括循环延迟分集在内的延迟分集 作为广播信道的基本方案 基于预编码向量选择的预编码技术 其中预编码技术已 被确定为多用户MIMO场景的传送方案 高阶调制技术 TD LTE 在下行方向采用 QPSK 16QAM 和 64QAM 在上行方向采 用 QPSK 和 16QAM 高峰值传送速率是 LTE 下行链路需要解决的主要问题 为了实现系 统下行 100Mb s 峰值速率的目标 在 3G 原有的 QPSK 16QAM 基础上 LTE 系统增加 了 64QAM 高阶调制 64QAM 的频谱利用率高 但是其归一化比特信噪比与 QPSK 相比 降低了很多 即频谱利用率的提高是在牺牲信噪比和可靠性的前提下获得的 采用 64QAM 从信道利用率的角度看 可以将信道利用率提高 60 在以高速数据传输为主要 目的 LTE 中 是一个很好的解决方案 不过 64QAM 频谱利用率的提高势必要损失一些 抗干扰能力 为达到相同的误码性能需要增加归一化信噪比 设备复杂性和设备成本有 所增加 TD LTE 在上行方向采用 QPSK 和 16QAM 3 1 3 无线帧结构无线帧结构 TD LTE 帧结构以我国提出的 Type2 帧结构为基础 即单时隙长度为 0 5ms 的融合型 帧结构 TD LTE 每个无线帧包括两个半帧 每个半帧长度为 5ms 每个半帧由 8 个长度 为 0 5ms 的时隙和 3 个特殊时隙 DwPTS GP 和 UpPTS 组成 3 个特殊时隙总长度为 1ms 每两个时隙组成一个子帧 子帧 1 和 6 承载 DwPTS GP 和 UpPTS 子帧 0 和 5 指定用于下行传送 TD LTE 支持 5ms 和 10ms 周期的周期转换点 在 5ms 转换周期中 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 13 UpPTS 子帧 2 7 指定用于上行 在 10ms 切换周期中 DwPTS 存在于两个半帧中 但是 GP 和 UpPTS 仅在第一个半帧中 第二个半帧中的 DwPTS 时长 1ms UpPTS 和子 帧 2 指定用于上行 子帧 7 9 指定用于下行 同 R4 TD SCDMA 相比 TD LTE 的帧 结构有一些变化 在同样的 5ms 帧周期内 如图 2 所示 TD LTE帧中 子帧的时长为1ms DwPTS GP UpPTS比R4中的时长定义要长 TD LTE中DwPTS GP UpPTS总时长为1ms 而在R4中三者总时长为275us 此外 两 种帧结构分别定义了指定传输方向的时隙 从两者的时隙对比上看 两种帧结构难以在 同频网络中共存 在帧头同步前提下 TD LTE中子帧0 是下行 它会同R4中的上行 UpPTS冲突 R4中上行的TS1同LTE中的下行的DwPTS冲突 因此 引入TD LTE后 它 同R4 TDSCDMA网络需异频 两者的频率隔离需满足隔离要求 3 1 4 网络结构网络结构 3GPP LTE 接入网在有效支持新的物理层传输技术的同时 还需要满足低时延 低复 杂度 低成本的要求 原有的网络结构已无法满足要求 需要进行调整与演进 3GPP 确 定 E UTRAN 接入网主要由演进型 eNodeB eNB 和接入网关 aGW 构成 如图 3 所 示 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 14 E UTRAN与UTRAN相比 去掉了RNC 而只是由若干个eNodeB组成 RNC功能被 分散到了eNodeB和接入网关 aGW 中 eNodeB之间通过X2接口采用网格 mesh 方 式互连 aGW可以看作是一个边界节点 作为核心网的一部分 eNodeB与aGW之间的接 口称为S1接口 eNodeB通过S1接口与EPC Evolved Packet Core 演进型分组核心 连接 S1接口支持多对多的aGW和eNodeB连接关系 这种结构类似于典型的IP宽带网络结构 采用两层扁平网络架构 支持IMS VoIP SIP Mobile IP等各种先进技术 通过与R6版 本的比较 可以看出LTE网络结构极大降低了系统复杂性 系统内部相应的交互操作随之 减少 系统时延可以明显降低 eNodeB由R6阶段的Node BRNC演进而来 在NodeB 原有 功能基础上 增加了R N C 的物理层 M A C 层 RRC 调度 接入控制 承载控制 移动性管理和相邻小区无线资源管理等功能 提供相当于原来的RLC MAC PHY以及RRC 层的功能 a G W 因为包含了原S G S N 功能 还是归属为S A E System Architecture Evolution 系统架构演进 的边界节点 但与E UTRAN相关的部分用户面和控制面的功 能在LTE中定义 aGW的功能包括 发起寻呼 空闲状态下UE信息管理 移动性管理 用户面加密处理 PDCP PacketData Convergence Protocol 分组数据压缩协议 SAE 承载控制 NAS信令的加密和完整性保护 3 1 5 空中接口空中接口 TD LTE中 E UTRAN的协议结构主要从整体上进行了简化 1 缩减了上下行物理信道和传输信道数量 上下行信道映射见表1 2 使用共享信道承载用户的控制信令和业务数据 取代了R6中的DCH FACH HS DSCH和E DCH信道 减少传输信道个数 使多个用户共享空中接口的资源 3 减少了MAC层实体个数 4 使用MBMS代替BMC层广播媒体控制层以及公共业务信道 5 删除了下行宏分集 6 简化了无线资源控制 RRC 状态 删除了CELL FACH态 将UTMS中的RRC状 态和PMM状态合并为一个状集 7 在eNode B中只保留RRC ACTIVE状态的UE上下文 合并原先的 CELL DCH CELL FACH CELL PCH和URA PCH多种状态 结构简化的后E UTRAN 控制平面 用户平面的响应时间更短 降低了业务的延时 业务QoS水平得到 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 15 提高 3 2 TD LTE 容量特性和干扰因素容量特性和干扰因素 TD LTE 采用了全新的OFDM 和MIMO 技术 在容量规划方面表现得更加复杂 并 且缺乏实际的网络部署经验 为更快地推动TD LTE 的技术研究与商用进程 当前亟需 我们在标准完善与设备开发阶段就对TD LTE 容量规划技术进行研究 为将来TD LTE 的实际组网提供理论指导 任何移动通信系统的革新 其最终目的是为用户提供更优质的服务 其中包括不 断提升的语音质量和日益增长的用户带宽 作为新一代的移动通信技TD LTE 支持1 4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz 带宽的灵活配置 运营商可以根据 实际拥有的频谱资源进行频率规划 为了能够承载更多的语音业务并提高上下行分组的数 据速率 减少时延 在频谱资源允许的情况下 建议采用10 MHz 20 MHz 的大带宽进 行实际组网部署 除了频率规划上的革新 TD LTE 系统采用了OFDMA 和MIMO 等新 技术 OFDMA 技术具有抗多径干扰 便于支持不同带宽 频谱利用率高 支持高效自 适应调度等优点 MIMO 技术利用多天线系统的空间信道特性 能同时传输多个数据流 实现了空间复用 有效提高了数据速率和频谱效率 TD LTE 同时结合混合自动请求重 传 HARQ 自适应调制编码 AMC 动态调度等业界成熟应用的算法 给未来的 移动用户提供更高速的上下行分组数据传输 为了能获得更高的频率利用率 TD LTE 在支持大带宽同频组网的基础上 更充分利用小区间干扰协调 ICIC 算法的特性 降 低边缘用户的干扰 以提升网络的整体容量 在容量特性方面 TD LTE 是 完全自适应 的系统 这一点与GSM 和TD SCDMA 的容量规划有显著不同 即便是同样采用了 AMC 机制的HSDPA 以及HSUPA 由于承袭于资源准静态配置的TD SCDMA 系统 其AMC 的代价是更为复杂的控制信道设置 而TD LTE 的自适应调制编码方式 使得网 络能够根据信道质量的实时检测反馈 动态调整用户数据的编码方式以及占用的资源 从系统上做到性能最优 因此 TD LTE 并不是一个给定信噪比门限就能准确估算整体 容量的系统 TD LTE 的用户吞吐量取决于用户所处环境的无线信道质量 而小区吞吐量 取决于小区整体的信道环境 在运营方面 TD LTE 的容量规划具备天然的适应性 OFDMA 技术的使用 使得TD LTE 能够更方便地针对可用频率带宽的不同 支持灵活 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 16 载波带宽设置 而且 TD LTE 采取TDD 时分双工 的双工方式 可使用非对称的频 谱资源 并且可以根据某地区上下行业务的不同比例 灵活配置上下行时隙配比 以提 高资源的利用率 这两项TD LTE 具备的重要特性 使得运营商可以不依赖频率资源的 分配 灵活部署TD LTE 网络 TD LTE 系统的容量由各个方面的因素决定 首先是固定的配置和算法的性能 包 括单扇区频点的带宽 发射机功率 网络结构 天线技术 小区覆盖半径 频率资源调 度方案 小区间干扰协调算法等 其次 由于在资源的分配和调制编码方式的选择上 TD LTE 是完全动态的系统 实际网络整体的信道环境和链路质量 对TD LTE 的容量 也有着至关重要的影响 从TD LTE 系统的特点看 对天线技术的应用开辟了全新的领 域 同时由于不可避免地要涉及同频组网问题 同频干扰的消除技术也显得尤为重要 下面对天线技术和干扰消除算法这两个主要影响TD LTE 容量特性 同时也是有别于其 他系统的因素展开论述 移动通信系统的干扰是影响无线网络接入 容量等系统指标的重要因素之一 它不 仅影响了网络的正常运行 还影响了用户的使用质量 是导致网络异常或性能降低的主 要原因之一 因此 干扰问题是网络规划必须重点关注的问题 同时也是网络优化工作 的重点 TD LTE 系统由于OFDMA 的特性 本小区内的用户信息承载在相互正交的不 同子载波和时域符号资源上 因此可以认为小区内不同用户间的干扰很小 系统内的干 扰主要来自于同频的其他小区 同时由上文的分析可知 TD LTE 可用载波较少 若初 期仅获得20 MHz 频带 很可能会面临同频组网的干扰问题 这进一步加剧了同频小区 之间的干扰 对于小区中心用户 离基站的距离较近 而同频其他小区的干扰信号距离 又较远 则小区中心用户的信噪比相对较大 对于小区边缘用户 由于相邻小区占用同 样载波资源的用户对其干扰较大 加之本身距基站较远 其信噪比相对就较小 导致小 区边缘的用户吞吐量较低 因此需要采用可靠的干扰抑制技术 才能有效地保证系统整 体尤其是边缘用户的吞吐量性能 目前TD LTE 的干扰消除或避免技术业界提的比较多 综合来看有如下几种 1 干扰随机化跳频 上行采用跳频 下行采用集中式和分布式子载波分配方式 进行频率选择性衰落的 避免 使得干扰随机化 加扰 HARQ 等 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 17 2 干扰避免 ICIC 小区间干扰协调技术分为静态ICIC 准静态ICIC 和动态ICIC 三类 ICIC 在一定程度上都会使得系统的频率复用因子大于1 系统在任何一个瞬时都并非是完全 的同频复用 波束赋形 提高期望用户的信号强度 同时降低信号对其他用户的干扰 动态调度算法 根据用户信道条件 动态调度其使用信道质量较好的系统资源 采 用合理的调制编码方式 达到性能的最优 动态调度算法从实质上看 同样可以避免一 定的网络干扰 3 干扰抑制 上行功控 上行功控分为小区间功控和小区内功控两类 小区间功控是指通过告知 其他小区本小区IoT 信息 控制本小区IoT 的方法 但是目前对于小区间功控未作设备要 求 小区内功控的作用是补偿本小区上行路损和阴影衰落 节省终端的发射功率 尽量 降低对其他小区的干扰 使得IoT 保持在一定的水平之下 多天线分集接收算法 最大比合并 MRC 干扰抵消 合并 IRC 第四章第四章 TD LTE 与与 TD SCDMA 帧结构的比较帧结构的比较 4 1 TD SCDMA 帧结构帧结构 TD SCDMA 物理信道用4 层结构 超帧 无线帧 子帧和时隙 码 一个超帧长 720ms 由72 个无线帧组成 每个无线帧长10ms TD SCDMA 将每个无线帧分为两个 5ms 的子帧 每个子帧由长度675 s的7 个主时隙和3 个特殊时隙组成 3 个特殊时隙分 别是下行导频时隙 DwPTS 75 s 上行导频时隙 UpPTS 125 s 和保护时隙 Gp 75 s 构成 在这7 个主时隙中 Ts0 总是分配给下行链路 而Ts1 总是分配给 上行链路 其他时隙可作为上行链路的时隙 也可以作为下行链路的时隙 上行链路的 时隙和下行链的时隙之间由一个转换点分开 在TD SCDMA系统的每个5ms 的帧中 有 两个转换点 UL 到DL 和DL 到UL 转换点的位置取决于小区上 下行时隙的配置 这种灵活的配置方案 特别适合不对称业务的传输 一个突发的持续时间就是一个时隙 主时隙突发结构由两个数据符号域 一个144chip 的Midamble 码 L1 控制信息和16chip 的保护域组成 总共长864chip 数据区共704chip 长 数据域中每个比特用QPSK 调制 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 18 扩频系数为116 Midamble 码是作为训练序列 供多用户检测 联合检测或干扰抵消 时信道估计使用 下行导频时隙 DwPTS 由64bit 正交码组成 它是无线基站 小区 的导频信号 也是下行同步的信号 而上行导频时隙 UpPTS 由128 比特正交码组成 它是用户终端 小区 的导频信号 主要用做上行同步 保护时隙 Gp 用于保护和区 分上 下行时隙 使距离较远的终端能实现上行同步 在TD SCDMA 系统中 此时隙的 宽度保证了小区的最大半径可能达到10km 以上 4 2 TD LTE 帧结构帧结构 LTE 支持两种类型的无线帧结构 类型1 适用于FDD 模式 类型2 适用于TDD 模 式 4 2 1 帧结构类型帧结构类型1 帧结构类型1 适用于全双工和半双工的FDD 模式 每一个无线帧长度为10ms 由20 个时隙构成 每一个时隙的长度为T slot 15360 T s 0 5ms 这些时隙分别编号为0 19 一个子帧定义为两个相邻的时隙 其中第i 个子帧由第2i 个和第2i 1 个时隙构 成 对于FDD 在每一个10ms 中 有10 个子帧可以用于下行传输 并且有10 个子帧可 以用于上行传输 上下行传输在频域上进行分开 4 2 2 帧结构类型帧结构类型2 帧结构类型2 适用于TDD 模式 每一个无线帧由两个半帧构成 每一个半帧长度为 5ms 每一个半帧由8 个常规时隙和DwPTS GP 和UpPTS 时隙三个特殊时隙构成 1 个常规时隙的长度为0 5ms DwPTS 和UpPTS 的长度是可配置的 并且要求 DwPTS GP 和UpPTS 的总长度等于1ms 子帧1包含有DwPTS GP 和UpPTS 子帧6 在配置0 1 2和6 中包含有DwPTS GP 和UpPTS 其他子帧包含两个相邻的时隙 子帧0 和5 通常用为下行 LTE 系统采用长短两套CP 方案 短CP CyclicPrefix 和长CP CP 的长度决定了 OFDM 系统的抗多径能力和覆盖能力 河北北方学院毕业论文 理工宣化教学部 19 第五章第五章 TD LTE 发展展望发展展望 5 1 TD LTE 对我国社会发展的影响对我国社会发展的影响 国际上以 LTE 为主流的移动通信网的建设比预期提前几年启动 TD LTE 作为连接 3G 与 4G 之间的桥梁 把握 TD LTE 机遇 尽快制定我国 TD LTE 发展规划 加快其产 业化与国际化进程至关重要 古人十年铸一剑 以期能够一鸣惊人 今天承载国人 4G 期 望的中国移动同样如此 在紧锣密鼓的准备中逐渐发力 冀望最终赢得市场 在未来的 中国移动征途中 4G 无疑将是其中的重中之重 而 TD LTE 作为连接 3G 与 4G 之间的桥 梁 确保其稳健快速增长至关重要 正因为如此 此前工业和信息化部部长苗圩指出 4G 网络大规模商业应用还需要 3 5 年时间 古人十年铸一剑 以期能够一鸣惊人 今天承载国人 4G 期望的中国移动同样如此 在紧锣密鼓的准备中逐渐发力 冀望最终赢得市场 5 2 TD LTE 发展重要意义发展重要意义 大力发展 TD LTE 在当前具有特殊重要的意义 第一 TD LTE 有利于加快科技自主 创新 从 TD SCDMA 开始 中国移动通信产业中的自主创新力量正式崛起 并走出了一 条跨越式发展之路 准 4G 标准的 TD LTE 对构建下一代移动通信市场格局以及鼓励民族 自主创新具有重大的意义 第二 TD LTE 有利于推动经济结构调整 信息通信产业的基 础性和先导性作用将带动与促进其他产业转型 助力中国工业化进程加快推进 TD LTE 作为高科技的新兴战略性产业对经济结构调整意义重大 第三 TD LTE 有利于提升国家 信息安全 TD LTE 是由我国主导的下一代移动通信技术 可