TD-LTE与LTEFDD混合组网策略探讨(上)

TD-LTE与LTEFDD混合组网策略探讨(上)

摘要：着重对比分析了TD-LTE和LTEFDD技术的不同之处和特点。基于对技术原理的讨论分析和实际组网的特性，对TD-LTE和LTEFDD混合组网的频率、天线、时隙、覆盖、容量、干扰等方面问题进行分析，给出混合组网相关策略。关键词：TD-LTE，LTEFDD，组网策略目前，LTE已逐步在世界范围内进行了试验和商用。LTE基于正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)技术的高速率传输，可承载更丰富的移动互联网业务。LTE的发展引起电信行业的广泛关注。LTE基于不同的双工方式演进出两种版本系统，即TD-LTE与LTEFDD。TD-LTE基于不同的时隙实现上下行通信；LTEFDD分别在两个不同的频带实现上行和下行通信。由于在未来的网络中，存在TD-LTE和LTEFDD双网共存的场景，这两种LTE系统的频率、天线、时隙、覆盖、容量、干扰等方面存在着技术共性和个性。本文从TD-LTE和LTEFDD两种技术的原理出发，对其共性和个性进行对比分析，给出两种系统混合组网在各个技术点的相应策略，给TD-LTE和LTEFDD混合组网提供了有效的建设指导意见。1LTE技术原理及对比分析1.1LTE系统网络架构LTE对传统3G的网络架构进行了优化，区别于以往3G，其采用扁平化的网络结构，接入网仅包含NodeB，不再有无线网络控制器(RNC)。LTE网络架构如图1所示，由核心网、基站和用户设备3部分组成。其中，EPC(EvolvedPacketCore)为演进分组核心网，EPC信令处理部分称为移动新管理设备(MME)，数据处理部分称为网关(Gateway，这里是S-GW)；eNodeB负责接入网部分，也称E-UTRAN；UE指用户终端设备。

图1LTE网络架构在LTE的网络架构层面，TD-LTE与FDDLTE没有本质区别，两种制式共用相同的网络架构。表1TD-LTE/LTEFDD传输参数系统带宽MHz1.435101520时隙长度0.5ms子载波间隔15kHz采样频率(MHz)1.923.847.6815.323.0430.7FFT点数128256512102415362048子载波数721803006009001200PRB个数615255075100每时隙OFDM符号数7/6CP长度μs常规(4.69)×6，(5.21)×1扩展(16.67)×61.2无线侧基本原理对比1.2.1基本传输方式LTE采用了与3G不同的空中接口技术，采用基于OFDM技术的空中接口设计。TDLTE和LTEFDD均选择了基于正交频分的多址接入方式(OFDMA)作为其上下行多址技术。TD-LTE与FDDLTE规定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，这保证了使用不同频谱资源用户间的正交性。表1给出了基于LTE传输的不同带宽的基本参数。1.2.2双工方式FDD双工方式在相异的频带上分别传输上行和下行信号。基于TDD双工方式的技术不同于FDD，其利用时隙作为正交资源，在相同频带的不同时隙上分别传输上行和下行信号，上下行时隙具有可配置的切换点，其主要有以下四个特点：频谱配置灵活，利用率高；灵活地上下行资源比例配置，更有效地支持非对称的IP分组业务；利用信道对称性特点，提升系统性能；TDD双工方式要求全网同步，在小区间干扰协调、多点协作等技术应用上更为容易。然而TDD双工方式现阶段也存在一些应用问题，主要表现如下。(1)相对于FDD系统，TDD的系统内干扰更为复杂。除了与FDD系统中相同的下行干扰下行、上行干扰上行的干扰类型外，由于各小区可能存在的不同的上下行时隙配置，还可能存在上行干扰下行、下行干扰上行的复杂干扰场景。为此，TDD系统需通过全网同步，在相邻小区间尽可能规划采用相同上下行时隙比例配置，加大上下行时隙保护间隔，及采用一些工程手段等方式来解决。(2)TDD双工系统对系统同步要求更为严格。TDD系统设备需满足严格的时间同步，上下行时隙对齐来实现TDD的双工方式。(3)TDD系统由于上下行信号发送通过时分方式进行区分，在信号传输过程中，存在着一定的传输时延。1.2.3帧结构帧结构是指无线帧的结构，通过帧结构的定义，约束了数据的发送时间参数以保证收发的正确执行。LTEFDD使用图2所示帧结构，一个无线帧为10ms，包含10个子帧，每个子帧由两个时隙组成，每一个时隙的长度为0.5ms。上行和下行在一个无线帧分别有20个时隙进行传输。图2LTEFDD帧结构TD-LTE为了与TD-SCDMA保持良好的演进性，其主要帧结构参考了TD-SCDMA帧结构设计，其帧结构如图3所示。每一个TD-LTE无线帧由两个半帧构成，每一个半帧长度为5ms。每一个半帧又由8个常规时隙和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成。DwPTS和UpPTS长度可配。对应5ms切换点的上下行配置D︰U＝2︰2和配置D︰U＝3︰1两种情况。为保持较好的兼容性，特殊时隙配置选择配置7(DwPTS︰GP︰Up-PTS＝10︰2︰2)和配置5(DwPTS︰GP︰UpPTS＝3︰9︰2)来对应。图3TD-LTE帧结构FDD系统在成对的两个频带进行上下行的传输，上行频段全部配置为上行时隙，下行频段全部配置为下行时隙，上下行之间具有一定的隔离带宽避免系统内的上下行干扰。TDD系统与FDD系统相比，优点是可以更灵活地配置具体的上下行资源比例，以更好地支持不同业务类型。例如，随着互联网等业务的开展，下行数据传输量将远大于上行的情况，如果上下行配置同样多的资源，则很容易导致下行资源受限而上行资源利用率较低的情况。对于TDD系统可以将支持该业务的场景配成下行子帧多于上行子帧的时隙配比关系，提高资源的利用率。其主要问题是不完美的系统同步易导致系统内的上下行互相干扰，将严重影响TD-LTE的系统性能。1.2.4多天线技术多天线技术在LTE系统有充分应用。在下行链路，多天线发送方式包括发送分集、空间复用、多用户MIMO和波束赋形等传输模式；在上行链路，多个用户组成的虚拟MIMO也进一步提高了上行的系统容量。MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，在指定的带宽内由多个发射天线同时刻发射，经过无线信道后，由多个接收天线接收，并根据各个并行数据流的空间特性，利用解调技术，最终恢复出原数据流。3GPP定义了LTE的九种传输模式(表2)。表2LTE的MIMO传输模式MIMO传输模式MIMO方式传输模式1单天线端口，端口0传输模式2发射分集传输模式3开环空间复用传输模式4闭环空间复用传输模式5多用户MIMO传输模式6闭环rank为1预编码传输模式7单天线端口端口5(波束赋形)传输模式8双流传输，端口7、8传输模式98流传输，端口7-14对于LTEFDD来说，目前主要使用模式2、模式3，也可以考虑使用模式4、模式5。对于TD-LTE来说，除了模式2、模式3、模式4和模式5外，因为采用了智能多天线系统，还可以应用波束赋形技术。TD-LTE的R8定义了传输模式7用以支持基于专用导频的波束赋形技术。传输过程中，UE需要通过对专用导频的测量来估计波束赋形后的等效信道，并进行相干检测。对于TDD系统，可以利用上下行信道的互易性，采用EBB或其他波束赋形算法。当瞬时信道特性的互易性难以得到保障时，可以利用DoA等长期统计信息实现波束赋形传输。TD-LTER9系统将波束赋形扩展到了双流传输，实现了波束赋形与空间复用技术的结合。为了支持双流波束赋形，LTER9中定义了新的双端口专用导频(端口7与端口8)，并引入了新的控制信令。传输模式8可以采用非预编码矩阵指示(PMI)或PMI两种反馈方式。表3LTE系统同步时间要求小区类型小区半径同步要求小小区≤3km≤3μs大小区＞3km≤10μs1.2.5同步LTEFDD系统因为上、下行使用不同频段，所以小区间信号不需要严格同步也不会造成上下行互干扰问题。但TDLTE和LTEFDD不同，需要系统在同一频段进行信号收发，如果小区间未保持同步，会出现比较严重的收发互相干扰的问题。因此，TDD网络部署需要小区之间保持子帧边界的精确同步并在同一TDD同步区内配置成相同的上下行配比。目前主要的同步方法包括绝对时间同步、网络同步、终端测量辅助同步、基站间空中接口自同步(表3)。(1)绝对时间同步方法主要是基于卫星同步的方法，典型的如GPS。GPS可以提供一个高精度的同步时钟参考。其优点是可靠性高，但GPS信号不能有效的穿透到室内，必须使用室外天线。(2)网络同步的方法主要是指利用IEEE1588协议进行同步的方法，IEEE1588是一种精确时间同步协议，IEEE1588v2是在IEEE1588基础上进行的优化，正逐步应用于3G/LTE移动通信系统中。采用时间分布机制和时间调度概念，客户端或从属设备可以使用普通振荡器，通过软件调度或主机的时钟保持同步，过程简单可靠，占用带宽少，相比GPS成本低，便于维护。当网络中各通信节点的负载不重和数据包处理时延不是很大时，IEEE1588v2协议能够满足μs级的小区间同步精度，前提是通信路径上所有的中间节点都需要支持加硬件时间戳，具备对路径和时延的测量与校准功能。(3)终端测量辅助的同步方法主要是通过终端测量两个邻小区的时间差来获得定时关系，该方法需要进一步评估终端的影响。(4)基站间空中接口自同步方法的主要思想是基站可以与网络中其他已经同步的基站获得同步，包括两个方面：初始的同步建立以及周期性的同步保持机制。为防止时钟漂移，还需要周期性地进行同步信号的跟踪，执行与初始建立同步类似的过程。以上四种同步方法各有优