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        FDD LTE與TDD LTE技術對標研究

        2015-07-03 09:42:58楊健李方村
        電信工程技術與標準化 2015年5期
        關鍵詞:子幀時隙頻段

        楊健,李方村

        (中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司,濟南 250001)

        1 前言

        2013年底,工信部下發(fā)了TD-LTE網絡建設的牌照。2014年6約27日,工信部正式批復中國電信和中國聯(lián)通分別在16個城市開展LTE混合組網試驗。FDD與TDD LTE系統(tǒng)有什么差異,差異有多大,是LTE組網中面臨的問題?;诖?,本文從技術層面展開了分析。

        2 FDD與TDD LTE物理層協(xié)議對比

        FDD與TDD LTE具有相同的網絡架構。同UTRAN等前代系統(tǒng)相比最大的區(qū)別在于取消了RNC,eNB與EPC間通過S1接口直接相連,eNB與EPC節(jié)點多對多連接,形成網格網絡,而eNB之間通過X2接口直接相連。

        FDD與TDD LTE內部協(xié)議基本相同,僅在物理層有部分差異,主要差別在雙工方式上。下面分別介紹二者的具體差異。

        2.1 雙工方式

        LTE系統(tǒng)同時定義了頻分雙工(FDD) 和時分雙工(TDD) 兩種方式,如圖1所示。

        圖1 雙工方式

        TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載,其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的,時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺,另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站,基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。

        FDD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送,用保護頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對的頻率,依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路,其單方向的資源在時間上是連續(xù)的。FDD在支持對稱業(yè)務時,能充分利用上下行的頻譜,但在支持非對稱業(yè)務時,頻譜利用率將大大降低。

        2.2 幀結構與同步信號

        FDD LTE系統(tǒng)中,每個無線幀被分為10個子幀,每個子幀包含兩個時隙,每時隙長0.5 ms。上行、下行相同的幀結構。

        TDD LTE系統(tǒng)中,每個10 ms無線幀包括2個長度為5 ms的半幀,每個半幀由4個普通子幀和1個特殊子幀組成。特殊子幀包括3個特殊時隙:下行導頻時隙(DwPTS),保護間隔(GP)和上行導頻時隙(UpPTS),總長度為1ms。

        FDD 與TDD LTE相比,沒有特殊子幀。為了提高頻譜效率,TDD LTE利用特殊時隙傳輸控制信息,但是保護間隔(GP)不傳送任何數據。另外,TDD LTE支持7種子幀配比,以便靈活的支持不同配置的上下行業(yè)務。特殊子幀支持9種配置,用以改變DwPTS,GP和UpPTS的長度。

        同步信號用來使UE實現下行同步,同時識別物理小區(qū)ID(PCI),從而對小區(qū)信號進行解擾。LTE的同步信號周期是5 ms,分為主同步信號PSS和輔同步信號SSS。在TDD和FDD的幀結構中,同步信號的位置是不同的。FDD LTE中,同步信號位于第0號子幀第一個時隙的最后兩個OFDM符號上。TDD LTE系統(tǒng)中,輔同步信號SSS位于第0號子幀最后一個OFDM符號上,而主同步信號位于第1號子幀第三個OFDMA符號上。根據PSS與SSS相對位置的差異,終端可以在小區(qū)搜索時區(qū)分出TDD和FDD系統(tǒng)。

        2.2.1 下行傳輸模式

        3GPP R8 and R9定義了8種下行傳輸模式:

        TM1:單天線端口傳輸,主要應用于單天線傳輸的場合。

        TM2:發(fā)送分集模式,適合于小區(qū)邊緣信道情況復雜,分集能夠提供分集增益。

        TM3:開環(huán)空間復用,只上報RI、CQI,不上報PMI,更加穩(wěn)健,用于高速場景。

        TM4:閉環(huán)空間復用,適合于信道條件較好的場合,用于提供高的數據率傳輸。

        TM5:MU-MIMO傳輸模式,主要用來提高小區(qū)的上行容量。

        TM6:Rank1的傳輸,主要適合于小區(qū)邊緣的情況。

        TM7:單流Beamforming模式,主要適于小區(qū)邊緣,能夠有效對抗干擾。

        TM8:雙流Beamforming模式。

        FDD LTE系統(tǒng)因不支持BF,所以適用模式為TM1-6。TDD LTE系統(tǒng)支持全部傳輸模式。

        2.2.2 隨機接入前導格式

        UE通過上行PRACH來達到與LTE系統(tǒng)之間的上行接入和同步。如圖2所示, 為了適應不同的小區(qū)大小,LTE系統(tǒng)中的PRACH定義了5種類型。FDD支持格式0~3,TDD支持全部格式,其中:格式4隨機接入序列長度較短,可以在特殊時隙的UpPTS中進行發(fā)送,以提高頻譜利用率。

        3 FDD與TDD LTE網絡性能對比

        3.1 時延對比

        如圖3所示,TDD LTE系統(tǒng)的時分雙工模式以及子幀配比使得某些信息反饋的延時大于FDD LTE相應的延時,因此TDD LTE的RTT(Round-Trip Time)比FDD LTE略大。

        3.2 頻譜效率對比

        由于TDD LTE中保護間隔GP,不能傳送數據,因此TDD LTE的頻譜效率比FDD LTE略低。特別是提供廣覆蓋的時候,使用長CP,對頻譜資源造成了浪費。

        圖2 PRACH格式

        圖3 FDD與TDD LTE時延對比

        圖4給出了FDD與TDD LTE的仿真結果,其中:FDD LTE系統(tǒng)帶寬為上、下行各10 MHz,TDD LTE上下行共10 MHz帶寬,DL:UL=2:2,特殊子幀10:2:2。

        3.2.1 覆蓋能力對比

        以正在進行的FDD LTE試驗網與移動D頻段TDLTE進行對比,因頻段差異,所以覆蓋能力有所差異。

        傳播模型采用COST231-Hata模型:

        PL(dB)=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+(44.9-6.55×lgH)×lgD+C

        其中:PL:路徑損耗;

        F:頻率,單位MHz(1 500~2 000 MHz);

        D:距離,單位km;

        H:基站天線有效高度,單位m;

        C:環(huán)境校正因子,取值:密集城區(qū)-2 dB,城區(qū)-5 dB,郊區(qū)-8 dB,農村-10 dB,開闊地-26 dB。

        天線有效掛高均為30 m,未考慮天線增益差異,2.6 GHz一般城區(qū)室外電平門限-101 dBm,郊區(qū)農村-103 dBm;1 865 MHz一般城區(qū)室外電平-103 dBm,郊區(qū)農村-105 dBm。經鏈路預算,2.6 GHz一般城區(qū)覆蓋半徑約359 m,郊區(qū)農村覆蓋半徑534 m;1 865 MHz一般城區(qū)覆蓋半徑561 m,郊區(qū)農村覆蓋半徑834 m。表2為F頻段FDD LTE與D頻段TDD LTE鏈路預算對比。

        3.2.2 承載速率對比

        LTE系統(tǒng)的速率受到多個因素的影響,如:系統(tǒng)帶寬、信道環(huán)境、終端能力、是否考慮MIMO等。本文在FDD LTE帶寬10 MHz(上下行各10 MHz)、15 MHz(上下行各15 MHz),TDD LTE帶寬20 MHz(上下行總帶寬20 MHz)情況下,考慮MIMO,調制方式64QAM,TD-LTE子幀配比1:3,特殊子幀考慮傳送業(yè)務的前提下,計算FDD與TDD LTE系統(tǒng)的下行理論峰值速率,如下:

        20 MHz TD-LTE理論下行峰值速率為110 Mbit/s;

        15 MHz FDD LTE理論下行峰值速率近120 Mbit/s;

        10 MHz FDD LTE理論下行峰值速率約80 Mbit/s。

        圖4 FDD與TDD LTE頻譜效率對比

        表1 F頻段FDD LTE與D頻段TDD LTE鏈路預算對比

        從上述計算結果可以看出,20 MHz TDD LTE的下行峰值速率略低于15 MHz FDD LTE系統(tǒng),但遠高于10 MHz(上下行共計20 MHz)FDD LTE系統(tǒng)的速率。

        3.2.3 組網方式對比

        FDD LTE系統(tǒng)只有頻率規(guī)劃,結合ICIC完成網絡規(guī)劃。TDD LTE系統(tǒng)除了頻率規(guī)劃外還需進行時隙規(guī)劃,頻率規(guī)劃結合ICIC完成,時隙規(guī)劃根據業(yè)務分布、干擾隔離等方面在組網中進行考慮。同頻段的TDD LTE系統(tǒng)時隙規(guī)劃必須一致,必須具有相同的子幀配置和特殊時隙配置。否則,基站之間會產生交叉時隙干擾。

        另外,FDD LTE系統(tǒng)使用普通的2通道天線,TDD LTE系統(tǒng)使用8通道智能天線。非智能天線和智能天線相比,天線增益大2~3 dB,天線體積小,成本低,但沒有波束賦形功能。

        4 小結

        通過對FDD與TDD LTE系統(tǒng)在物理層協(xié)議、網絡性能等方面的對比,發(fā)現二者在技術上高度統(tǒng)一,實現全面融合已具備條件,且目前運營商已陸續(xù)建設FDD/TDD LTE融合網絡。

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