［李勇］

TD-LTE與LTE-FDD技術(shù)性能及融合組網(wǎng)建設(shè)策略的研究

［李勇］

LTE 技術(shù)對比 性能分析 融合組網(wǎng)

李勇

工程師，PMP，碩士，2009年畢業(yè)于中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，目前任職于中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司。主要從事無線通信工程規(guī)劃、設(shè)計及咨詢等工作，主要研究方向為無線通信新技術(shù)。

1 引言

LTE（Long Term Evolution，長期演進）作為第四代移動通信技術(shù)（4G）的標準，它改進并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)，包括TDLTE和LTE-FDD兩種制式。LTE-FDD模式是國際通用的的4G技術(shù)，可以從WCDMA制式的3G技術(shù)演進而來，技術(shù)成熟度、終端、產(chǎn)業(yè)鏈具備一定的領(lǐng)先優(yōu)勢；而TDLTE模式4G網(wǎng)絡(luò)是由我們國家主導(dǎo)，已經(jīng)獲得了全球的認可，并在國際上廣泛采用。

2013年12月，工信部正式發(fā)放4G牌照，中國移動、中國電信、中國聯(lián)通均獲得TD-LTE牌照，標志著中國4G時代正式開啟。2015年2月，工信部正式向中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放FDD制式4G牌照，國內(nèi)三家運營商大規(guī)模開展4G業(yè)務(wù)。目前，中國移動已成為全球4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶規(guī)模最大的電信運營商，TD-LTE基站110萬個，覆蓋人口超過12億，與114個國家和地區(qū)開通了4G漫游服務(wù)。短短兩年內(nèi)中國移動4G用戶數(shù)已超過3.4億，用戶滲透率超過40%。預(yù)計2016年中國移動，覆蓋全國97%的人口，4G用戶超過5億戶。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展以及4G網(wǎng)絡(luò)全球范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)，頻率資源不足、容量不足等問題逐漸凸顯，越來越多的運營商開始選擇TD-LTE與LTE-FDD融合組網(wǎng)。本文從TD-LTE與LTE-FDD關(guān)鍵技術(shù)及性能對比入手，結(jié)合中國移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來兩種制式融合組網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)策略。

2 TD-LTE與LTE-FDD技術(shù)分析

作為4G的技術(shù)標準，TD-LTE與LTE-FDD內(nèi)部協(xié)議基本相同，協(xié)議棧只有物理層有5%不同。如兩種制式均支持1.4M、3M、5M、10M、15M、20M等六種靈活的信道帶寬配置，下行采用OFDM、上行采用SC-FDMA的多址方式，采用卷積碼、Turbo碼編碼方式，支持QPSK、16QAM、64QAM等調(diào)制方式，采用開閉環(huán)結(jié)合的功控，支持鏈路自適應(yīng)和擁塞控制，最高支持350km/h的移動速度等。兩種制式技術(shù)上的不同，主要體現(xiàn)在雙工方式、幀結(jié)構(gòu)、HARQ、天線等方面。

2.1雙工方式

TD-LTE制式采用時分雙工（TDD）方式，上下行工作在相同的頻段，用時間來分割接受和發(fā)送信道，時間資源在上下行兩個方向上進行分配，eNB和UE之間需采用相同的時間分配模式才能順利配合。LTE-FDD采用頻分雙工（FDD）方式，采用頻率來分割接受和發(fā)送信道，兩個信道之間存在一個保護頻段，以防止鄰近的發(fā)射機和接收機之間產(chǎn)生相互干擾。

TDD支持非對稱的上下時隙配置，可將更多帶寬分配給下行，可以更好的利用頻率資源，更易于布置。FDD因為上下行在不同頻段內(nèi)同時進行，對頻譜資源要求更高，在支持對上下行帶寬需求基本相同的對稱業(yè)務(wù)時，能充分利用上下行頻譜，數(shù)據(jù)傳輸能力更強，但在支持非對稱頻譜時，頻譜利用率降低，在頻譜資源日益緊張、頻譜資源的爭奪越來越激烈的今天，讓運營商頗為頭痛。

2.2 幀結(jié)構(gòu)

由于TD-LTE與LTE-FDD采用兩種不同的雙工方式，最直接影響的就是空中接口無線幀結(jié)構(gòu)，3GPP針對兩種制式定義了Type1、Type2兩種不同的幀結(jié)構(gòu)。兩種幀結(jié)構(gòu)如圖1、圖2。

圖1 Type1幀結(jié)構(gòu)

圖2 Type2幀結(jié)構(gòu)

LTE-FDD幀結(jié)構(gòu)為Type1，無線幀長為10ms，每幀包含10個子幀，20個時隙。每個子幀有兩個時隙，每個時隙為0.5ms。LTE FDD僅有1:1一種子幀配比，無法根據(jù)業(yè)務(wù)需要最大化頻譜效率。TD-LTE幀結(jié)構(gòu)為Type2，無線幀長也是10ms，被分為2個5ms的半幀，每個半幀由4個數(shù)據(jù)子幀和一個特殊子幀組成，特殊子幀包括三個時隙：下行導(dǎo)頻時隙（DwPTS）、保護時隙（GP）和上行導(dǎo)頻時隙（UpPTS），總長1ms。TD-LTE幀結(jié)構(gòu)中特殊時隙的存在實現(xiàn)了同一幀內(nèi)上下行信號共存，并可根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型靈活調(diào)整上下行配比，以滿足上下行非對稱業(yè)務(wù)的需求，最大限度增大頻譜效率。

2.3 HARQ

根據(jù)3GPP協(xié)議，下行數(shù)據(jù)必須在上行子幀上反饋ACK/NACK，且與初傳數(shù)據(jù)存在一定的時間對應(yīng)關(guān)系，以節(jié)省信令開銷。FDD-LTE上下行子幀配比固定，ACK與初傳數(shù)據(jù)間隔固定為4個TTI。由于TD-LTE采用靈活的上下行子幀配比，4個TTI后不一定是上行子幀，因此ACK與初始數(shù)據(jù)的時間間隔也是一個變量。

下行HARQ反饋的最大時延是13個TTI，TD-LTE時隙配比的多樣性導(dǎo)致HARQ定時關(guān)系的不固定，增加了TDD HARQ算法的復(fù)雜程度和實現(xiàn)難度，對UE的物理層存儲能力也提出了極大的挑戰(zhàn)，會帶來一定的開銷和系統(tǒng)性能下降。

2.4 天線

3GPP協(xié)議為LTE定義了單天線端口、發(fā)射分集、開環(huán)空分復(fù)用、閉環(huán)空間復(fù)用、多用戶MIMO 、單層閉環(huán)空間復(fù)用、單流Beamforming、雙流Beamforming等八種天線類型，其中單流Beamforming、雙流Beamforming僅適用TD-LTE系統(tǒng)。單流Beamforming在一塊OFDM時頻資源上傳輸一個數(shù)據(jù)流，雙流Beamforming在相同的OFDM時頻資源上傳輸兩個數(shù)據(jù)流，形成空間復(fù)用。

波束賦形（Beamforming）利用天線陣元之間的相關(guān)性，通過發(fā)射波之間干涉，把集中能量于某個（或某些）特定方向上，形成窄波束，對準特定用戶。TD-LTE多用戶Beamforming利用信道強相關(guān)性和不同用戶信道的空間多樣性，將多個下行用戶數(shù)據(jù)復(fù)用到相同的時頻資源上，提升信噪比，提高邊緣和平均吞吐量，擴展覆蓋范圍。

通過TD-LTE與LTE-FDD兩種制式技術(shù)上的對比可知，隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進，用戶和業(yè)務(wù)增補增加，LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)資源頻率不足、容量不足的問題將逐漸凸顯，擁有更多頻譜資源的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，可有效緩解LTEFDD頻譜緊張的問題。因此，TD-LTE和LTE-FDD的融合組網(wǎng)將成為未來趨勢。

3 TD-LTE與LTE-FDD性能分析

3.1容量對比

LTE網(wǎng)絡(luò)中，容量性能主要包括用戶吞吐量、小區(qū)吞吐量、同時在線用戶數(shù)、同時調(diào)度用戶數(shù)等指標。在實際LTE網(wǎng)絡(luò)中，同時在線用戶數(shù)、同時調(diào)度用戶數(shù)主要由設(shè)備處理能力決定，目前主要廠家對TD-LTE與LTE-FDD兩種制式支撐能力相當，因此兩種制式同時在線用戶數(shù)、同時調(diào)度用戶數(shù)等指標接近。上下行速率對比如表1。

表1 TD-LTE與LTE-FDD制式容量對比

由于TD-LTE單載波最大帶寬只有LTE-FDD一半，因此單載波最大理論峰值速率低。通過表1對比可知，TD-LTE上下行總平均速率為30.9Mbit/s低于LTEFDD54.1Mbit/s的上下行總平均速率。但是，TD-LTE支持非對稱的時隙配比，可以將更多頻譜分配給下行，使得TD-LTE總頻譜效率優(yōu)于LTE-FDD。

3.2 覆蓋對比

在TD-LTE上下行配比2:2情況下，兩種制式鏈路預(yù)算結(jié)果對比如表2。

表2 TD-LTE與LTE-FDD制式覆蓋對比

通過對比可知，在2.6GHz相同的頻段下，LTE-FDD制式的上下行覆蓋半徑優(yōu)于TD-LTE 12%左右。根據(jù)目前TD-LTE與LTE-FDD實際分配的頻段，LTE-FDD采用2.1GHz頻段時，覆蓋能力優(yōu)于TD-LTE 40%左右。

由于TD-LTE與LTE-FDD技術(shù)及性能上的差別，運營商在融合組網(wǎng)時，通過合理定位兩種制式網(wǎng)絡(luò)，可以最小投資滿足用戶和業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。根據(jù)我國目前LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀，TD-LTE主要工作于2GHz以上頻段，而LTE-FDD主要工作在1.8GHz頻段。因此，從長遠發(fā)展來看，在市區(qū)人口稠密、數(shù)據(jù)需求量大的熱點區(qū)域，部署TD-LTE網(wǎng)絡(luò)充分利用好頻譜資源，提升數(shù)據(jù)承載力，用于熱點區(qū)域的業(yè)務(wù)吸收，解決容量問題；而在農(nóng)村、郊區(qū)、高速道路等覆蓋場景，LTE-FDD網(wǎng)絡(luò)可發(fā)揮其廣覆蓋優(yōu)勢，主要解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。

4 TD-LTE與LTE-FDD融合組網(wǎng)建設(shè)策略

國內(nèi)三家電信運營商，擁有龐大的2G或3G站址資源，特別是中國移動目前已建成全球最大的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，如何在目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上規(guī)劃LTE-FDD，實現(xiàn)兩種制式融合組網(wǎng)已迫在眉睫。

4.1站址規(guī)劃

首先獲取目前GSM網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)所有站址資源。由于相比GSM網(wǎng)絡(luò)，LTE采用同頻組網(wǎng)，如果存在相同數(shù)目的重疊覆蓋區(qū)時，LTE整體性能會下降10%-15%，因此需要去除現(xiàn)網(wǎng)中過近站、過高站，同時新增部分站點完善空洞區(qū)域覆蓋。

目前中國移動TD-LTE網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過四期建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為合理，LTE-FDD可優(yōu)先選用TD-LTE站址資源。根據(jù)LTE-FDD網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求，結(jié)合LTE網(wǎng)絡(luò)仿真及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試結(jié)果，對具體站點進行整改。通過調(diào)整原有天線掛高、方向角、下傾角等，實現(xiàn)LTE-FDD網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。

4.2主設(shè)備建設(shè)方案

中國移動在現(xiàn)有站址資源基礎(chǔ)上規(guī)劃LTE-FDD時，除需新址新建少量站點補盲外，大部分站點可采用共GSM或TD-LTE原有基站升級方式完成建設(shè)。根據(jù)中國移動主要廠家GSM網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)網(wǎng)無線設(shè)備特性，如果采用利舊現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)升級建設(shè)LTE-FDD，需新增主控單位，傳輸單元，基帶板件，可軟件升級、替換或新增射頻模塊。采用TD-LTE升級建設(shè)LTE-FDD時，LTEFDD可與原有TD-LTE系統(tǒng)主控單元、傳輸單元及時鐘單元，需新增基帶單元、射頻模塊。從總體對比來看，主設(shè)備建設(shè)采用共TD-LTE升級時成本較低。

4.3天饋系統(tǒng)建設(shè)方案

LTE-FDD天饋建設(shè)方案主要包括獨立新建天饋系統(tǒng)、采用多端口電調(diào)天線、共射頻單元及天線、合路原有天饋系統(tǒng)等四種建設(shè)方案，各種建設(shè)方案對比如表3。

表3 LTE-FDD不同天饋建設(shè)方式對比

LTE-FDD采用新建天饋系統(tǒng)，可獨立調(diào)整不同系統(tǒng)方向角，實現(xiàn)GSM、LTE雙網(wǎng)性能最佳，但需新增天面位置。采用多端口電調(diào)天線方案利舊原有天面位置，需更換現(xiàn)網(wǎng)天線，可獨立調(diào)整下傾角，保證GSM、LTE雙網(wǎng)性能。共射頻單元及天線利舊原有配套設(shè)備，成本較低，需對部分老舊設(shè)備進行替換升級，GSM、LTE雙網(wǎng)目標不同時，較難實現(xiàn)雙網(wǎng)共同優(yōu)化。合路方案需利舊現(xiàn)網(wǎng)天線，但需新增合路器，對網(wǎng)絡(luò)性能影響較大，增加后期維護難度。

5 結(jié)束語

作為LTE兩種不同的制式，TD-LTE與LTE-FDD在協(xié)議上基本相同，雙工方式的不同決定了幀結(jié)構(gòu)、HARQ等底層設(shè)計的差別。TD-LTE相比LTE-FDD在容量上有一定的優(yōu)勢，但覆蓋半徑較弱。因此，在兩種制式融合組網(wǎng)時，應(yīng)充分利用兩種制式的優(yōu)勢，可采用LTE-FDD完成廣域覆蓋，TD-LTE進行底層業(yè)務(wù)吸收，遠期通過TDLTE和LTE-FDD融合載波聚合技術(shù)，將兩種制式不同頻點間的異頻切換轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆陷d波內(nèi)部的頻率選擇調(diào)度，真正實現(xiàn)一張網(wǎng)。

1（韓）尹圣君等著，張鴻濤等譯.LTE及LTE-Advanced無線協(xié)議.北京:機械工業(yè)出版社，2015年

2王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計.北京:人民郵電出版社，2010年

3張明和.深入淺出4G網(wǎng)絡(luò) LTE/EPC.北京:人民郵電出版社，2016年

4劉翔，李川.LTETDD與FDD制式技術(shù)對比與融合組網(wǎng)策略分析.通信與信息技術(shù)，2015（2）:31-35

5周廣琪，段紅梅，王加義.中國移動LTE-TDD/FDD融合發(fā)展路徑探討.移動通信，2014（15）:19-23

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.009

2016-06-24）

隨著4G網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)大規(guī)模建設(shè)，TD-LTE與LTE-FDD作為LTE的兩種不同制式，兩者融合組網(wǎng)越來越受到運營商廣泛的重視。文章簡要對比介紹了TDLTE與LTE-FDD主要關(guān)鍵技術(shù)的相同與不同點，重點分析兩種制式在容量與覆蓋上的性能，并結(jié)合目前中國移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀，提出LTE-FDD與TD-LTE融合組網(wǎng)建設(shè)策略，為實際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與工程建設(shè)提供參考建議。