8通道TD－LTE系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

1 LTE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

隨著寬帶無線接入的出現(xiàn)，接入移動(dòng)化、寬帶化的業(yè)務(wù)需求越來越旺盛，用戶對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的速率要求也越來越高，可見高速率寬帶接入服務(wù)是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本需求。IMT-Advanced系統(tǒng)需求明確指出：在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠支持100Mbit/s的峰值速率；在低速移動(dòng)場(chǎng)景下，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠支持1Gbit/s的峰值速率。

LTE(Long Term Evolution)是3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目，兼容目前的3G通信系統(tǒng)并對(duì)3G進(jìn)行演進(jìn)。它具有高傳輸速率、高傳輸質(zhì)量和高移動(dòng)性的特性，改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO技術(shù)作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的惟一標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。

自2004年11月啟動(dòng)LTE項(xiàng)目以來，3GPP以頻繁的會(huì)議全力推進(jìn)LTE的研究工作，僅半年就完成了需求的制定。2006年6月，3GPP RAN(無線接入網(wǎng))TSG已經(jīng)開始了LTE工作階段(WI)，但經(jīng)過艱苦的討論和融合，終于確定了大部分基本技術(shù)框架，一個(gè)初步的LTE系統(tǒng)已逐漸展示在我們眼前。

LTE系統(tǒng)從定義需求開始。主要需求指標(biāo)包括：

●支持1.4~20MHz帶寬。

●峰值數(shù)據(jù)率：上行50Mbit/s，下行100Mbit/s。頻譜效率達(dá)到3GPP R6的2~4倍。

●提高小區(qū)邊緣的比特率。

●用戶面延遲(單向)5ms，控制面延遲100ms。

●支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作。

●支持增強(qiáng)型的廣播多播業(yè)務(wù)。

●降低建網(wǎng)成本，實(shí)現(xiàn)從R6的低成本演進(jìn)。

●實(shí)現(xiàn)合理的終端復(fù)雜度、成本和耗電。

●支持增強(qiáng)的IMS(IP多媒體子系統(tǒng))和核心網(wǎng)。

●追求后向兼容，但應(yīng)該仔細(xì)考慮性能改進(jìn)和向后兼容之間的平衡。

●取消CS(電路交換)域，CS域業(yè)務(wù)在PS(包交換)域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP。

●對(duì)低速移動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)，同時(shí)支持高速移動(dòng)。

●以盡可能相似的技術(shù)同時(shí)支持成對(duì)(Paired)和非成對(duì)(Unpaired)頻段。

●盡可能支持簡(jiǎn)單的臨頻共存。

針對(duì)WiMAX“低移動(dòng)性寬帶IP接入”的定位，LTE系統(tǒng)提出了相對(duì)應(yīng)的需求，如相似的帶寬、數(shù)據(jù)率和頻譜效率指標(biāo)，對(duì)低移動(dòng)性進(jìn)行優(yōu)化，只支持PS域，強(qiáng)調(diào)廣播多播業(yè)務(wù)等。同時(shí)，出于對(duì)VoIP和在線游戲的重視，LTE對(duì)用戶面延遲的要求近乎苛刻。關(guān)于向后兼容的要求似乎模棱兩可，由于選擇了大量的新技術(shù)，在物理層已難以保持從3G系統(tǒng)平滑過渡。LTE系統(tǒng)與WiMAX系統(tǒng)一樣都選擇了OFDM作為基本技術(shù)，而非CDMA技術(shù)。

如前所述，在LTE系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延情況提出了更加嚴(yán)格的要求：

●顯著降低控制面時(shí)延：100ms：LTE_Idle→LTE_Active；50ms：Dormant→Active 50ms。
●用戶面時(shí)延：定義為UE或RAN邊緣節(jié)點(diǎn)IP層包數(shù)據(jù)至RAN邊緣節(jié)點(diǎn)或UE IP層包數(shù)據(jù)的單項(xiàng)傳輸時(shí)間。
●需求：5ms(無負(fù)載IP包的情況下，需要后續(xù)補(bǔ)充定義)。

為了滿足如上要求，除空中接口無線幀長(zhǎng)度的變化和TTI等變化以縮短空中接口的延遲之外，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行演進(jìn)，盡量減少多余節(jié)點(diǎn)，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延。但不管結(jié)構(gòu)如何演變，無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)仍然遵循各自發(fā)展的原則，空中接口終止在無線接入網(wǎng)中。因此，無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的邏輯關(guān)系仍然存在，無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的接口也依然明晰。

基于上述背景，LTE系統(tǒng)在基本技術(shù)上一開始就選擇了OFDM，MIMO和智能天線等技術(shù)作為基本物理層技術(shù)并且保留了FDD和TDD兩種制式的LTE技術(shù)。下面我們就這兩種制式的一些共性和差異作進(jìn)一步的分析。

2 相同條件下FDD與TDD頻譜效率相當(dāng)

LTE FDD與LTE TDD(即TD-LTE)系統(tǒng)基本幀結(jié)構(gòu)差異本文不作分析。就基本幀結(jié)構(gòu)而言，TDD系統(tǒng)保留了從TD-SCDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)而來的3個(gè)特殊時(shí)隙，并且為了適應(yīng)無線幀的融合，還設(shè)計(jì)了不同的上/下行時(shí)隙配比和特殊時(shí)隙的不同符號(hào)數(shù)配比。就頻譜效率而言，通過我們的仿真結(jié)果可以表明，兩者基本相當(dāng)。

仿真條件：

●網(wǎng)絡(luò)模型：19X3。

●頻段及載波帶寬2GHz，BW 20MHz。

●傳播環(huán)境：Urban Macro。

●鏈路模型：SCM-E，3km/h。

●基站發(fā)射功率：PBS_max :46dBm。

●TDD配置：TDD UL:DL，2:2；Special Frame：10:2:2。

●終端發(fā)射功率：PUE_Max:23Bm。

●終端高度：1.5m。

●下行：Scheme: rank1/rank2自適應(yīng)調(diào)整；No Power Control。

●上行：Scheme: IRC(干擾一致合并)，上行功控打開。

基于上述相同條件下，通過仿真，得出如表1結(jié)果。

表1 仿真結(jié)果


通過表1的對(duì)比可以看出，無論是上行鏈路還是下行鏈路，TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)在頻譜效率上均基本相當(dāng)，下行鏈路的平均頻譜效率在DL:1.5~1.6(bit/s/Hz)，上行鏈路的結(jié)果則僅相差0.1bit/s/Hz。兩種系統(tǒng)的邊緣用戶頻譜效率則更是幾乎沒有差別，這意味著兩種系統(tǒng)的邊緣用戶體驗(yàn)完全一致。

通過仿真的對(duì)比結(jié)果可以看出，TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)的頻譜效率相當(dāng)。那么TDD系統(tǒng)和FDD系統(tǒng)還有哪些差異呢？

3 TDD系統(tǒng)可以支持8T8R Beamforming

智能天線技術(shù)在TD-SCDMA系統(tǒng)中的使用標(biāo)志著TDD系統(tǒng)在多天線技術(shù)上的突破。LTE TDD系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期就考慮了對(duì)多天線技術(shù)的支持，LTE系統(tǒng)雖然不在是CDMA系統(tǒng)，但同樣可以使用多天線技術(shù)(見圖1)。


圖1 多天線技術(shù)

多天線技術(shù)的顯著標(biāo)志就是波束賦形(Beamforming)，通過動(dòng)態(tài)波束賦形把主信號(hào)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)終端，從而獲得更高的SINR。為此，基站必須能夠獲取準(zhǔn)確的信道估計(jì)，利用CSI信息來進(jìn)行發(fā)送信號(hào)的權(quán)值計(jì)算。該特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)主要是由于TDD系統(tǒng)的上/下行鏈路使用相同的頻點(diǎn)，因此基站可以利用對(duì)上行信道接收信號(hào)的判斷(不同天線的相位和功率或信噪比)，對(duì)下行信道條件進(jìn)行預(yù)估，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形。不需要額外的用于信道估計(jì)開銷，實(shí)時(shí)性也較好。而對(duì)于FDD系統(tǒng)來說，由于上/下行鏈路使用不同的頻點(diǎn)發(fā)射，如果基站想對(duì)UE進(jìn)行波束賦形，則需要UE對(duì)下行信道進(jìn)行估計(jì)并快速反饋給基站，在高速移動(dòng)環(huán)境下信道變化很快，信道估計(jì)的信令開銷會(huì)很大，并且由于UE反饋的時(shí)延，信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性無法保證，智能天線基本上無法工作。

綜上所述，智能天線技術(shù)更適用于TD-LTE系統(tǒng)，這是TDD系統(tǒng)所獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)(見圖2)。


圖2 智能天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)的應(yīng)用

4 相同頻段下8T8R比2T2R增益明顯

在頻譜效率相當(dāng)，TDD系統(tǒng)又獨(dú)具多天線優(yōu)勢(shì)條件下，我們?cè)賮砜纯碩DD系統(tǒng)在使用8天線條件下與FDD系統(tǒng)(常規(guī)2天線)在吞吐率和覆蓋能力上的表現(xiàn)。

同樣，我們通過仿真結(jié)果來進(jìn)行對(duì)比(見圖3)，仿真條件如下：


圖3 仿真結(jié)果對(duì)比

●邊緣速率需求UL：307kbit/s，DL：1024kbit/s。

●頻段1.8GHz，系統(tǒng)帶寬20MHz，同頻組網(wǎng)1X3X1。

●CPE終端：PUE_max:26dBm，高度為5m/25m；終端天線增益2dBi。

●密集城區(qū)，室外宏基站高度為45m。

●天線增益18dBi-2T；17dBi-4T；15dBi-8T。

●基站發(fā)射功率：PBS_Max：46dBm。

●傳播模型Cost231-Hata Classic。

●TD-LTE下行采用8T8R的Beamforming adaptive switch；上行采用1X8 IRC技術(shù)。

●FDD LTE下行采用2T2R的MIMO adaptive switch；上行采用1X2 IRC技術(shù)。

由圖3的仿真結(jié)果對(duì)比可以清楚地看出，在同頻段下，TD-LTE 8T8R相比于FDD LTE 2T2R在小區(qū)平均吞吐率和邊緣吞吐率上將獲得顯著增益：

●上行小區(qū)平均吞吐率增益約50%；小區(qū)邊緣用戶吞吐率增益達(dá)100%以上。

●下行小區(qū)平均吞吐率增益約25%；小區(qū)邊緣用戶吞吐率提升達(dá)70%。

那么在覆蓋能力上兩者的對(duì)比結(jié)果又如何呢？可以進(jìn)一步看圖4的結(jié)果。


圖4 在覆蓋能力上兩者的對(duì)比結(jié)果

同理，在覆蓋方面，我們通過仿真對(duì)比可以得到如表2的結(jié)果。

表2 覆蓋方面仿真對(duì)比結(jié)果



通過上述仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：8T8R的TDD系統(tǒng)無論是在吞吐率還是覆蓋能力方面都較2T2R的FDD系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 TDD系統(tǒng)還可以支持多用戶Beamforming

TDD系統(tǒng)由于使用了智能天線技術(shù)，還可以支持多用戶的波束賦形。其原理是：為了提高系統(tǒng)容量，在系統(tǒng)負(fù)荷比較高的情況下，LTE TDD系統(tǒng)將多個(gè)數(shù)據(jù)流通過Beamforming方式，給多個(gè)不同的用戶分配相同的時(shí)頻資源，以提高頻譜利用率(見圖5)。


圖5 TDD系統(tǒng)支持多用戶Beamforming

●只要兩個(gè)配對(duì)用戶的信道相關(guān)性比較小，就可以實(shí)現(xiàn)多用戶的Beamforming。

●采用多用戶Beamforming后，相對(duì)于單數(shù)據(jù)流的Beamforming傳輸模式，小區(qū)吞吐率會(huì)得到明顯的提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

多天線技術(shù)隨著TD-SCDMA系統(tǒng)的應(yīng)用得到越來越多的重視和應(yīng)用，在海外隨著WiMAX技術(shù)的應(yīng)用，也是各運(yùn)營(yíng)者希望應(yīng)用的主流技術(shù)之一。

華為在多天線技術(shù)領(lǐng)域里經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品解決方案的全球現(xiàn)網(wǎng)部署，已經(jīng)積累了大量充分的多天線組網(wǎng)和性能經(jīng)驗(yàn)。在2009年開始的國(guó)內(nèi)TD-LTE技術(shù)試驗(yàn)以及2011年的工信部TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)中，華為的8天線相關(guān)內(nèi)場(chǎng)測(cè)試中各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)異，率先進(jìn)入實(shí)際外場(chǎng)大規(guī)模組網(wǎng)驗(yàn)證階段。

本文通過對(duì)使用8T8R的多天線TD-LTE系統(tǒng)與2T2R LTE FDD系統(tǒng)在頻譜效率，吞吐率，覆蓋能力上的仿真對(duì)比，闡述了TD-LTE系統(tǒng)使用8通道天線的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。相信隨著多天線技術(shù)和進(jìn)一步優(yōu)化，以及在天線產(chǎn)品規(guī)格形態(tài)上的進(jìn)一步演進(jìn)和提升，多天線技術(shù)勢(shì)必會(huì)為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的部署運(yùn)營(yíng)帶來更多的價(jià)值，如成本的縮減以及工程量和施工難度的降低，成為運(yùn)營(yíng)者的首選技術(shù)。