8通道TD－LTE系統優(yōu)勢分析

1 LTE系統標準演進(jìn)

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

LTE(Long Term Evolution)是3GPP長(cháng)期演進(jìn)項目，兼容目前的3G通信系統并對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)并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO技術(shù)作為其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的惟一標準。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項目以來(lái)，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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng))TSG已經(jīng)開(kāi)始了LTE工作階段(WI)，但經(jīng)過(guò)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系統已逐漸展示在我們眼前。

LTE系統從定義需求開(kāi)始。主要需求指標包括：

●支持1.4~20MHz帶寬。

●峰值數據率：上行50Mbit/s，下行100Mbit/s。頻譜效率達到3GPP R6的2~4倍。

●提高小區邊緣的比特率。

●用戶(hù)面延遲(單向)5ms，控制面延遲100ms。

●支持與現有3GPP和非3GPP系統的互操作。

●支持增強型的廣播多播業(yè)務(wù)。

●降低建網(wǎng)成本，實(shí)現從R6的低成本演進(jìn)。

●實(shí)現合理的終端復雜度、成本和耗電。

●支持增強的IMS(IP多媒體子系統)和核心網(wǎng)。

●追求后向兼容，但應該仔細考慮性能改進(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)域實(shí)現，如采用VoIP。

●對低速移動(dòng)優(yōu)化系統，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(Paired)和非成對(Unpaired)頻段。

●盡可能支持簡(jiǎn)單的臨頻共存。

針對WiMAX“低移動(dòng)性寬帶IP接入”的定位，LTE系統提出了相對應的需求，如相似的帶寬、數據率和頻譜效率指標，對低移動(dòng)性進(jìn)行優(yōu)化，只支持PS域，強調廣播多播業(yè)務(wù)等。同時(shí)，出于對VoIP和在線(xiàn)游戲的重視，LTE對用戶(hù)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系統平滑過(guò)渡。LTE系統與WiMAX系統一樣都選擇了OFDM作為基本技術(shù)，而非CDMA技術(shù)。

如前所述，在LTE系統中對系統的時(shí)延情況提出了更加嚴格的要求：

●顯著(zhù)降低控制面時(shí)延：100ms：LTE_Idle→LTE_Active；50ms：Dormant→Active 50ms。
●用戶(hù)面時(shí)延：定義為UE或RAN邊緣節點(diǎn)IP層包數據至RAN邊緣節點(diǎn)或UE IP層包數據的單項傳輸時(shí)間。
●需求：5ms(無(wú)負載IP包的情況下，需要后續補充定義)。

為了滿(mǎn)足如上要求，除空中接口無(wú)線(xiàn)幀長(cháng)度的變化和TTI等變化以縮短空中接口的延遲之外，還需要對網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行演進(jìn)，盡量減少多余節點(diǎn)，從而減少網(wǎng)絡(luò )中的傳輸時(shí)延。但不管結構如何演變，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中。因此，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的邏輯關(guān)系仍然存在，無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的接口也依然明晰。

基于上述背景，LTE系統在基本技術(shù)上一開(kāi)始就選擇了OFDM，MIMO和智能天線(xiàn)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

LTE FDD與LTE TDD(即TD-LTE)系統基本幀結構差異本文不作分析。就基本幀結構而言，TDD系統保留了從TD-SCDMA系統設計而來(lái)的3個(gè)特殊時(shí)隙，并且為了適應無(wú)線(xiàn)幀的融合，還設計了不同的上/下行時(shí)隙配比和特殊時(shí)隙的不同符號數配比。就頻譜效率而言，通過(guò)我們的仿真結果可以表明，兩者基本相當。

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自適應調整；No Power Control。

●上行：Scheme: IRC(干擾一致合并)，上行功控打開(kāi)。

基于上述相同條件下，通過(guò)仿真，得出如表1結果。

表1 仿真結果


通過(guò)表1的對比可以看出，無(wú)論是上行鏈路還是下行鏈路，TDD系統與FDD系統在頻譜效率上均基本相當，下行鏈路的平均頻譜效率在DL:1.5~1.6(bit/s/Hz)，上行鏈路的結果則僅相差0.1bit/s/Hz。兩種系統的邊緣用戶(hù)頻譜效率則更是幾乎沒(méi)有差別，這意味著(zhù)兩種系統的邊緣用戶(hù)體驗完全一致。

通過(guò)仿真的對比結果可以看出，TDD系統與FDD系統的頻譜效率相當。那么TDD系統和FDD系統還有哪些差異呢？

3 TDD系統可以支持8T8R Beamforming

智能天線(xiàn)技術(shù)在TD-SCDMA系統中的使用標志著(zhù)TDD系統在多天線(xiàn)技術(shù)上的突破。LTE TDD系統在設計初期就考慮了對多天線(xiàn)技術(shù)的支持，LTE系統雖然不在是CDMA系統，但同樣可以使用多天線(xiàn)技術(shù)(見(jiàn)圖1)。


圖1 多天線(xiàn)技術(shù)

多天線(xiàn)技術(shù)的顯著(zhù)標志就是波束賦形(Beamforming)，通過(guò)動(dòng)態(tài)波束賦形把主信號對準目標終端，從而獲得更高的SINR。為此，基站必須能夠獲取準確的信道估計，利用CSI信息來(lái)進(jìn)行發(fā)送信號的權值計算。該特點(diǎn)的實(shí)現主要是由于TDD系統的上/下行鏈路使用相同的頻點(diǎn)，因此基站可以利用對上行信道接收信號的判斷(不同天線(xiàn)的相位和功率或信噪比)，對下行信道條件進(jìn)行預估，從而實(shí)現波束賦形。不需要額外的用于信道估計開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)時(shí)性也較好。而對于FDD系統來(lái)說(shuō)，由于上/下行鏈路使用不同的頻點(diǎn)發(fā)射，如果基站想對UE進(jìn)行波束賦形，則需要UE對下行信道進(jìn)行估計并快速反饋給基站，在高速移動(dòng)環(huán)境下信道變化很快，信道估計的信令開(kāi)銷(xiāo)會(huì )很大，并且由于UE反饋的時(shí)延，信道估計的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證，智能天線(xiàn)基本上無(wú)法工作。

綜上所述，智能天線(xiàn)技術(shù)更適用于TD-LTE系統，這是TDD系統所獨具的優(yōu)勢(見(jiàn)圖2)。


圖2 智能天線(xiàn)技術(shù)在TD-LTE系統的應用

4 相同頻段下8T8R比2T2R增益明顯

在頻譜效率相當，TDD系統又獨具多天線(xiàn)優(yōu)勢條件下，我們再來(lái)看看TDD系統在使用8天線(xiàn)條件下與FDD系統(常規2天線(xiàn))在吞吐率和覆蓋能力上的表現。

同樣，我們通過(guò)仿真結果來(lái)進(jìn)行對比(見(jiàn)圖3)，仿真條件如下：


圖3 仿真結果對比

●邊緣速率需求UL：307kbit/s，DL：1024kbit/s。

●頻段1.8GHz，系統帶寬20MHz，同頻組網(wǎng)1X3X1。

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

●密集城區，室外宏基站高度為45m。

●天線(xiàn)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的仿真結果對比可以清楚地看出，在同頻段下，TD-LTE 8T8R相比于FDD LTE 2T2R在小區平均吞吐率和邊緣吞吐率上將獲得顯著(zhù)增益：

●上行小區平均吞吐率增益約50%；小區邊緣用戶(hù)吞吐率增益達100%以上。

●下行小區平均吞吐率增益約25%；小區邊緣用戶(hù)吞吐率提升達70%。

那么在覆蓋能力上兩者的對比結果又如何呢？可以進(jìn)一步看圖4的結果。


圖4 在覆蓋能力上兩者的對比結果

同理，在覆蓋方面，我們通過(guò)仿真對比可以得到如表2的結果。

表2 覆蓋方面仿真對比結果



通過(guò)上述仿真結果可以得出結論：8T8R的TDD系統無(wú)論是在吞吐率還是覆蓋能力方面都較2T2R的FDD系統有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。

5 TDD系統還可以支持多用戶(hù)Beamforming

TDD系統由于使用了智能天線(xiàn)技術(shù)，還可以支持多用戶(hù)的波束賦形。其原理是：為了提高系統容量，在系統負荷比較高的情況下，LTE TDD系統將多個(gè)數據流通過(guò)Beamforming方式，給多個(gè)不同的用戶(hù)分配相同的時(shí)頻資源，以提高頻譜利用率(見(jiàn)圖5)。


圖5 TDD系統支持多用戶(hù)Beamforming

●只要兩個(gè)配對用戶(hù)的信道相關(guān)性比較小，就可以實(shí)現多用戶(hù)的Beamforming。

●采用多用戶(hù)Beamforming后，相對于單數據流的Beamforming傳輸模式，小區吞吐率會(huì )得到明顯的提升。

6 結束語(yǔ)

多天線(xiàn)技術(shù)隨著(zhù)TD-SCDMA系統的應用得到越來(lái)越多的重視和應用，在海外隨著(zhù)WiMAX技術(shù)的應用，也是各運營(yíng)者希望應用的主流技術(shù)之一。

華為在多天線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域里經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品解決方案的全球現網(wǎng)部署，已經(jīng)積累了大量充分的多天線(xiàn)組網(wǎng)和性能經(jīng)驗。在2009年開(kāi)始的國內TD-LTE技術(shù)試驗以及2011年的工信部TD-LTE規模技術(shù)試驗中，華為的8天線(xiàn)相關(guān)內場(chǎng)測試中各項指標優(yōu)異，率先進(jìn)入實(shí)際外場(chǎng)大規模組網(wǎng)驗證階段。

本文通過(guò)對使用8T8R的多天線(xiàn)TD-LTE系統與2T2R LTE FDD系統在頻譜效率，吞吐率，覆蓋能力上的仿真對比，闡述了TD-LTE系統使用8通道天線(xiàn)的獨特優(yōu)勢。相信隨著(zhù)多天線(xiàn)技術(shù)和進(jìn)一步優(yōu)化，以及在天線(xiàn)產(chǎn)品規格形態(tài)上的進(jìn)一步演進(jìn)和提升，多天線(xiàn)技術(shù)勢必會(huì )為L(cháng)TE系統的部署運營(yíng)帶來(lái)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，成為運營(yíng)者的首選技術(shù)。