TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)可行性研究

顏薇芳

(湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410126)

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TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)可行性研究

顏薇芳

(湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410126)

摘要長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)有FDD和TDD兩種制式，F(xiàn)DD覆蓋范圍廣但頻譜資源占用較大，而TDD容量覆蓋大，頻譜資源相對(duì)豐富，為了滿(mǎn)足用戶(hù)高速率上網(wǎng)的卓越體驗(yàn)，TD-LTE和LTE FDD兩網(wǎng)融合成為了關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)對(duì)LTE FDD和TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)、幀結(jié)構(gòu)、物理架構(gòu)以及設(shè)備終端等方面的分析，充分說(shuō)明了TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)的可行性。

關(guān)鍵詞LTEFDD；TD-LTE；融合組網(wǎng)

0引言

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，客戶(hù)對(duì)信息化的需求越來(lái)越大，再加上近年來(lái)終端形態(tài)和移動(dòng)應(yīng)用的豐富引發(fā)流量的急劇增加,更加刺激了客戶(hù)對(duì)移動(dòng)帶寬的需求，3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿(mǎn)足移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的巨大需求，LTE高數(shù)據(jù)速率的融合網(wǎng)絡(luò)將成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主流[1]。目前全球已有部分國(guó)家與地區(qū)正式商用TD-LTE和LTE FDD融合網(wǎng)絡(luò)[2]，事實(shí)證明，融合網(wǎng)絡(luò)能使TD-LTE和LTE FDD優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[3]，不僅方便了用戶(hù)在國(guó)內(nèi)外更好地使用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，充分利用了頻率資源，提高了系統(tǒng)抗干擾性能，并且能夠更好地支持對(duì)稱(chēng)與非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)。本文從技術(shù)、設(shè)備和終端等角度全方位的闡述了TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)可行性。

1TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

LTE的關(guān)鍵技術(shù)主要有OFDM技術(shù)和MIMO技術(shù)等。LTE物理層采用的OFDM和MIMO等技術(shù)，不僅極大地提高了系統(tǒng)吞吐量，也是LTE速率的提升關(guān)鍵[4]。

1.1　OFDM技術(shù)

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequently Division Multiplexing，OFDM)是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，它將大的頻譜分為若干小的子載波，各相鄰子載波相互重疊且互相正交從而使其重疊但不干擾。

傳統(tǒng)頻分復(fù)(Frequently Division Multiplexing，F(xiàn)DM)多載波調(diào)制技術(shù)是通過(guò)濾波器把整個(gè)頻帶分割成若干個(gè)互不交疊的子載波，子載波之間需要很寬的保護(hù)頻帶，而在OFDM多載波調(diào)制技術(shù)中子載波頻譜允許互相重疊，使得頻譜的利用率大大提高。與此同時(shí)，OFDM系統(tǒng)在不同的子載波上有不同的信道衰落[5]，因此可以通過(guò)比特和子載波的動(dòng)態(tài)分配，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)性能。

1.2　MIMO技術(shù)

多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是將用戶(hù)數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流，由多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)在指定的帶寬內(nèi)同時(shí)發(fā)射，在接收端和發(fā)送端都采用多天線(xiàn)MIMO系統(tǒng)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了提高通信容量[6]和頻譜利用率的目的，另一方面，MIMO系統(tǒng)就可以創(chuàng)造出多個(gè)并行的空間信道，而通過(guò)這些并行的空間信道獨(dú)立地進(jìn)行信息傳輸，數(shù)據(jù)率必然能夠得到很大的提高。

2LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

相較于傳統(tǒng)的3G網(wǎng)絡(luò)，LTE擁有更加簡(jiǎn)單扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使得組網(wǎng)成本更低而組網(wǎng)靈活性卻大大提升，另一方面，用戶(hù)數(shù)據(jù)和控制信令的時(shí)延也將大大減少。

LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，全I(xiàn)P、扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將RNC的物理實(shí)體、功能實(shí)體分解到基站(eNodeB)和核心網(wǎng)元，從而E-UTRAN系統(tǒng)只由eNodeB組成(eNodeB之間通過(guò)X2接口進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)小區(qū)建優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)資源管理)，也因此eNodeB集成了更多的功能塊，包括：物理層(PHY)、媒體接入層(MAC)、無(wú)線(xiàn)鏈路控制層(RLC)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)、無(wú)線(xiàn)資源控制(RRC)、無(wú)線(xiàn)資源分配和調(diào)度和小區(qū)間無(wú)線(xiàn)資源管理(RRC)。另一方面由基站和核心網(wǎng)組成的LTE兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有更短的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，單向用戶(hù)數(shù)據(jù)時(shí)延小于5 ms，控制信令延遲小于10 ms。TD-LTE和FDD-LTE不僅擁有相似的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而且其內(nèi)部協(xié)議棧也極其相似。

圖1　扁平化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3TD-LTE與LTE-FDD幀結(jié)構(gòu)對(duì)比

LTE系統(tǒng)有FDD和TDD2種幀結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)著FDD和TDD2種雙工方式，在FDD雙工模式下，長(zhǎng)10ms的無(wú)線(xiàn)幀被分成10個(gè)子幀,而每個(gè)子幀又包含2個(gè)長(zhǎng)為0.5 ms時(shí)隙，如圖2所示。在TDD雙工模式下，每個(gè)10 ms無(wú)線(xiàn)幀包括2個(gè)由4個(gè)數(shù)據(jù)子幀和1個(gè)特殊子幀組成的半幀，每個(gè)半幀長(zhǎng)為5 ms，如圖3所示。特殊子幀包括3個(gè)特殊時(shí)隙：DwPTS，GP和UpPTS，總長(zhǎng)度為1 ms。DwPTS和UpPTS的長(zhǎng)度可配置，DwPTS的長(zhǎng)度為3～12個(gè)OFDM符號(hào)，UpPTS的長(zhǎng)度為1～2個(gè)OFDM符號(hào)，相應(yīng)的GP長(zhǎng)度為1～10個(gè)OFDM符號(hào)[7]。

圖2　FDD類(lèi)型無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)

圖3　TDD 類(lèi)型無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)

雖然幀結(jié)構(gòu)有所不同，但LTE FDD和TD-LTE均采用OFDM技術(shù)，子載波間隔均為15 kHz，一個(gè)無(wú)線(xiàn)幀10 ms，一個(gè)子幀1ms，一個(gè)時(shí)隙0.5 ms，而每個(gè)時(shí)隙包含的OFDM符號(hào)數(shù)由CP類(lèi)型決定。

以上從技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和幀結(jié)構(gòu)3個(gè)方面對(duì)TD-LTE與LTE FDD兩種制式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)TD-LTE與LTE FDD除了物理層幀結(jié)構(gòu)的差異外，在其他技術(shù)規(guī)范上存在非常大的統(tǒng)一性[8]，這非常有利于TD-LTE和LTE FDD兩種網(wǎng)絡(luò)模式在較低的系統(tǒng)和終端成本下同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

4TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)終端基礎(chǔ)

TD-LTE和FDD LTE 融合組網(wǎng)正在變得越來(lái)越普遍，而終端融合則是融合組網(wǎng)成功商用的關(guān)鍵和難題所在，大唐、華為、中興、諾西、愛(ài)立信和阿朗等通信設(shè)備廠(chǎng)商都推出了TD-LTE和FDD LTE的共平臺(tái)產(chǎn)品，同時(shí)TD-LTE和FDD LTE共芯片的產(chǎn)品也成為國(guó)內(nèi)外芯片廠(chǎng)商的研發(fā)方向。在運(yùn)營(yíng)商大力推動(dòng)下和廠(chǎng)家不斷試驗(yàn)實(shí)踐后，融合組網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)了從標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)到產(chǎn)品的全面融合[9]，LTE FDD和TD-LTE二者之間主要差別在于所使用的頻段不同，二者在芯片層面，有著100%的相似度，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的無(wú)線(xiàn)部分略有差異，僅有10%的差異度。下面從幾個(gè)具體方面對(duì)TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)設(shè)備終端基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1　標(biāo)準(zhǔn)融合方面

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織在LTE標(biāo)準(zhǔn)制定之初就已考慮到高度融合的需求。FDD LTE和TD-LTE在核心網(wǎng)和接口等方面已完全一致，空口模式上對(duì)于頻段間的互操作也已完全一致。

4.2　芯片融合方面

Qualcomm(高通)所有 LTE芯片組，從第1代LTE產(chǎn)品開(kāi)始就已經(jīng)能夠同時(shí)支持LTE FDD網(wǎng)絡(luò)模式和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)模式，并且其支持LTE增強(qiáng)型(LTE版本10)和HSPA+版本10，同時(shí)支持LTE FDD網(wǎng)絡(luò)模式和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)模式的第3代 LTE/3G多模調(diào)制解調(diào)也相繼問(wèn)世。目前，已經(jīng)有多家領(lǐng)先的芯片企業(yè)推出了自己的能夠同時(shí)支持LTE FDD網(wǎng)絡(luò)模式和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)模式的芯片組，全球范圍內(nèi)已經(jīng)推出或正在研發(fā)LTE FDD和TD-LTE融合多模芯片的企業(yè)已經(jīng)超過(guò)了17家，而芯片的成熟進(jìn)一步推動(dòng)著融合終端的發(fā)展。

4.3　智能終端融合

目前全球已有近百款終端同時(shí)支持LTE FDD和TD-LTE，在LTE的后續(xù)發(fā)展中，LTE FDD和TD-LTE的融合組網(wǎng)前景日漸廣闊。中興已經(jīng)研發(fā)出了TD-LTE/LTE FDD雙模智能手機(jī)Grand Era LTE,還為客戶(hù)提供了基于現(xiàn)網(wǎng)的GSM/LTE FDD/TD-LTE三模終端，為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定制更為豐富的多模終端，包括數(shù)據(jù)卡、家庭網(wǎng)關(guān)和智能手機(jī)等。華為率先推出了自行研制的支持融合組網(wǎng)業(yè)務(wù)的五模全頻芯片，其Ascend P7和Ascend X1是較為領(lǐng)先的支持FDD LTE和TD-LTE融合的多頻多模移動(dòng)終端,而榮耀6則是世界第一款支持LTE Cat6(4G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)速度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))的智能手機(jī)[10]。

4.4　平臺(tái)融合

系統(tǒng)和終端在同一平臺(tái)上的可實(shí)現(xiàn)性是融合的基石,基于全球領(lǐng)先的UniRAN的SDR平臺(tái)天生支持TD-LTE和LTE FDD雙模，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)BBU設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等方面的最大程度融合和共享，從而最大程度地實(shí)現(xiàn)LTE雙模融合網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)評(píng)估，在此基礎(chǔ)上直接部署LTE雙模網(wǎng)絡(luò)比分別部署2個(gè)單模LTE網(wǎng)絡(luò)節(jié)省高達(dá)40%～60%的投資。

4.5　天線(xiàn)融合

在天線(xiàn)方面，華為根據(jù)現(xiàn)在TD-LTE和LTE FDD融合建網(wǎng)需求，以及運(yùn)營(yíng)商2G、3G和4G并存的需要，提供了四模五頻天線(xiàn)，該方案已經(jīng)在國(guó)外運(yùn)營(yíng)商和中國(guó)運(yùn)營(yíng)商LTE融合組網(wǎng)建設(shè)中實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，現(xiàn)在居民對(duì)鐵塔放置較多天線(xiàn)非常敏感，總覺(jué)著設(shè)備體積大，輻射會(huì)大，因此阻撓運(yùn)營(yíng)商建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此，華為將這些天線(xiàn)集成到一起，如將一個(gè)小區(qū)四、五個(gè)天線(xiàn)集成為一個(gè)天線(xiàn)(該集成天線(xiàn)是國(guó)家在無(wú)線(xiàn)電監(jiān)管的可靠安全輻射范圍之內(nèi))，如此一來(lái)，不僅保證了覆蓋也使得天線(xiàn)建設(shè)受到社會(huì)阻力減少了很多。

由此可見(jiàn)，隨著近年來(lái)LTE產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，TD-LTE和FDD LTE不僅在標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)等方面奠定了融合的基礎(chǔ)，并且在系統(tǒng)設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了共平臺(tái)，在終端產(chǎn)品方面實(shí)現(xiàn)了共基帶芯片。

5TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)關(guān)鍵應(yīng)用

為了讓用戶(hù)充分感受LTE融合組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)用戶(hù)感知，減少掉網(wǎng)率，使用戶(hù)不管在LTE FDD還是在TD-LTE覆蓋下都享受到高速上網(wǎng)體驗(yàn)，載波聚合和負(fù)載均衡2個(gè)技術(shù)的完美應(yīng)用，為T(mén)D-LTE和LTE FDD的融合之路提供了可靠保障。

5.1　載波聚合應(yīng)用

TD-LTE載波和LTE FDD載波聚合的多載波捆綁技術(shù)的成功應(yīng)用，可以使得LTE融合網(wǎng)絡(luò)的最高下載速率達(dá)1.3 Gbit/s，解決了LTE的雙制式融合發(fā)展之路上的又一技術(shù)難題。

5.2　負(fù)載均衡功能的實(shí)現(xiàn)

負(fù)載均衡(Load Balancing)就是能夠根據(jù)需要為不同的LTE載波分配流量。當(dāng)重疊小區(qū)或相鄰小區(qū)出現(xiàn)負(fù)載不均衡時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)計(jì)算和切換，將負(fù)載過(guò)多小區(qū)的終端轉(zhuǎn)移到重疊小區(qū)中[10]。這一功能可以減輕可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)擁塞，使用戶(hù)無(wú)論是在LTE FDD還是TD-LTE的覆蓋下，均能享受到最佳的LTE卓越體驗(yàn)。

為了確保負(fù)載均衡功能確實(shí)能在LTE融合網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用，愛(ài)立信工作人員使用ATEL ALM-F180雙頻MiFi與三星 Galaxy S3智能手機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。ATEL 雙頻MiFi能夠同時(shí)支持2.6 GHz的LTE FDD與 2.3 GHz的TD-LTE，而三星Galaxy S3智能手機(jī)僅支持2.6 GHz的LTE FDD。首先，測(cè)試人員將MiFi接入TD-LTE小區(qū)，隨后模擬TD-LTE連接丟失、MiFi自動(dòng)切換到LTE FDD網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)MiFi處于LTE FDD小區(qū)時(shí)，測(cè)試人員又將三星手機(jī)加入LTE FDD網(wǎng)絡(luò)中使其出現(xiàn)“擁塞”，此時(shí)，負(fù)載均衡功能發(fā)揮作用，將MiFi重新接入回TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了雙模融合網(wǎng)絡(luò)間的負(fù)載均衡[11]。

負(fù)載均衡功能突破性地應(yīng)用于TD-LTE和LTE FDD融合網(wǎng)絡(luò)，使得TD-LTE與LTE FDD珍貴的頻段資源和設(shè)備資源實(shí)現(xiàn)最大化利用。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TD-LTE和LTE FDD從技術(shù)到產(chǎn)品的分析，TD-LTE和LTE FDD兩張網(wǎng)絡(luò)除物理層幀結(jié)構(gòu)有所差異外，在技術(shù)方面及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面基本一致，這樣非常有利于系統(tǒng)和終端以較低的成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)，值得注意的是，各大通信設(shè)備廠(chǎng)商都在大力研發(fā)能夠支持LTE融合的芯片和終端等產(chǎn)品，并且已經(jīng)推出了TD-LTE和LTE FDD的共平臺(tái)產(chǎn)品，目前，中國(guó)移動(dòng)香港有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)LTE雙網(wǎng)融合，大陸的中國(guó)電信也已經(jīng)在部分重要城市部署LTE融合實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，因此，不管從技術(shù)、產(chǎn)品方面還是實(shí)際已經(jīng)完成的LTE融合網(wǎng)絡(luò)情況來(lái)看，TD-LTE和LTE FDD的融合組網(wǎng)的可行性都是毋庸置疑的，相信未來(lái)TD-LTE和LTE FDD相互融合并共同發(fā)展也將會(huì)成為未來(lái)全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)。

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顏薇芳女，(1990—)，高級(jí)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)員。主要研究方向：無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

Study on Feasibility of Fusion Networking of

TD-LTE and LTE FDD

YAN Wei-fang

(Hu’nanPostsandTelecommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,ChangshaHu’nan410126,China)

AbstractThe Long Term Evolution (LTE) have two standards of FDD and TDD.The FDD has large coverage area,but it has high resource occupation.The TDD has larger capacity and abundant spectrum resource.In order to meet user’s superior experience of high-speed Internet,the fusion networking of TD-LTE and LTE FDD has become a key problem.In this paper,the feasibility of fusion networking of TD LTE and LTE FDD is proved by analyzing such aspects as LTE FDD and TD-LTE key technology,frame structure,physical architecture and terminal equipment.

Key wordsLTE FDD;TD-LTE;fusion networking

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-03-12

中圖分類(lèi)號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)06-0092-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.25

引用格式：顏薇芳.TD-LTE與LTE FDD融合組網(wǎng)可行性研究[J].無(wú)線(xiàn)電工程，2015，45(6)：92-95.