FDD和TDD融合組網(wǎng)的可行性研究

鄭金綱　劉士鋒

【摘要】 隨著LTE牌照的發(fā)布，三大運(yùn)營商開始先后啟動(dòng)了4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，根據(jù)工信部的要求，LTE建設(shè)按照TDD與FDD兩種技術(shù)制式進(jìn)行混合組網(wǎng)覆蓋，其中移動(dòng)依托原有TD-SCDMA進(jìn)行TDD升級(jí)單模式建設(shè)，電信與聯(lián)通憑借原有的CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行FDD與TDD的融合組網(wǎng)。兩種技術(shù)協(xié)同發(fā)展能夠適合有中國特色的4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，并且比單獨(dú)組網(wǎng)更有利于我國的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，有利于用戶更好的體驗(yàn)移動(dòng)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

【關(guān)鍵字】 LTE TDD FDD 混合組網(wǎng) 信號(hào)補(bǔ)充 干擾

一、LTE技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 LTE概述

LTE（Long Term Evolution）是3GPP組織主導(dǎo)制定的無線通信技術(shù)，主要體現(xiàn)在無線組網(wǎng)架構(gòu)和無線接口技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展上，致力于提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，加強(qiáng)安全性和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌葋碚f，增強(qiáng)了3G的空中接口的接入技術(shù)，采用 OFDM 和MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)新一代無線網(wǎng)的下行接口和信號(hào)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，頻譜帶寬支持20MHz，支持下行峰值速率100Mbps和上行峰值速率50Mbps。

1.2 FDD與TDD的工作模式

LTE技術(shù)支持頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）和時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）模式。FDD在兩個(gè)分離的、對(duì)稱頻率的信道上分別對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)接收和發(fā)送。采用成對(duì)的頻段區(qū)分上行鏈路（UL，Uplink）和下行鏈路（DL，Downlink），上下行頻段間隔離度較大，來保證信號(hào)獨(dú)立且不受干擾的發(fā)送和接受。FDD的上、下行鏈路在時(shí)間上是連續(xù)的，可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。TDD的接收和發(fā)送是使用同一頻率的不同時(shí)隙來區(qū)分上、下行信道，而在時(shí)間上是不連續(xù)的。通過設(shè)置不同的時(shí)間周期分別由移動(dòng)終端發(fā)送給基站（UL，Uplink），由基站發(fā)送給移動(dòng)終端（DL，Downlink）。

二、FDD與TDD的技術(shù)比較

FDD和TDD從功能架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)角度來說是相似的，均采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行扁平化精簡(jiǎn)和網(wǎng)絡(luò)管理。但由于基于不同的幀結(jié)構(gòu)和復(fù)用技術(shù)，又具有各自不同的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。

（1）頻譜利用方面，F(xiàn)DD使用成對(duì)的上下行頻率支撐移動(dòng)業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，在最大程度上對(duì)相對(duì)稀缺的頻譜資源進(jìn)行充分利用，尤其對(duì)對(duì)稱型應(yīng)用有良好的支撐；而TDD技術(shù)引入了頻段內(nèi)保護(hù)間隔的技術(shù)，從而犧牲了部分頻譜資源，降低了頻譜利用率。但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)的時(shí)候，由于必須上下行成對(duì)對(duì)稱的使用頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相對(duì)于對(duì)稱業(yè)務(wù)，F(xiàn)DD的頻譜利用率約為60%。

（2）高速數(shù)據(jù)傳輸方面，F(xiàn)DD能夠盡最大可能的忽略上下行用戶業(yè)務(wù)時(shí)延，幀結(jié)構(gòu)中沒有負(fù)載的保護(hù)間隔符號(hào)（Symbol），減少了傳輸過程中的同步損耗，并以全雙工（Full Duplex）的工作模式進(jìn)行上下行傳輸，支持最高500km/h的移動(dòng)通信；TDD技術(shù)由于對(duì)時(shí)間同步要求嚴(yán)格，需要分配時(shí)間片同步基站側(cè)及用戶側(cè)，最高傳輸速率120km/h。

（3）抗干擾方面， FDD技術(shù)使用相互隔離度較大的保護(hù)帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)上行和下行傳輸，可很好的消除相鄰小區(qū)基站和本小區(qū)基站之間的干擾。TDD的上、下行信道傳輸工作在同一鏈路上，內(nèi)部雖設(shè)置保護(hù)間隔，但由于本小區(qū)和相鄰小區(qū)帶寬比較接近，容易引起相鄰小區(qū)基站與終端的干擾。

（4）移動(dòng)終端復(fù)雜性方面，TDD技術(shù)要求上、下行鏈路使用相同的頻率，基站與終端間的傳輸環(huán)境差異不大，上下行鏈路可以使用相同的路徑損耗，對(duì)于移動(dòng)終端發(fā)射和接受天線及處理器的要求較低。FDD技術(shù)的上、下行鏈路信號(hào)在傳播時(shí)受頻率選擇性衰落影響的不同，根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的路徑損耗也不同，從而不能直接應(yīng)用于下行鏈路，降低鏈路利用率。

三、FDD和TDD協(xié)同發(fā)展的可行性

FDD與TDD根據(jù)各自占用的頻譜資源段不同，可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)承載量和網(wǎng)絡(luò)選擇帶寬。根據(jù)現(xiàn)有工信部發(fā)布的頻譜帶寬的劃分，中國移動(dòng)TD-LTE獲得三個(gè)頻段共計(jì)130M頻譜帶寬；中國電信TD-LTE獲得兩個(gè)頻段，合計(jì)60M 頻譜帶寬，F(xiàn)DD-LTE上下行兩個(gè)頻段，合計(jì)60M頻譜帶寬；中國聯(lián)通TD-LTE獲得兩個(gè)頻段，合計(jì)40M頻譜帶寬，F(xiàn)DD-LTE上下行兩個(gè)頻段，合計(jì)40M頻譜帶寬。FDD與TDD各具特色，F(xiàn)DD/TDD協(xié)同發(fā)展有利于LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和滿足用戶的需求。

（1）FDD與TDD憑借各自的技術(shù)特點(diǎn)，能夠?qū)Σ煌瑧?yīng)用進(jìn)行差異化支撐。FDD技術(shù)是對(duì)稱型技術(shù)，比較適合交互式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，比如語音和多媒體類業(yè)務(wù)，現(xiàn)階段常用的交互式IM手機(jī)軟件和移動(dòng)視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)是這類業(yè)務(wù)代表，F(xiàn)DD對(duì)該類業(yè)務(wù)支持較有優(yōu)勢(shì)；TDD技術(shù)是非對(duì)稱型技術(shù)，比較適合包交換和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，現(xiàn)階段越來越多的用戶使用手機(jī)進(jìn)行流媒體視頻點(diǎn)播和留言類業(yè)務(wù)的使用，TDD對(duì)該類業(yè)務(wù)支持有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

（2）根據(jù)不同的場(chǎng)景利用不同的技術(shù)進(jìn)行無縫覆蓋。使用FDD技術(shù)進(jìn)行室外大面積遠(yuǎn)距離的覆蓋，利用FDD較強(qiáng)的抗干擾能力滿足外部復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適應(yīng)較多的建筑物阻擋，利用TDD較強(qiáng)的頻譜效率，較靈活的幀配置能力進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，滿足辦公或居住區(qū)域內(nèi)用戶更多的使用各種非對(duì)稱、響應(yīng)及時(shí)、可靠性較高的應(yīng)用。

由于用戶的移動(dòng)業(yè)務(wù)主要集中在密集城區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)域，對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)有較大的需求，是運(yùn)營商主要建設(shè)和投資的方向，LTE建設(shè)時(shí)需要進(jìn)行FDD和TDD同時(shí)部署建設(shè)。由于各頻段對(duì)應(yīng)的覆蓋范圍和下傾角各不相同，同時(shí)該類區(qū)域?qū)νㄐ刨|(zhì)量要求較高，網(wǎng)絡(luò)會(huì)隨著建設(shè)頻繁的調(diào)整，選擇天線時(shí)會(huì)涉及到不同頻段的獨(dú)立調(diào)整?？墒褂冒硕丝谥С炙念l段的天線或六端口支持三頻的天線進(jìn)行覆蓋，通過TDD 2T2R配合FDD 2T2R的模式進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。

一般城區(qū)建設(shè)時(shí)需要對(duì)覆蓋與容量同時(shí)考慮，并對(duì)投資成本進(jìn)行把控。一般城區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化頻率比較低，采用合路器的方法合路TDD和FDD的端口，降低天線部署的復(fù)雜度和成本。以LTE全頻段為目標(biāo)網(wǎng)，可使用六端口支持三頻段的天線或四端口支持雙頻段的天線，對(duì)TDD和FDD設(shè)置2T2R模式，進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。

郊區(qū)和農(nóng)村場(chǎng)景話務(wù)量較少，移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用以語音業(yè)務(wù)為主，運(yùn)營商建設(shè)主要是實(shí)現(xiàn)廣度覆蓋?？墒褂?T4R至8T8R天線，最大程度上擴(kuò)大覆蓋范圍。選用FDD部署時(shí)可使用六端口支持三頻的天線或四端口支持雙頻段的天線。

（3）針對(duì)LTE技術(shù)本身對(duì)小區(qū)間同頻干擾比較敏感的特性，可以利用兩種技術(shù)進(jìn)行相互補(bǔ)充。由于LTE網(wǎng)絡(luò)單基站蜂窩網(wǎng)覆蓋面積較3G網(wǎng)絡(luò)小很多，需要部署大量小區(qū)覆蓋，而且LTE技術(shù)取消了鄰區(qū)及切換的概念，用小區(qū)重選和小區(qū)切換代替原有的扇區(qū)間及載頻間切換。小區(qū)間切換類似于硬切換，當(dāng)多個(gè)LTE基站小區(qū)進(jìn)行重復(fù)覆蓋時(shí)，或部分區(qū)域產(chǎn)生覆蓋縫隙時(shí)，就會(huì)因?yàn)镕DD各小區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)物理層小區(qū)識(shí)別碼（PCI ，Physical Cell Identity）沖突，此時(shí)如果移動(dòng)終端（UE）上報(bào)的PCI與基站設(shè)備（eNodeB）實(shí)際指配的小區(qū)PCI不一致，出現(xiàn)切換失敗造成掉話，尤其是小區(qū)邊界該情況很明顯。在引入TDD網(wǎng)絡(luò)對(duì)該類區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋后，由于兩種技術(shù)的幀結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別，且eNodeB及UE的PCI編碼格式有明顯的不同，當(dāng)用戶在不同小區(qū)間移動(dòng)的時(shí)候，可以很好的解決切換失敗問題，實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。由于不同小區(qū)間存在相互的干擾，如果兩個(gè)小區(qū)采用同樣的頻段作為業(yè)務(wù)頻段，則會(huì)產(chǎn)生“同頻干擾”，過大的小區(qū)低噪會(huì)有相應(yīng)抬高，信噪比會(huì)相應(yīng)升高，故在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中常采用小區(qū)中心區(qū)域同頻組網(wǎng)，邊緣區(qū)域異頻組網(wǎng)的模式。在該種組網(wǎng)模式中，LTE覆蓋能力還體現(xiàn)在業(yè)務(wù)邊緣速率的需求上，邊緣速率要求越低，覆蓋范圍越大。由于FDD頻段緊張，在進(jìn)行異頻組網(wǎng)建設(shè)時(shí)可以使用FDD進(jìn)行小區(qū)覆蓋，TDD進(jìn)行邊緣覆蓋，由于FDD和TDD劃分頻段間隔較大，可以很好的解決頻段接近而引起的鄰頻干擾。且在小區(qū)規(guī)劃時(shí)，本小區(qū)與相鄰的小區(qū)為異頻小區(qū)，通過空間距離間隔同頻小區(qū)，盡可能的降低同頻干擾。邊緣速率也不會(huì)因?yàn)閴嚎s帶寬而造成的邊緣速率不足。

結(jié)合仿真結(jié)果和實(shí)際路測(cè)數(shù)據(jù)表示：相比于同頻組網(wǎng)，異頻組網(wǎng)提高了小區(qū)載干比C/I，如圖1。在同樣的覆蓋面積和頻率資源下，移動(dòng)終端間有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，小區(qū)邊緣用戶的峰值速率也有所改善。

另外，基站發(fā)射功率不是越高越好，功率增大到一定程度會(huì)導(dǎo)致信噪比的惡化，頻譜效率下降。

可見在功率較大時(shí)，可以通過分配不同的頻帶帶寬降低低噪，TDD靈活的帶寬配置特性可以良好的解決不同場(chǎng)景小區(qū)間隔大小不同，用戶需求不同的問題。但高頻段的傳播損耗、穿透損耗比低頻段的要大10dB左右，如表1。高頻段的覆蓋范圍要縮小很多。按照頻段的分配，TDD分配的頻段較FDD高。故TDD在數(shù)據(jù)傳播過程中會(huì)產(chǎn)生較大損耗。

綜上所述，使用FDD進(jìn)行小區(qū)覆蓋，TDD進(jìn)行邊緣覆蓋的融合組網(wǎng)模式是比單一技術(shù)組網(wǎng)更有效的覆蓋模式。

四、結(jié)束語

FDD和TDD融合組網(wǎng)，不僅能夠有效的解決單一技術(shù)組網(wǎng)的不足，而且能夠在充分利用現(xiàn)有稀缺的頻譜資源，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的無線網(wǎng)建設(shè)，適應(yīng)我國用戶基數(shù)大，移動(dòng)業(yè)務(wù)用戶需求大，業(yè)務(wù)種類多，生活環(huán)境復(fù)雜的獨(dú)有現(xiàn)狀。相信隨著FDD牌照的正式發(fā)放，鐵塔公司對(duì)LTE基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，F(xiàn)DD和TDD融合組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)清晰的展現(xiàn)在用戶面前。

參 考 文 獻(xiàn)

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