顏薇芳

(湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410126)

?

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)計院有限公司，湖南 長沙 410126)

摘要長期演進(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，頻譜資源相對豐富，為了滿足用戶高速率上網(wǎng)的卓越體驗，TD-LTE和LTE FDD兩網(wǎng)融合成為了關(guān)鍵問題。通過對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

在移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，客戶對信息化的需求越來越大，再加上近年來終端形態(tài)和移動應(yīng)用的豐富引發(fā)流量的急劇增加,更加刺激了客戶對移動帶寬的需求，3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足移動數(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)將成為移動互聯(lián)網(wǎng)的主流[1]。目前全球已有部分國家與地區(qū)正式商用TD-LTE和LTE FDD融合網(wǎng)絡(luò)[2]，事實證明，融合網(wǎng)絡(luò)能使TD-LTE和LTE FDD優(yōu)勢互補[3]，不僅方便了用戶在國內(nèi)外更好地使用移動通信業(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稱與非對稱業(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)是通過濾波器把整個頻帶分割成若干個互不交疊的子載波，子載波之間需要很寬的保護頻帶，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，OFDM系統(tǒng)在不同的子載波上有不同的信道衰落[5]，因此可以通過比特和子載波的動態(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)點是將用戶數(shù)據(jù)分解為多個并行的數(shù)據(jù)流，由多個發(fā)射天線在指定的帶寬內(nèi)同時發(fā)射，在接收端和發(fā)送端都采用多天線MIMO系統(tǒng)，在一定程度上實現(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)造出多個并行的空間信道，而通過這些并行的空間信道獨立地進行信息傳輸，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，用戶數(shù)據(jù)和控制信令的時延也將大大減少。

LTE的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，全IP、扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將RNC的物理實體、功能實體分解到基站(eNodeB)和核心網(wǎng)元，從而E-UTRAN系統(tǒng)只由eNodeB組成(eNodeB之間通過X2接口進行通信以實現(xiàn)小區(qū)建優(yōu)化的無線資源管理)，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)、無線鏈路控制層(RLC)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)、無線資源控制(RRC)、無線資源分配和調(diào)度和小區(qū)間無線資源管理(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)具有更短的無線網(wǎng)絡(luò)時延，單向用戶數(shù)據(jù)時延小于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　扁平化無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3TD-LTE與LTE-FDD幀結(jié)構(gòu)對比

LTE系統(tǒng)有FDD和TDD2種幀結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)著FDD和TDD2種雙工方式，在FDD雙工模式下，長10ms的無線幀被分成10個子幀,而每個子幀又包含2個長為0.5 ms時隙，如圖2所示。在TDD雙工模式下，每個10 ms無線幀包括2個由4個數(shù)據(jù)子幀和1個特殊子幀組成的半幀，每個半幀長為5 ms，如圖3所示。特殊子幀包括3個特殊時隙：DwPTS，GP和UpPTS，總長度為1 ms。DwPTS和UpPTS的長度可配置，DwPTS的長度為3～12個OFDM符號，UpPTS的長度為1～2個OFDM符號，相應(yīng)的GP長度為1～10個OFDM符號[7]。

圖2　FDD類型無線幀結(jié)構(gòu)

圖3　TDD 類型無線幀結(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，一個無線幀10 ms，一個子幀1ms，一個時隙0.5 ms，而每個時隙包含的OFDM符號數(shù)由CP類型決定。

以上從技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和幀結(jié)構(gòu)3個方面對TD-LTE與LTE FDD兩種制式進行了分析，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)和終端成本下同時實現(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、愛立信和阿朗等通信設(shè)備廠商都推出了TD-LTE和FDD LTE的共平臺產(chǎn)品，同時TD-LTE和FDD LTE共芯片的產(chǎn)品也成為國內(nèi)外芯片廠商的研發(fā)方向。在運營商大力推動下和廠家不斷試驗實踐后，融合組網(wǎng)已基本實現(xiàn)了從標準、平臺到產(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)備的無線部分略有差異，僅有10%的差異度。下面從幾個具體方面對TD-LTE和LTE FDD融合組網(wǎng)設(shè)備終端基礎(chǔ)進行詳細分析。

4.1　標準融合方面

國際標準組織在LTE標準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)品開始就已經(jīng)能夠同時支持LTE FDD網(wǎng)絡(luò)模式和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)模式，并且其支持LTE增強型(LTE版本10)和HSPA+版本10，同時支持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)超過了17家，而芯片的成熟進一步推動著融合終端的發(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Grand Era LTE,還為客戶提供了基于現(xiàn)網(wǎng)的GSM/LTE FDD/TD-LTE三模終端，為移動網(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)的一個網(wǎng)絡(luò)速度技術(shù)標準)的智能手機[10]。

4.4　平臺融合

系統(tǒng)和終端在同一平臺上的可實現(xiàn)性是融合的基石,基于全球領(lǐng)先的UniRAN的SDR平臺天生支持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，從而最大程度地實現(xiàn)LTE雙模融合網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)評估，在此基礎(chǔ)上直接部署LTE雙模網(wǎng)絡(luò)比分別部署2個單模LTE網(wǎng)絡(luò)節(jié)省高達40%～60%的投資。

4.5　天線融合

在天線方面，華為根據(jù)現(xiàn)在TD-LTE和LTE FDD融合建網(wǎng)需求，以及運營商2G、3G和4G并存的需要，提供了四模五頻天線，該方案已經(jīng)在國外運營商和中國運營商LTE融合組網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)。需要注意的是，現(xiàn)在居民對鐵塔放置較多天線非常敏感，總覺著設(shè)備體積大，輻射會大，因此阻撓運營商建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。對此，華為將這些天線集成到一起，如將一個小區(qū)四、五個天線集成為一個天線(該集成天線是國家在無線電監(jiān)管的可靠安全輻射范圍之內(nèi))，如此一來，不僅保證了覆蓋也使得天線建設(shè)受到社會阻力減少了很多。

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

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

為了讓用戶充分感受LTE融合組網(wǎng)優(yōu)勢，增強用戶感知，減少掉網(wǎng)率，使用戶不管在LTE FDD還是在TD-LTE覆蓋下都享受到高速上網(wǎng)體驗，載波聚合和負載均衡2個技術(shù)的完美應(yīng)用，為TD-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　負載均衡功能的實現(xiàn)

負載均衡(Load Balancing)就是能夠根據(jù)需要為不同的LTE載波分配流量。當重疊小區(qū)或相鄰小區(qū)出現(xiàn)負載不均衡時，系統(tǒng)能夠通過計算和切換，將負載過多小區(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，使用戶無論是在LTE FDD還是TD-LTE的覆蓋下，均能享受到最佳的LTE卓越體驗。

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

負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)備資源實現(xiàn)最大化利用。

6結(jié)束語

通過對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實現(xiàn)2個系統(tǒng)，值得注意的是，各大通信設(shè)備廠商都在大力研發(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的共平臺產(chǎn)品，目前，中國移動香港有限公司已經(jīng)實現(xiàn)LTE雙網(wǎng)融合，大陸的中國電信也已經(jīng)在部分重要城市部署LTE融合實驗網(wǎng)，因此，不管從技術(shù)、產(chǎn)品方面還是實際已經(jīng)完成的LTE融合網(wǎng)絡(luò)情況來看，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TD-LTE和LTE FDD相互融合并共同發(fā)展也將會成為未來全球移動通信產(chǎn)業(yè)的趨勢。

參考文獻

[1]汪丁鼎,朱東照,肖清華.TD-LTE和LTE FDD混合組網(wǎng)實施策略[J].移動通信，2013(21)：22-26.

[2]許森，孫震強.LTE混合組網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及發(fā)展方向[J].移動通信2014(15):10-14.

[3]李新.TD-LTE/LTE FDD融合組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[J].移動通信，2013(17):23.

[4]陳敏.移動通信FDD-LTE與TD-LTE技術(shù)融合組網(wǎng)淺談[J].移動通信，2013(11)：45-48.

[5]李衛(wèi)敏,陳輝,魯照華.基于OFDM的認知無線電系統(tǒng)功率分配研究[J].無線電通信技術(shù),2012,38(2):62-65.

[6]楊愛敏,張 梅.MIMO-OFDM系統(tǒng)中最大化速率的自適應(yīng)算法[J].無線電通信技術(shù),2012,38(1):16-20.

[7]常洪濤.TLE_TDD與LTE_FDD融合組網(wǎng)分析[J].廣東通信技術(shù),2013(9):58-61.

[8]黃苗苗,黃英銘,謝少彬.TDD-LTE與LTE FDD區(qū)別以及融合問題淺析[J].軟件工程師，2013(12):32-34.

[9]魏晨光.以融合構(gòu)建卓越網(wǎng)絡(luò)--中國移動通信集團公司技術(shù)部副總經(jīng)理魏晨光致辭(摘錄)[J].移動通信，2014(17):16-17.

[10]孫永杰.LTE融合組網(wǎng)終端多模多頻成趨勢[J].通信世界，2013(34):33-37.

[11]艾德.愛立信首次演示LTE TDD/FDD負載均衡功能[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2013(6):3-4.

顏薇芳女，(1990—)，高級無線通信設(shè)計員。主要研究方向：無線通信技術(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

作者簡介

收稿日期：2015-03-12

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號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].無線電工程，2015，45(6)：92-95.