作者:黃岳 蘭來喜
1 LTE系統(tǒng)標準演進
隨著寬帶無線接入的出現,接入移動化、寬帶化的業(yè)務需求越來越旺盛,用戶對移動通信網絡的速率要求也越來越高,可見高速率寬帶接入服務是未來移動通信系統(tǒng)的基本需求。IMT-Advanced系統(tǒng)需求明確指出:在高速移動場景下,未來移動通信系統(tǒng)能夠支持100Mbit/s的峰值速率;在低速移動場景下,未來移動通信系統(tǒng)能夠支持1Gbit/s的峰值速率。
LTE(Long Term Evolution)是3GPP長期演進項目,兼容目前的3G通信系統(tǒng)并對3G進行演進。它具有高傳輸速率、高傳輸質量和高移動性的特性,改進并增強了3G的空中接入技術,采用OFDM和MIMO技術作為其無線網絡演進的惟一標準。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LTE項目以來,3GPP以頻繁的會議全力推進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)TSG已經開始了LTE工作階段(WI),但經過艱苦的討論和融合,終于確定了大部分基本技術框架,一個初步的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(qū)邊緣的比特率。
●用戶面延遲(單向)<5ms,控制面延遲<100ms。
●支持與現有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作。
●支持增強型的廣播多播業(yè)務。
●降低建網成本,實現從R6的低成本演進。
●實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(tǒng))和核心網。
●追求后向兼容,但應該仔細考慮性能改進和向后兼容之間的平衡。
●取消CS(電路交換)域,CS域業(yè)務在PS(包交換)域實現,如采用VoIP。
●對低速移動優(yōu)化系統(tǒng),同時支持高速移動。
●以盡可能相似的技術同時支持成對(Paired)和非成對(Unpaired)頻段。
●盡可能支持簡單的臨頻共存。
針對WiMAX“低移動性寬帶IP接入”的定位,LTE系統(tǒng)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,對低移動性進行優(yōu)化,只支持PS域,強調廣播多播業(yè)務等。同時,出于對VoIP和在線游戲的重視,LTE對用戶面延遲的要求近乎苛刻。關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,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,而非CDMA技術。
如前所述,在LTE系統(tǒng)中對系統(tǒng)的時延情況提出了更加嚴格的要求:
●顯著降低控制面時延:100ms:LTE_Idle→LTE_Active;50ms:Dormant→Active 50ms。
●用戶面時延:定義為UE或RAN邊緣節(jié)點IP層包數據至RAN邊緣節(jié)點或UE IP層包數據的單項傳輸時間。
●需求:5ms(無負載IP包的情況下,需要后續(xù)補充定義)。
為了滿足如上要求,除空中接口無線幀長度的變化和TTI等變化以縮短空中接口的延遲之外,還需要對網絡結構進行演進,盡量減少多余節(jié)點,從而減少網絡中的傳輸時延。但不管結構如何演變,無線接入網與核心網仍然遵循各自發(fā)展的原則,空中接口終止在無線接入網中。因此,無線接入網與核心網的邏輯關系仍然存在,無線接入網與核心網的接口也依然明晰。
基于上述背景,LTE系統(tǒng)在基本技術上一開始就選擇了OFDM,MIMO和智能天線等技術作為基本物理層技術并且保留了FDD和TDD兩種制式的LTE技術。下面我們就這兩種制式的一些共性和差異作進一步的分析。
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(tǒng)基本幀結構差異本文不作分析。就基本幀結構而言,TDD系統(tǒng)保留了從TD-SCDMA系統(tǒng)設計而來的3個特殊時隙,并且為了適應無線幀的融合,還設計了不同的上/下行時隙配比和特殊時隙的不同符號數配比。就頻譜效率而言,通過我們的仿真結果可以表明,兩者基本相當。
仿真條件:
●網絡模型: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。
基于上述相同條件下,通過仿真,得出如表1結果。
表1 仿真結果
通過表1的對比可以看出,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,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(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)的邊緣用戶體驗完全一致。
通過仿真的對比結果可以看出,TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)的頻譜效率相當。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
智能天線技術在TD-SCDMA系統(tǒng)中的使用標志著TDD系統(tǒng)在多天線技術上的突破。LTE TDD系統(tǒng)在設計初期就考慮了對多天線技術的支持,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(見圖1)。
圖1 多天線技術
多天線技術的顯著標志就是波束賦形(Beamforming),通過動態(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信息來進行發(fā)送信號的權值計算。該特點的實現主要是由于TDD系統(tǒng)的上/下行鏈路使用相同的頻點,因此基站可以利用對上行信道接收信號的判斷(不同天線的相位和功率或信噪比),對下行信道條件進行預估,從而實現波束賦形。不需要額外的用于信道估計開銷,實時性也較好。而對于FDD系統(tǒng)來說,由于上/下行鏈路使用不同的頻點發(fā)射,如果基站想對UE進行波束賦形,則需要UE對下行信道進行估計并快速反饋給基站,在高速移動環(huán)境下信道變化很快,信道估計的信令開銷會很大,并且由于UE反饋的時延,信道估計的實時性無法保證,智能天線基本上無法工作。
綜上所述,智能天線技術更適用于TD-LTE系統(tǒng),這是TDD系統(tǒng)所獨具的優(yōu)勢(見圖2)。
圖2 智能天線技術在TD-LTE系統(tǒng)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(tǒng)又獨具多天線優(yōu)勢條件下,我們再來看看TDD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。
同樣,我們通過仿真結果來進行對比(見圖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(tǒng)帶寬20MHz,同頻組網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。
●FDD LTE下行采用2T2R的MIMO adaptive switch;上行采用1X2 IRC技術。
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(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70%。
那么在覆蓋能力上兩者的對比結果又如何呢?可以進一步看圖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
通過上述仿真結果可以得出結論: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。
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,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)負荷比較高的情況下,LTE TDD系統(tǒng)將多個數據流通過Beamforming方式,給多個不同的用戶分配相同的時頻資源,以提高頻譜利用率(見圖5)。
圖5 TDD系統(tǒng)支持多用戶Beamforming
●只要兩個配對用戶的信道相關性比較小,就可以實現多用戶的Beamforming。
●采用多用戶Beamforming后,相對于單數據流的Beamforming傳輸模式,小區(qū)吞吐率會得到明顯的提升。
6 結束語
多天線技術隨著TD-SCDMA系統(tǒng)的應用得到越來越多的重視和應用,在海外隨著WiMAX技術的應用,也是各運營者希望應用的主流技術之一。
華為在多天線技術領域里經過多年的技術研發(fā)和產品解決方案的全球現網部署,已經積累了大量充分的多天線組網和性能經驗。在2009年開始的國內TD-LTE技術試驗以及2011年的工信部TD-LTE規(guī)模技術試驗中,華為的8天線相關內場測試中各項指標優(yōu)異,率先進入實際外場大規(guī)模組網驗證階段。
本文通過對使用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比,闡述了TD-LTE系統(tǒng)使用8通道天線的獨特優(yōu)勢。相信隨著多天線技術和進一步優(yōu)化,以及在天線產品規(guī)格形態(tài)上的進一步演進和提升,多天線技術勢必會為LTE系統(tǒng)的部署運營帶來更多的價值,如成本的縮減以及工程量和施工難度的降低,成為運營者的首選技術。