TD-LTE关键技术与网络规划策略

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付费下载自CNKI论文期刊网。发表于《电信工程技术与标准化》2012年07期。

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【作者】 王晓东； 张炎炎； 赵旭凇；

【机构】 中国移动通信集团公司； 中国移动通信集团设计院有限公司；

【摘要】 TD-LTE采用了正交频分复用(OFDM)、多入多出(MIMO)等关键技术,较2G/3G在物理层空口传输有了本质变化,因此,其网络规划策略也随之改变。首先,TD-LTE的帧结构同TD-SCDMA有较大不同;其次,由于采用了OFDM技术,TD-LTE的主要干扰来自于相邻小区的小区间同频干扰;同时,TD-LTE采用多种的MIMO技术,如分集、复用及波束成形等,从而对规划设计方法带来影响。本文全面研究了TD-LTE关键技术对规划设计方法的影响并提出了相应应对策略,对TD-LTE组网及规模建设均起到指导作用。

【关键词】 TD-LTE关键技术； MIMO； OFDM； ICIC； 网络规划策略

1 LTE全球部署及TD-LTE发展情况

TD-LTE较传统2G/3G技术的主要区别在于物理层定义了新的帧结构，采用了OFDMA取代3G的CDMA作为多址接入方式，并同时应用了多天线技术（包括分集、复用以及波束成形等）。正是由于这些技术的应用，使得TD-LTE取得了更高的频谱效率和更低的设备复杂度，推动无线通信跨越式发展。与此同时，受这些关键技术的影响，TD-LTE的网络规划策略也产生了本质不同。本文将通过对TD-LTE关键技术的分析，提出一系列网络规划策略，进而指导规模试验网和未来大规模网络建设。

2 TD-LTE关键技术与网络规划策略分析

2.1 帧结构与子帧配置

在空中接口上，LTE定义了无线帧来进行信号的传输，1个无线帧的长度为10ms。作为TDD系统的一个特点，TDD帧结构时间资源在上下行方向上进行分配，10ms的无线帧由10个长度为1ms的子帧（Subframe）组成。子帧包括普通子帧和特殊子帧两种，均包含14个OFDM符号。其中特殊子帧由3个特殊时隙（UpPTS、GP、DwPTS）组成，DwPTS用于下行信号的发送，除传送下行控制信道和主同步信号外，DwPTS中的其他资源用做正常的下行共享信道的发送，因此，在TD-LTE中，如果DwPTS占用符号数较多，该特殊子帧同时可以传送下行数据。UpPTS用于上行信号的发送，它的长度可以配置为1～2个OFDM符号，可用于承载物理随机接入信道(PRACH Format4)和Sounding导频信号，由于UpPTS占用子帧数较少，因此其无法再进行数据上行信号的发送。GP(Guard Period)是TDD上下行转换的保护间隔，不传送任何信道和信号。根据LTE协议，TDD帧结构支持7种不同的上下行时间比例分配(即子帧配置0～6)，以及9种特殊子帧配置。

在进行子帧配置的网络规划时，首先需考虑数据业务的上下行比例。由于LTE，特别是TD-LTE的商用尚未全面展开，因此数据业务比例多采用参考既有2G/3G网络的方式。

从表1和表2可以看出，国内外2G/3G数据业务模型中上下行流量比约为1:4到1:5，TD-SCDMA现网某城市全天统计上下比为1:5.6，因此可以知数据业务上下行流量需求约1:5。针对3GPP定义的子帧配置和特殊子帧配置，能够发现，同以上上下行业务流量需求较为接近的两种子帧配比方式为子帧配比2:2和1:3，特殊子帧配置为10:2:2，其峰值速率和小区平均吞吐量如表3所示。

从表3中可以看出，当采用上下行子帧配置为1:3，特殊子帧配置为10:2:2时，TD-LTE的上下行速率同现网数据业务上下行速率比例最为接近。

但是，作为TD-SCDMA的演进标准，TD-LTE在部署时可以同TD-SCDMA使用相邻的频段，如扩大规模试验网中采用的F频段，即为TD-SCDMA和TD-LTE邻频的方式部署。因此，TD-LTE的网络规划还需要考虑同TD-SCDMA系统的邻频共存问题。当两系统邻频共存时，由于现网TD-S上下行时隙配置为2:4，需要TD-LTE的DwPTS时隙在TD-SGP之外。通过计算DwPTS超过目前按照协议要求配置的3个符号后依然不会对TD-S上行造成干扰（如图1所示）。此时，TD-LTE的子帧配置为1:3，特殊子帧配置只能选取3:9:2。

通过以上分析可以看出，TD-LTE在同TD-SCDMA邻频共存时，目前只能采用子帧配置为1:3殊子帧配置3:9:2。从表3中可以看出，这种配置方式由于在特殊子帧浪费了较多的资源，因此其相较于方案一在下行速率仅提升14%的情况下，上行吞吐量降低了50%，频谱效率较低。

综合考虑TD-LTE帧结构配置与同TD-SCDMA邻频共存，在室外考虑采用F频段和D频段时，本文建议的子帧配置方法如下：对于宏基站，TD-S采用2:4时隙配置时，为避免交叉干扰，TD-LTEF频段宏基站业务子帧配置应为1:3，特殊子帧配置为3:9:2；D频段宏基站根据上行业务需求情况可全网将业务子帧配置为2:2，特殊子帧配置为10:2:2。对于室内分布站点，原则上业务子帧配置为1:3，特殊子帧配置为10:2:2，上行业务需求大的楼宇可将业务子帧配置为2:2，特殊子帧配置为10:2:2。

通过以上子帧配置，可以满足在不同场景下的TD-LTE业务速率需求，并根据场景及业务应用的不同进行调整。

2.2 正交频分复用接入与频率组网方式

OFDM技术通过将频率选择性宽带信道划分成若干重叠但是相互正交的非频率选择性窄带信道，避免需要利用保护带宽来分隔载波，并因此获得较高的频谱利用率。也正因为OFDM子系统信道在接收机能完全分离，降低了接收机的实现复杂度，使得OFDM系统对于高速率的移动数据传输有较大的适用性，例如LTE下行链路。OFDMA是OFDM技术的演进。将OFDM扩展到多用户通信系统。

由于OFDMA可以实现小区内各用户的正交，从而有效避免用户间干扰。这使其可以实现很高的系统容量。但是，虽然多载波系统在小区内部可以更直接的实现正交传输，但却有可能带来更严重的小区间干扰，因此，其小区间多址问题将更为严重。在进行频率组网方式选择时，一般有三种方式，即同频组网、异频组网以及频率移位频率复用（FSFR）。

本文将通过系统级仿真对这三种组网方式的组网性能进行对比。其中，场景1为FSFR，其Cell1、Cell2和Cell3的带宽都是20MHz，其中Cell1与Cell2存在5MHz的频带复用，Cell2与Cell3存在
5MHz的频带复用。场景2为异频组网，小区没有频率复用部分，每个小区各占20MHz的带宽，总系统带宽是60MHz。场景3为同频组网，即采用20MHz带宽的同频组网。

由表4可知，异频组网的吞吐量也最高，同频组网的吞吐量最低，FSFR组网居中，异频组网吞吐量分布比同频组网好20Mbit/s以上。从频谱效率来看，采用同频组网的小区频谱效率较FSFR和异频组网提高约45%，而小区边缘频谱效率约低32%。从另一方面看，异频组网的高性能是以牺牲频谱利用率为代价得到的。

因此可以看出，虽然同频组网的小区边缘用户速率低，但其频谱利用率最高。因此，在规模试验网阶段，频率组网方式均采用同频组网。而在需要小区边缘用户吞吐量较高的场景下，可通过开启小区间干扰协调（ICIC）技术进行提升。

2.3 多天线技术

3GPP在R8[1]中定义了7种PDSCH多天线传输模式，R9[2]在此基础上增加了第8种传输模式（双流波束成形），有效地支持了8阵元智能天线。每种传输模式中，都包含了两种传输方案：主传输方式和回退方式。回退方式主要用于信道状态突变或传输模式切换时的过度状态，回退方式一般都采用可靠性较高的发送分集。

LTE中规定的多天线传输方式可如表5所示。

表5所示的8种传输方式中，实际应用主要使用的有3种：传输方式3，传输方式7和传输方式8。传输方式3为多流传输，传输模式7用以支持基于专用导频的波束成形技术，传输模式8将波束成形扩展到了双流传输，实现了波束成形与空间复用技术的结合。双流波束成形技术可同时传输两个数据流给同一用户，系统峰值速率加倍，从而明显增加吞吐量。

根据规模试验网联合测试结果表明，覆盖距离按照5Mbit/s小区边缘速率的要求，8天线下行覆盖半径平均可以提升39%，上行覆盖半径平均可以提升44.56%；单UE吞吐量，8天线相对于2天线增益约40%，在小区边界增益约70%；8天线赋形增益水平为4～6dB；8天线抗干扰水平在实测案例中约高25%；8天线同2天线规模组网的KPI性能，包括切换成功率、掉线率、寻呼成功率以及连接建立成功率等均相当。

由上述分析，在连续覆盖的多种场景下，8天线相比2天线在覆盖、吞吐量方面都具备显著优势。8天线适合室外连续覆盖，2天线适用于热点覆盖、补盲、道路覆盖等场景。

但在实际网络部署中，由于8阵元天线的体积更大，重量更重，因此对于基站的配套建设也提出了较高的要求。表6列出了常见的8阵元和2阵元天线的基本参数。

可见，在体积、重量等硬件指标方面，2阵元天线具有不容忽视的优势，因此，其在部署上也相对较容易。2阵元天线由于体积相对较小，重量相对较轻。如在满足系统隔离度的情况下，可以更方便地利用已有2G或TD-SCDMA系统天线抱杆的空余位置或预留抱杆安装。同时，2阵元天线便于实施一些特殊的美化形式，如PVC排气管型美化，外墙变色龙美化等形式。由于体积相对较小，综合风阻较轻，2阵元天线相对8阵元天线安全性更高。综上所述，2阵元天线在实际网络建设中具有部署难度较小等优势，对于8阵元天线实施困难的站点是一种可以选择的替代方案。

因此，在TD-LTE规模试验网网络规划中，8阵元天线在容量和覆盖性能有一定优势，可以减少站址需求，考虑到中国移动具备丰富的8阵元天线实施经验，建议在大部分基站采用8阵元天线。2阵元天线主要在部分实施受限的场景、基带集中建设场景采用，主要可应用于如天面受限站点、物业和居民对大面板天线反感较大，难以实施的站点、街道站、高速公路站点、补盲站点以及其它8阵元天线不适合采用的站点等。

3 结论

本文通过对TD-LTE采用的关键技术，如OFDM、MIMO、帧结构等进行研究，分析了由于这些关键技术的变化所带来的TD-LTE系统较2G/3G通信系统在网络规划策略上的变化。根据3GPP中TD-LTE的子帧配置和2G/3G数据业务上下行占比，同时考虑和TD-SCDMA系统邻频共存的问题，给出了子帧及特殊子帧配置方法。对于OFDMA系统主要干扰来自于相邻小区的小区间同频干扰的特点，通过系统仿真，给出了效率最高的频率组网方式。同时，论文通过对不同多天线方式在性能和工程实施上的综合对比，提出了一系列多天线网络规划方法。论文通过理论与实践的
结合，所得出的成果对TD-LTE组网及规模建设均将起到指导作用。

参考文献
[1]3GPP TS36.211 Physical Channels and Modulation[S].
[2]3GPP TS36.213 Physical Layer Procedures[S].
[3]赵训威，林辉，张明，姜怡华等.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社.
[4]王映民，孙韶辉等.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社.