作者：黃岳 蘭來喜

1 LTE系統標準演進

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的基本需求。IMT-Advanced系統需求明確指出：在高速移動場景下，未來移動通信系統能夠支持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系統已逐漸展示在我們眼前。

LTE系統從定義需求開始。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系統的互操作。
    
●支持增強型的廣播多播業務。
    
●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)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域業務在PS(包交換)域實現，如采用VoIP。
    
●對低速移動優化系統，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，對低移動性進行優化，只支持PS域，強調廣播多播業務等。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系統平滑過渡。LTE系統與WiMAX系統一樣都選擇了OFDM作為基本技術，而非CDMA技術。

如前所述，在LTE系統中對系統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邊緣節點IP層包數據至RAN邊緣節點或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)系統基本幀結構差異本文不作分析。就基本幀結構而言，TDD系統保留了從TD-SCDMA系統設計而來的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。
    
●傳播環境：Urban Macro。
    
●鏈路模型：SCM-E，3km/h。
    
●基站發射功率：PBS_max :46dBm。
    
●TDD配置：TDD UL:DL，2:2；Special Frame：10:2:2。
    
●終端發射功率：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系統與FDD系統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系統與FDD系統的頻譜效率相當。那么TDD系統和FDD系統還有哪些差異呢？

3 TDD系統可以支持8T8R Beamforming

智能天線技術在TD-SCDMA系統中的使用標志著TDD系統在多天線技術上的突破。LTE TDD系統在設計初期就考慮了對多天線技術的支持，LTE系統雖然不在是CDMA系統，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信息來進行發送信號的權值計算。該特點的實現主要是由于TDD系統的上/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系統來說，由于上/下行鏈路使用不同的頻點發射，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，這是TDD系統所獨具的優勢(見圖2)。


     圖2 智能天線技術在TD-LTE系統的應用

4 相同頻段下8T8R比2T2R增益明顯

在頻譜效率相當，TDD系統又獨具多天線優勢條件下，我們再來看看TDD系統在使用8天線條件下與FDD系統(常規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，室外宏基站高度為45m。
    
●天線增益18dBi-2T；17dBi-4T；15dBi-8T。
    
●基站發射功率：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在小區平均吞吐率和邊緣吞吐率上將獲得顯著增益：

●上行小區平均吞吐率增益約50%；小區邊緣用戶吞吐率增益達100%以上。
    
●下行小區平均吞吐率增益約25%；小區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系統無論是在吞吐率還是覆蓋能力方面都較2T2R的FDD系統有著明顯的優勢。

5 TDD系統還可以支持多用戶Beamforming

TDD系統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：為了提高系統容量，在系統負荷比較高的情況下，LTE TDD系統將多個數據流通過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規模技術試驗中，華為的8天線相關內場測試中各項指標優異，率先進入實際外場大規模組網驗證階段。

本文通過對使用8T8R的多天線TD-LTE系統與2T2R LTE FDD系統在頻譜效率，吞吐率，覆蓋能力上的仿真對比，闡述了TD-LTE系統使用8通道天線的獨特優勢。相信隨著多天線技術和進一步優化，以及在天線產品規格形態上的進一步演進和提升，多天線技術勢必會為LTE系統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。