LTE TDD技术演进之路
发布时间：2012-10-8 14:05
发布者：eechina
|
作者：Radisys公司Renuka Bhalerao 随着智能设备的兴起，人们的下载内容数量空前巨大，这给网络带来了很大的压力。全球无线运营商因此在高速移动宽带服务方面面临日益增长的需求。越来越多的用户倾向于极耗带宽的应用，例如YouTube和Netflix，运营商不得不寻找新的技术来领先这些不断增长的需求。 
图1： 许多运营商将LTE视为移动宽带技术的全球事实标准，因为LTE具有节省成本、频谱效率高、移动性和互操作性等优点。然而，即使是使用了LTE，运营商发现为了向用户提供类似有线的速度和功能也极具挑战。根据高通公司最近发布的报告，虽然LTE允许运营商使用新的更宽频谱和弥补现有3G网络以处理越来越多的移动业务，但无线链路的改善在很快接近理论极限，而运营商可用频谱资源通常又非常有限而且费用很高。 在向无线用户提供类似有线体验的竞赛中，运营商想尽了一切方法。运营商已经在通过小型蜂窝和Wi-Fi卸载数据流量，但却发现这些解决方案都缺少移动性。当住宅、机场和咖啡店等热点附近聚集有许多用户时，Wi-Fi能有效改善这些用户的体验，因为他们可以将数据业务卸载到Wi-Fi上，但这不支持用户移动时使用。宏蜂窝和小型蜂窝的混用(也称为异构网络(HetNet))以及小型蜂窝增殖服务(如本地IP接入(LIPA))可以在一定程度上减轻压力，但这些解决方案也受限于特定位置和用户数量。 正当运营商为卸载数据流量想尽办法时，以LTE形式出现的时分复用(TDD)开始大放异彩。TDD有潜力被定位为频分复用(FDD)网络的补充解决方案，可用来给拥塞区域增加容量，提供新的数据卸载方法，并作为小型蜂窝部署的回传手段。 什么是TDD？ LTE技术有两种工作模式：FDD和TDD，它们在技术上非常相像，是同一射频接入标准的一部分。2009年LTE FDD和TDD同时被定义和引用为3GPP规范的一部分，用于在公共核心网络架构上高效地使用成对和不成对频谱分配。两者的主要区别在于所使用的复用方法。 在LTE FDD和LTE TDD中，发送的信号都是被组织为持续时间为1ms的子帧，10个子帧则组成一个完整的射频帧。正常情况下每个子帧由14个正交频分复用(OFDM)符号组成(在扩展循环前缀中有12个OFDM符号)。虽然LTE FDD和LTE TDD的帧结构在很多方面是相同的，但仍有一些区别——最明显的是TDD中使用了特殊子帧。TDD中的子帧要么分配给上行链路(UL)传输，要么分配给下行链路(DL)传输。 在FDD工作时，共有两个载频，一个用于上行链路传输，一个用于下行链路传输。因此在每个帧中共有10个上行链路子帧和10个下行链路子帧，上行链路和下行链路传输可以在一个蜂窝内同时进行。 在TDD工作时，只有单个载频，蜂窝中的上行链路和下行链路传输在时间上总是分开的。由于上行链路和下行链路传输使用相同的载频，所以基站和移动终端必须在收发之间来回切换。这样，由于一个子帧要么是上行链路子帧，要么是下行链路子帧，因此每个方向上每个射频帧的子帧数量小于10个。 
图2：由于在不同频率上的DL/UL是固定的，FDD可以覆盖更大的区域，但TDD因为具有灵活的下行链路/上行链路配比，因此能够提供更大的下行链路容量。 LTE TDD与FDD的关系 TDD相对来说比较容易通过动态改变上行链路和下行链路之间的容量比来重新分配时隙，因此非常适合今天下行链路业务重的应用模式。在大多数情况下，网络运营商希望下行链路容量比上行链路大，因为用户更多地是要下载像视频和网页等内容，而不是上传他们创建的内容。 除了应用于TD-SCDMA的区域性部署外，TDD在3G网络中并没有得到广泛普及，但在LTE中TDD具有很大的潜力。运营商们一开始不太愿意采用这种新技术，因为这种技术与WiMAX非常类似。但自从认识到TDD和FDD技术可以完美共存后情况有了改变，现在已经在新市场中积极支持TDD LTE。由于TDD和FDD具有公共的核心网络架构，因此不存在额外的资本支出(CAPEX)，两者可以实现无缝的互操作。主要区别是TDD需要一个特殊的射频(RF)单元。另外一个显著的区别是物理层定义，更高层和网络架构的其余部分则仍然适用于FDD。 然而，FDD仍然处于领先地位。大多数商用LTE网络基于的是FDD，因为FDD生态系统更加成熟，也是大多数频谱分配进行的地方。全球所有主要运营商的4G LTE网络已经获得了宽带的FDD频谱，非常适合语音通信，因为其上行链路和下行链路天生是对称的。另外，由于在不同频率上的DL/UL是固定的，因此FDD可以覆盖更大的区域。 然而，一些运营商能够充分发挥TDD的优势，他们的做法是联合部署TDD和FDD两种技术，为非常不对称的应用卸载业务，比如视频、或机到机(M2M)等更新的领域。举例来说，沃达丰开发出了一种创新的LTE TDD用例，可用作小型蜂窝部署的回传。随着多媒体广播和组播服务(MBMS)吸引力的增大，在下行链路中使用不成对TDD高效地提供这种广播信息同时不影响FDD上并行提供的用户服务具有更加重要的意义。 现有FDD网络可以利用LTE TDD优势实现目标性扩容，并通过尽可能利用公共EPC网络架构确保更大的规模经济。TDD特别适合热点扩容(毫微蜂窝和毫微微蜂窝)和小型节点最初的新LTE TDD网络规划。LTE TDD是小型节点很好的室内补充技术，因为它不会干扰FDD网络。LTE TDD也是使用不成对频谱的理想技术，这种频谱一般处于最适合扩容的更高频段，因此分片较少。大多数FDD部署使用2.6GHz，但一些最大的展示工程会使用其它频段。在许多不同频段部署一种技术的风险在于普及上的困难，因为制造商不会制造出许多设备来提供支持。TDD的地位则好得多，因为大多数工程希望只使用两个频段：2.3GHz和2.6GHz。芯片组制造商对于人口多的国家部署2.3GHz特别感兴趣。TDD还带动了许多智能天线技术，如波束成形。LTE TDD热点和LTE FDD宏蜂窝的混合将进一步提升容量并扩大覆盖率。 大多数网络基础设施设备和器件芯片组供应商的商用产品都同时支持TDD和FDD，这表明他们认可这两种技术具有很大的市场潜力。这种做法可以简化实现，最大程度地减少部署LTE TDD所需的额外运营成本/资本支出(OPEX/CAPEX)。TDD在数据吞吐量和延时指标方面与FDD相当，并且支持从FDD到TDD或者相反方向的切换(HO)。 这是混合LTE TDD/FDD部署模型的新开始。 TDD技术目前应用状态 LTE TDD有望在2015年得到广泛普及，并达到8900万个连接，占当年总预测LTE连接数量的约25%。 
图3：Ovum公司预测LTE FDD将在大约2012至2013年腾飞，而LTE TDD将在大约2013年至2014年腾飞。 虽然人们预计LTE TDD和FDD一样将在更高带宽内得到最广泛的使用，但在1.4MHz至20MHz范围内共定义了6个载波带宽。电信界已经在后向兼容性方向和重新选择方面研究额外的定义。此外，将LTE推向公共安全和健康护理等其它市场使得TDD技术开始全面演进——TDD在这些市场算是真正启动起来了。 TDD器件其实并不缺乏。高通就是美国手机芯片组市场中的一家主导公司，该公司即将发布一款多模式LTE FDD/LTE TDD芯片组，并且后向兼容3G服务。中兴和许多其他公司也在开展这方面的研究，以确保在不额外增加成本的条件下推出同时支持FDD和TDD的产品。 TDD频谱已经在许多国家获得了分配。欧洲和亚洲的几家UMTS移动运营商收获了2.1GHz频段的小块TDD频谱。这个频谱是与更大的UMTS FDD信道频谱同时分配的，而在大多数情况下TDD频谱从未用过。然而，大多数运营商选择在2.3GHz和2.6GHz推行TDD。这些频段可以提供最大的连续频谱块，因而支持实现可能最好的性能。 虽然TDD销售很快，但不成对频段仍然可用，而且不像FDD那么昂贵。欧洲、亚洲和拉丁美洲等国家都遵循欧洲邮政电信会议(CEPT)建议，这意味着2.6GHz拍卖时应将50MHz的TDD与2x70MHz FDD捆绑在一起。其它国家则允许运营商决定选择哪种技术。另外，一些市场会发布技术上中立的许可，从而允许许可获得方在LTE TDD中使用他们的频谱。 与此同时，全球供应商一直在做互操作性测试(IOT)，这使得TDD技术越来越可靠，而且许多供应商已经宣布了部署LTE(FDD或TDD)的计划。例如，TDD是WiMAX运营商或采用2.3GHz或2.5GHz频谱的新进运营商的一个选择项，因此业界存在WiMAX运营商切换到LTE的趋势。在开发LTE TDD解决方案中，从WiMAX部署中获得的专业技术也是一种有价值的资产，因为这两种技术都是基于IP OFDM的技术。这些相似性为WiMAX运营商转向LTE提供了一条便捷的途径。 TDD推向不同的市场和地区 TDD在亚洲和欧洲已经得到启动，因为在这些地区许多部署项目在其网络推广计划中包含了TDD。UK Broadband(UKB)正在伦敦使用华为的LTE TDD解决方案搭建第一个LTE网络。这是全球第一个LTE TDD 3.5GHz部署项目，也是英国第一个商用的LTE TDD部署项目。UKB在2012年5月开始运作批发模型，并与合作伙伴一起向商业、消费和公共领域提供商用服务。在北京等大城市，许多人居住在由钢筋混泥土组成的高楼大厦中，因此想要过渡到4G/LTE等频率技术的移动运营商将面临覆盖率和质量的挑战。为了改善服务，运营商正在规避本地FDD宏蜂窝基站，同时使用住宅TDD毫微微蜂窝在家庭宽带连接上传送呼叫。 中国和印度一直致力于部署这种技术，其它国家的运营商也表示支持，主要原因还是规模经济。TDD代表了中国移动的未来宽带策略，印度的宽带无线接入(BWA)拍卖也提升了业界对LTE TDD的兴趣。对支持TDD的设备的最初需求主要在中国和印度，因为在开放空中接口上如何传送帧方面TDD具有更大的灵活性。这些国家迫切需要基于TDD的毫微微蜂窝，因为与FDD相比，TDD能更加方便地管理容量并减少干扰。随着三个最大地区选择LTE TDD部署，其它国家也很可能去争取这个市场份额。例如，Clearwire和Sprint已经将TDD带进了美国。 Radisys Trilium LTE软件同时支持FDD和TDD。在最近的一个案例研究报告中，有家一级电信设备制造商(TEM)整合了Trillium的TotaleNodeB LTE毫微微蜂窝软件，并签约了源自Radisys服务的PHY/MAC综合帮助，因此与全部自己开发相比显著节省了时间与开发成本，可以在6个月内完成产品上市，而全部自己开发需要两年甚至更长的时间。Trillium软件设计支持从小规模部署到大规模部署的各种应用，并经过优化可以在多种架构上运行具有有限资源的单处理器。 
图4：Radisys提供LTE TDD解决方案以及完整的端到端LTE解决方案。 本文小结 借助大量数据卸载技术和HetNet概念的推出，频谱效率得到了显著提高，创新的数据规划不断出台，向无线用户提供类似有线体验的移动宽带梦想正在逐步变成现实。TDD技术的出现开启了混合LTE TDD/FDD部署模型的新篇章，为扩容和数据卸载提供了新的途径。业界正在向混合LTE部署发展，其中毫微微蜂窝和小型蜂窝采用TDD，宏基站使用FDD，从而创建出能够消除干扰问题的HetNet拓扑。在毫微微蜂窝上实现TDD可以改善信号质量，优化带宽分配，从而向最终用户提供高质量的体验。TDD已经成功展示出能够克服目前无线网络所面临挑战的潜力。由于采用了经济的频谱，在拥挤地区TDD将成为后援技术，可以通过卸载视频和M2M等应用的不对称数据实现扩容。 关于作者 Renuka Bhalerao是Radisys公司的一位首席系统架构师，主要研究3G和LTE无线技术以及相关的网络架构。Renuka在电信软件和系统方面拥有丰富的工作经验，并且擅长于无线、小型蜂窝和VoIP等专业领域。 |
网友评论