TD-LTE基站产品规划研究

许灵军，邓 伟，程广辉，杨 光

（中国移动通信研究院 北京 100053）

TD-LTE基站产品规划研究

许灵军，邓 伟，程广辉，杨 光

（中国移动通信研究院 北京 100053）

TD-LTE基站是TD-LTE无线网络产品中的惟一网元，它具有高带宽、高峰均比、多射频通道、多天线的特点。这些特点对TD-LTE基站产品类型影响很大，并对TD-LTE基站产品设计和规划提出了挑战。本文基于TD-LTE的网络部署需求及基站实现水平，对TD-LTE基站产品规划中的关键问题进行研究，主要包括基站产品类型规划、软件功能规划、硬件规划等。

TD-LTE；产品规划；基站产品类型；软件功能规划；硬件规划

1 TD-LTE无线网络产品概述

TD-LTE无线接入网位于核心网和终端之间，负责核心网和终端之间的信息交互。由于3GPP把3G无线接入网叫做UTRAN，考虑到TD-LTE无线接入网是3G无线接入网的演进，因此TD-LTE无线接入网被称为演进型UTRAN（evolved UTRAN，E-UTRAN）。图 1是 TD-LTE 无线接入网的结构框图[1]，由于TD-LTE无线接入网的扁平化架构，其无线接入网只有一种网元——eNB（enhanced NodeB，eNodeB），即“增强型 NodeB”。在 TD-LTE 无线接入网的结构框图中，eNodeB和核心网的MME/S-GW之间采用S1接口，eNodeB之间采用X2接口。

eNodeB负责TD-LTE系统的接入网（E-UTRAN）部分，eNodeB除了包含R6中NodeB的全部功能外，还加入了无线资源管理和路由等功能，通常可以认为eNodeB由3G无线接入网中的NodeB和RNC合并而成。对于TD-LTE系统来说，鉴于其无线接入网只有eNodeB一种网元，因此TD-LTE无线网络产品也即eNodeB产品——TD-LTE基站产品。

为了提高TD-LTE系统的吞吐量，TD-LTE基站采用比以往基站设备更高的载波带宽（每载波带宽最高可以达到20 MHz）；此外，为提高频谱效率，TD-LTE基站采用了OFDM技术以及诸如MIMO、Beamforming的多天线技术。这些技术的应用会大大提升TD-LTE系统的吞吐量，但与此同时也使TD-LTE基站产品具有高带宽、高峰均比、多射频通道、多天线的特点。TD-LTE基站产品的特点对产品类型影响巨大，因此必须对TD-LTE基站产品类型进行研究。

此外，根据TD-LTE基站产品的设计需求，与已有的3G基站产品相比，TD-LTE基站产品具有高带宽、高频谱效率、高集成度、高功率效率的显著优点。其中，高带宽和高频谱效率使得TD-LTE基站具有超高的吞吐量 （大容量），也即TD-LTE基站具有高性能；高集成度和高功率效率使得TD-LTE基站具有更低的CAPEX和OPEX，也即TD-LTE基站具有更低的成本。综合TD-LTE基站的4个优点，可以看出未来的TD-LTE基站产品具有很高的性价比。但TD-LTE基站产品在获得高性价比的同时，产品设计时也会面临诸如宽频带设计、高峰均比、高效率功放设计和多天线技术等多个方面的挑战。

产品设计面临的挑战是TD-LTE基站产品规划时需要重点解决的问题，因此TD-LTE基站产品规划时，需要从产品设计面临的挑战出发，对TD-LTE基站产品的软件功能规划及硬件规划进行研究。

2 TD-LTE基站产品类型

TD-LTE基站产品具有高带宽、高峰均比、多射频通道、多天线的特点，这些特点对TD-LTE基站的产品类型影响显著。由于TD-LTE基站产品类型对于无线网络部署极为关键，下面就对TD-LTE基站产品类型进行研究。

2.1 基站产品类型

综合考虑应用场景和处理能力，可以将TD-LTE基站可以分为宏基站、微基站、微微基站（Femto和Pico）3种，如表1所示。

TD-LTE网络初期部署中Femto和Pico基站的应用场景较少，目前暂不考虑。宏微基站在实现上具有一体化和分布式两种硬件结构，所以以下主要考虑一体化宏基站、分布式宏基站、一体化微基站、分布式微基站4种基站类型的应用规划。

2.2 基站产品引入建议

随着竞争加剧，国内外各大运营商都在想方设法降低OPEX和CAPEX。由于分布式基站能够显著降低OPEX和CAPEX，因此受到了国内外运营商的持续青睐。国外运营商在部署商用3G网络时，已经大规模采用分布式基站，而中国移动在部署TD-SCDMA试验网时也全部采用了分布式基站，因此分布式基站已经成为主流运营商的首选站型。

结合主流运营商的站型选择倾向，并对未来TD-LTE网络部署的需求进行分析，笔者给出初期部署阶段4种类型基站的引入建议，如表2所示。

建议后期引入分布式微基站（具备MIMO功能）用于中小型建筑物的室内覆盖

由表2中的引入建议可以看出：

表1 3种TD-LTE基站主要特点对比

表2 4种TD-LTE基站的引入建议

·分布式宏基站是TD-LTE基站的主打站型，此站型不仅可以用于室外大范围宏蜂窝覆盖，还可以用于建筑物的室内覆盖。因此，建议运营商部署TD-LTE网络时主要采用此种站型。

· 对于一体化宏基站来说，由于一体化宏基站浪费站址资源，且由于TD-LTE基站采用多天线技术，馈缆数量很多，馈缆束的大体积和高重量导致基站馈缆的安装维护极为困难，因此建议运营商在部署TD-LTE网络时，尽量避免采用此种站型。

· 考虑到一体化微基站的低成本及安装便利性，建议网络部署初期，采用一体化微站进行补盲覆盖；网络部署后期，采用一体化微站进行补热覆盖；对于站址获取困难的场景，建议优选一体化微站进行网络覆盖。

· 对于分布式微基站来说，其应用场景是中小型建筑物室内覆盖和室外补盲覆盖。对于中小型建筑物的室内覆盖应用，分布式微基站相比分布式宏基站更具成本优势，但考虑到TD-LTE系统初期部署阶段也可以采用室外宏基站对中小型建筑物进行室内覆盖，因此TD-LTE初期部署阶段，分布式微基站在室内覆盖中的应用较少，而分布式微基站用于室外补盲覆盖时，又会面临一体化微基站的巨大竞争，因而分布式微基站用于室外补盲的场景也不多。综合可知：分布式微基站在TD-LTE网络中的应用较少，但它在某些特定场合仍然可以很好地辅助分布式宏基站和一体化微基站进行网络覆盖。设备厂商可以只开发分布式微基站的RRU，而采用分布式宏基站的BBU，以形成分布式微基站产品。建议TD-LTE网络部署后期引入分布式微基站用于室外补盲。

3 TD-LTE基站产品软件功能规划

TD-LTE基站产品软件功能部分，主要包含TD-LTE商用网络所需要的一些无线功能、TD-LTE特有功能规划以及由于TD-LTE网络重点部署密集城区而引起的多网互操作功能。

3.1 基本功能规划

针对TD-LTE商用网络的特点，TD-LTE基站产品的无线功能规划如下：

· 支持多种带宽配置，5 MHz/10 MHz/15 MHz/20 MHz，支持运营商灵活配置；

· 支持多种帧结构配置，包括 5 ms 2DL∶2UL，5 ms 3DL∶1UL；

·支持特殊子帧的灵活配置及PRACH时频资源位置可变；

· 支持同频/异频切换；

·支持各种物理层过程，包括下行功率分配、上行功率控制、HARQ、资源动态调度、小区初搜、随机接入等；

·支持更完善的无线功能，包括调度、多天线技术、功率控制、无线资源管理、移动性管理、小区间干扰协调及无线帧结构、负载均衡和特殊时隙的灵活配比功能；

·支持多种天线模式，包括发射/接收分集、空分复用、智能天线、上行MU-MIMO；

·支持基于波束赋性的干扰消除；

· 具备自优化网络（SON）功能，包括自启动、自配置、PCI自配置及邻区关系自配置。

3.2 TD-LTE特有功能规划

与LTE FDD相比，TD-LTE具有一些特有的功能，主要包括特殊子帧结构和UpPts上sounding信号的发送方面。下面对TD-LTE特有功能规划进行介绍。

（1）灵活的特殊子帧结构配置

TD-LTE在子帧0后存在一个特殊子帧，包含DwPts、GP、UpPts，分别用于下行导频发送、保护间隔、上行导频发送。由于TDD存在固有的上下行交叉子帧干扰问题，为避免以上干扰，需根据下行DwPts对UpPts的干扰强度和时长来确定GP的长度，最多时，需将GP设置为12个符号长度，但GP过长，会占用DwPts的符号长度，从而影响下行速率。为兼顾两方面的需求，故需产品能支持多种应用场景下的特殊子帧配置。一方面，为规避上下行交叉子帧干扰，要求支持 GP 占用 9 个符号的配置（3∶9∶2）；另一方面，要保证下行高资源利用率，要求支持GP占用2个符号的配置（10∶2∶2）。

（2）UpPts上 sounding信号的发送

TD-LTE系统由于上下行使用相同的频率资源，故具有上下行信道互易性。基于该互易性，TD-LTE使用智能天线技术能够大大提升TD-LTE系统性能。为保证TD-LTE中使用智能天线技术的性能，故在系统设计时在UpPts中的两个符号上都能发送sounding信号。另一方面，若仅在UpPts上发送sounding，将导致sounding信号的发送次数较少，故仍然需要在普通上行子帧上发送sounding。从产品要求来看，则需要产品能够同时支持在UpPts及普通子帧上发送sounding信号。

3.3 多系统互操作功能规划

TD-LTE的商用网络特点，决定了其必然要求TD-LTE产品支持覆盖引起的网络间互操作。网络间互操作既涉及技术问题，又与运营策略相关，譬如：如何在引导用户体验TD-LTE网络带来的新业务和更高的服务质量的同时，维护原有GSM和TD-SCDMA客户群的利益；如何最大化利用现有2G和3G网络的覆盖和优秀质量等；运营商如何针对不同网络的特点制订相应的业务定位等。借鉴已有3GPP标准，TD-LTE中可能的互操作方案如图2所示。

TD-LTE与其他系统的语音切换最终方案为SR-VCC，但该方案还处于优化阶段，且对网络设备建设和改造要求较高，故在此方案成熟可商用之前，需一种语音方案进行过渡。当前考虑使用TD-LTE与2/3G双模双待终端方案进行过渡，2/3G模提供包括语音等多种业务，而TD-LTE模仅支持PS域业务。预计最早2011年TD-LTE双模终端能支持语音业务。

4 TD-LTE基站产品硬件规划研究

4.1 硬件设计面临的挑战

为了实现TD-LTE基站产品的高性价比，TD-LTE基站硬件设计中将会面临以下4个方面的挑战。

（1）宽频带设计

高达20 MHz带宽的宽带系统设计是TD-LTE基站硬件设计中的最大挑战，主要有3大难点：宽带收发信机设计、宽带系统基带处理和接口设计，分别表述如下。

·宽带收发信机设计：宽带收发信机设计是TD-LTE基站硬件设计中的最大难点，它又可以分为宽带发射机设计和宽带接收机设计。其中，宽带发射机设计需要在高带宽的条件下，解决高线性度和高功率效率互为矛盾的难题；而在宽带条件下，如何设计出高灵敏度、高动态范围的宽带接收机也极为困难。

· 宽带系统基带处理：带宽的增大及MIMO、OFDM等物理层技术的采用，对于TD-LTE基站的基带处理能力提出了更高的要求，因此对基带处理模块中处理器的速率和内存容量提出了很高的要求。

· 接口设计：高带宽将加大不同模块间通信接口的数据传输速率，对接口设计提出了更高的要求和挑战。此外，对于分布式基站来说，BBU和RRU间接口的传输带宽随着带宽的增大和多天线技术的采用，而成倍增大。比如当带宽为20 MHz、采用8天线收发时，BBU和RRU间接口的传输带宽高达9.8304 Gbit/s。

（2）高峰均比

为了获得高频谱效率，TD-LTE系统中采用了QAM高阶调制、MIMO、OFDM等技术。其中QAM高阶调制和OFDM技术在显著提高频谱效率的同时，也带来了高峰均比问题，下面分别介绍。

·QAM高阶调制：诸如64 QAM等高阶调制技术的采用，使得射频载波的相位和幅度同时承载有用信息，从而导致射频信号的包络产生波动；通常调制阶数越高，QAM调制后的射频信号的幅度波动越大，也即峰均比越高。

·OFDM技术：OFDM是多载波调制技术，其主要思想是将整个信道分成若干个相互正交的子信道，在每个子信道进行调制和传输。如果多个信号的相位一致时,所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较高的峰均功率比（PAPR）。

TD-LTE信号的高峰均比对基站功率放大器的线性度提出了过高的要求，虽然采用诸如数字预失真的功放线性化技术可以改善功率放大器的线性度，但仍会降低基站功放的功率效率。此外，对于线性度恒定的功放而言，一旦输入信号的峰均比高于某个门限，功放会带来信号畸变，使信号的频谱发生变化，产生带内失真和带外干扰，从而恶化系统性能。因此，必须想方设法降低TD-LTE信号的高峰均比问题。

为了解决高峰均比的问题，TD-LTE基站设计中采用了峰均比抑制（CFR）技术。目前，比较流行的技术就是“限幅+滤波”技术，在信号质量符合要求的前提下，采用这种技术可以把TD-LTE信号的峰均比降低4～5 dB，获得峰均比低于8 dB的信号。

（3）高效率功放设计

为了降低功放模块的成本、功耗和体积，在TD-LTE基站设计中采用高效率功放设计技术势在必行。目前高效率功放设计技术主要包括如下3种。

·PA线性化：可以改善功放的线性度，从而通过牺牲部分线性度换取更高功率效率。目前数字预失真（DPD）是最为经济有效的PA线性化技术。

· Doherty：Doherty功放包含2个并联的功放 （主功放和辅助功放），主功放一直工作，辅助功放到设定的峰值才工作。

· 包络跟踪（ET）：根据功率放大器输入射频信号的包络动态调整功率放大器的漏极电压。

通常为了获得更高的功率效率，上面的几种技术可以组合使用，也可与CFR技术结合应用。目前，有可能应用于TD-LTE基站的高效率功放设计的技术组合主要有3种：“DPD+CFR”、“DPD+CFR+Doherty”、“DPD+ET”。这 3 种技术组合的对比如表3所示。

由表3中的对比可以看出：目前最高效的技术组合就是“DPD+ET”，这也是当前TD-LTE基站厂商争相研发的核心技术之一，此种技术组合应用于TD-LTE基站，可以获得超过40%的功放效率。

表3 三种高效率功放设计的技术组合对比

（4）多天线技术

为了提高TD-LTE系统的频谱效率和覆盖质量，TD-LTE基站采用了 MIMO、波束赋形（Beamforming）等多天线技术。多天线技术能够大大提升TD-LTE系统的吞吐量，并明显改善无线链路质量。但与此同时，多天线技术的采用会显著增加基站模拟射频部分的实现复杂度，要求各个天线具有独立的收发通道，因此相比GSM和UMTS而言，射频收发信机通道数量的增加，特别是发射通道的增加对射频收发信件的体积和成本影响较大，给设计带来一定的压力。此外，多天线技术的使用也增加了基带处理的复杂度，多天线情况下需要对每个天线通路的数据流进行并行处理以获取更高的数据率、阵列增益和共道干扰抑制能力，因而需要强大的计算处理能力，这对DSP和FPGA器件提出了更高的处理能力要求。

4.2 硬件规划关键问题研究

TD-LTE基站产品硬件规划中需要考虑整个基站硬件系统的诸多问题，由于整个基站从硬件上可以划分为：基带、射频、Ir接口和天线等4个部分，因此硬件规划中的关键问题有：基带单元（BBU）的架构设计、射频指标、Ir接口以及天线等，下面将分别介绍。

（1）基带处理单元的架构设计

基带单元的架构设计，也即如何把BBU的功能映射到各种硬件板卡中。目前基带架构方案层出不穷，但常见的BBU产品基带架构如图3所示，包含一块主控时钟板、一块传输接口板及多块基带处理板。

·基带控制背板：基带控制背板是安装在BBU机框背面的印制板，它通过板内的连接器使得每个电路板相互连接，单板间信号的传送，电源的供给，均由背板上印制线来实现，避免了电路板间的电缆缠结，从而使整个系统具有很高的可靠性与易维护性，也保证整机背面连线的条理性。基带处理板通过基带控制背板和传输接口板进行数据交换。基带控制背板的带宽越高，其所能处理数据的能力就越强，但同时设计成本也会越高。

·主控时钟板：主要负责主控和时钟两个部分的功能。通常，BBU控制面的处理工作都在主控时钟板中进行；由于时钟模块所占电路板面积较小，常与主控放在一块单板。主控时钟板是整个BBU的神经中枢，不仅控制着其他各块单板的运行，还为其他单板提供时钟信号。随着集成度的不断提高，目前也出现把传输功能跟主控、时钟集成到同一块单板的方案。

· 基带处理板：基带处理板主要负责用户面处理，包括层1、层2及高层的处理。由于BBU产品的典型配置是支持三扇区，因此一般为3块基带处理板，每块基带处理板负责一个带宽20 MHz扇区的基带处理。

·传输接口板：主要负责传输和接口功能，对于TD-LTE的传输接口板来说通常会具有吉比特以太网传输接口（GE）和光口。

（2）射频指标的折中

由于TD-LTE的RRU架构与3G网络中的RRU基本一致，因此对于TD-LTE基站RRU的架构就不再详述。但考虑到RRU射频指标对于TD-LTE系统性能具有显著影响，故在硬件规划时对其进行了较为深入的分析。

RRU的射频指标众多，硬件规划时射频指标的选取主要参考3GPP TS 36.104规范[2]。但考虑到某些射频指标之间互相影响，为了使TD-LTE设备能够更好地满足运营商的需求，必须对某些射频指标进行折中处理。下面就把需要折中处理的4个射频指标详述如下。

· 功率效率和EVM：3GPP规范中没有对RRU的功率效率进行定义，但考虑到实际运维成本，运营商要求RRU必须具有高的功率效率；而对于EVM指标来说，3GPP规范中给出的指标是64QAM调制时EVM不超过8%，但由于EVM指标跟系统吞吐量密切相关，因此从运营商的角度出发，希望EVM指标越严越好，也即EVM指标越低越好。但越严格EVM指标意味着更高的信号峰均比，从而导致低的功率效率，因此必须对功率效率和EVM指标进行折中处理。经过系统级仿真分析后，发现EVM指标从8%加严为5%，系统的平均吞吐量和小区边缘吞吐量分别提高了2.4%和2.5%；根据已有峰均比抑制技术的水平及PA模块的工作原理，当EVM指标由8%加严为5%后，峰均比将增大0.8 dB左右。理论上，在采用相同的PA模块时，基站的输出功率降低0.8 dB，从而使得整机功率效率降低为原来的83.2%，即EVM指标由8%加严为5%，基站的整机功率效率降低了16.8%；但在实际基站开发过程中，厂商可能采取降低设计余量的方式来减小整机效率的下降，整机效率降低1个百分点左右。经过简单的初步估算发现：EVM指标加严后，系统吞吐量提升所带来的价值有可能大于RRU增加的耗电费用。因此建议TD-LTE基站的EVM指标由8%加严为5%；同时根据目前设备厂商的硬件实现水平，当RRU的总输出功率40 W时，要求RRU的整机功率效率不低于25%，较高的功率效率指标是为了促使厂商不断技术创新。

· 接收机灵敏度和接收动态范围：接收机灵敏度表征基站接收机接收微弱信号的能力，此指标对于TD-LTE系统的上行链路质量极为重要，因此希望接收机灵敏度指标越高越好。接收动态范围表征了基站接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化范围。在接收机内部噪声电平一定的条件下，信号太弱便不能检测；信号太强，接收机会发生饱和过载，导致接收信号明显失真，因此接收动态范围是基站接收机的一个重要质量指标，在可能的情况下接收动态范围尽量大一些。但是接收动态范围越高，则要求接收链路上的混频器IIP3和ADC的动态范围越大，否则会导致总链路增益被迫减小，接收机的噪声系数（NF）上升，最终降低了灵敏度，因此必须在接收动态范围和接收机灵敏度两个指标间进行折中考虑。经过分析后笔者发现：把接收动态范围提高10 dB，接收机灵敏度基本上没有变化。此外，考虑到上行功控效果很好，基站接收机30 dB左右的接收动态范围已经足够，因此提高接收动态范围意义不大，因此建议接收机灵敏度和接收动态范围两个指标参照3GPP规范制定。

（3）Ir接口规划

Ir接口是BBU和RRU之间的通信接口，主要传输基带IQ数据和C&M（控制维护）数据。为了引入更多的厂商来开发TD-LTE的RRU产品，降低RRU产品的价格，制定一套完全开放的Ir接口势在必行。

已有的Ir标准主要有3个：CPRI、OBASI和TD-SCDMA Ir，其中前两个标准只制订了物理层和链路层的标准，没有做到真正的开放；虽然TD-SCDMA Ir标准是个完全开放的标准，但它主要适用于中国的3G标准TD-SCDMA，无法跟国际化的TD-LTE Ir接口相兼容，因此必须为TD-LTE重新制定一套Ir接口规范。

考虑到TD-LTE Ir接口规范的国际化需求，建议TD-LTE Ir接口规范的底层基于CPRI标准制定，而高层借鉴TD-SCDMA Ir规范。根据已有的TD-LTE网络部署需求，目前TD-LTE Ir接口规范制定2套接口速率：2.4576 Gbit/s和 9.8304 Gbit/s，其中 2.4576 Gbit/s支 持 2×2MIMO，9.8304 Gbit/s支持 8天线波束赋性或 4级级联的 2×2 MIMO。目前中国移动已经完成TD-LTE Ir接口规范初稿，并计划2010年在CCSA（中国通信标准化协会）完成TD-LTE Ir接口行标的制定工作。

（4）天线产品规划

在TD-LTE基站硬件规划时，除了BBU、RRU和Ir接口外，另一个值得关注的就是TD-LTE基站天线。对于TD-LTE基站来说，有2通道和8通道两种RRU产品，因此TD-LTE基站天线形式应该也有两种：两阵元天线（1副双极化天线，对应2通道RRU）和八阵元天线（4副双极化天线，对应8通道RRU）。但是对于某些运营商来说，如果其现网中的天线能够支持TD-LTE的工作频段，则可以考虑TD-LTE基站与现网基站共用天线。不同系统共用天线可以节省天面资源、降低施工难度，但也会带来如下负面影响。

· 网优困难：无法为每个系统独立调整天线下倾角。

· 天馈成本提高：需新增多个异频合路器（FDD双工器），由于每个支持2根天线的异频合路器成本较高（3 000元左右），导致新增异频合路器的成本高于天线本身成本（TD-SCDMA二期集采时8阵元天线的价格在2 000元左右）。

· 安装困难：上塔安装多个合路器很困难。

· 影响覆盖：合路器的引入会降低2个系统的基站输出功率，进而降低无线覆盖质量。

值得一提的是：TD-SCDMA一期、二期和三期建设的覆盖区域（奥运城市、省会城市、地级城市）是TD-LTE初期部署的重点区域，但由于TD-SCDMA前两期建设中的天线均不支持TD-LTE的频段，因此TD-LTE初期部署的重点区域将无法跟TD-SCDMA共天线。后续如果天线能够同时支持TD-LTE和TD-SCDMA的频段，则可以根据站点的实际情况，权衡利弊后再决定是否共用天线。

5 结束语

本文对TD-LTE基站产品规划中的产品类型、软件功能规划和硬件规划3大重要问题进行了研究。在结合实际需求的基础上，给出了多种基站产品的引入建议，并对软件功能规划和硬件规划中的关键问题进行了较为粗浅的论述。鉴于基站产品规划和实际需求密切相关，随着时间的推进，某些实际需求难免会产生变化，因此文中的产品规划结论难免存在不当之处，还请业内同行多多指正。

1 3GPP TS 36.300 V8.6.0.E-UTRAN overall description(release 8),2008.09

2 3GPP TS 36.104 V8.2.0.Base station (BS)radio transmission and reception(release 8),2008.05

2010-07-12）