FDD LTE与TDD LTE技术对标研究

2015-07-03 09:42杨健李方村
电信工程技术与标准化 2015年5期
关键词:子帧时隙频段

杨健,李方村

(中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司,济南 250001)

1 前言

2013年底,工信部下发了TD-LTE网络建设的牌照。2014年6约27日,工信部正式批复中国电信和中国联通分别在16个城市开展LTE混合组网试验。FDD与TDD LTE系统有什么差异,差异有多大,是LTE组网中面临的问题。基于此,本文从技术层面展开了分析。

2 FDD与TDD LTE物理层协议对比

FDD与TDD LTE具有相同的网络架构。同UTRAN等前代系统相比最大的区别在于取消了RNC,eNB与EPC间通过S1接口直接相连,eNB与EPC节点多对多连接,形成网格网络,而eNB之间通过X2接口直接相连。

FDD与TDD LTE内部协议基本相同,仅在物理层有部分差异,主要差别在双工方式上。下面分别介绍二者的具体差异。

2.1 双工方式

LTE系统同时定义了频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 两种方式,如图1所示。

图1 双工方式

TDD用时间来分离接收和发送信道。接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载,其单方向的资源在时间上是不连续的,时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台,另外的时间由移动台发送信号给基站,基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送,用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率,依靠频率来区分上下行链路,其单方向的资源在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时,能充分利用上下行的频谱,但在支持非对称业务时,频谱利用率将大大降低。

2.2 帧结构与同步信号

FDD LTE系统中,每个无线帧被分为10个子帧,每个子帧包含两个时隙,每时隙长0.5 ms。上行、下行相同的帧结构。

TDD LTE系统中,每个10 ms无线帧包括2个长度为5 ms的半帧,每个半帧由4个普通子帧和1个特殊子帧组成。特殊子帧包括3个特殊时隙:下行导频时隙(DwPTS),保护间隔(GP)和上行导频时隙(UpPTS),总长度为1ms。

FDD 与TDD LTE相比,没有特殊子帧。为了提高频谱效率,TDD LTE利用特殊时隙传输控制信息,但是保护间隔(GP)不传送任何数据。另外,TDD LTE支持7种子帧配比,以便灵活的支持不同配置的上下行业务。特殊子帧支持9种配置,用以改变DwPTS,GP和UpPTS的长度。

同步信号用来使UE实现下行同步,同时识别物理小区ID(PCI),从而对小区信号进行解扰。LTE的同步信号周期是5 ms,分为主同步信号PSS和辅同步信号SSS。在TDD和FDD的帧结构中,同步信号的位置是不同的。FDD LTE中,同步信号位于第0号子帧第一个时隙的最后两个OFDM符号上。TDD LTE系统中,辅同步信号SSS位于第0号子帧最后一个OFDM符号上,而主同步信号位于第1号子帧第三个OFDMA符号上。根据PSS与SSS相对位置的差异,终端可以在小区搜索时区分出TDD和FDD系统。

2.2.1 下行传输模式

3GPP R8 and R9定义了8种下行传输模式:

TM1:单天线端口传输,主要应用于单天线传输的场合。

TM2:发送分集模式,适合于小区边缘信道情况复杂,分集能够提供分集增益。

TM3:开环空间复用,只上报RI、CQI,不上报PMI,更加稳健,用于高速场景。

TM4:闭环空间复用,适合于信道条件较好的场合,用于提供高的数据率传输。

TM5:MU-MIMO传输模式,主要用来提高小区的上行容量。

TM6:Rank1的传输,主要适合于小区边缘的情况。

TM7:单流Beamforming模式,主要适于小区边缘,能够有效对抗干扰。

TM8:双流Beamforming模式。

FDD LTE系统因不支持BF,所以适用模式为TM1-6。TDD LTE系统支持全部传输模式。

2.2.2 随机接入前导格式

UE通过上行PRACH来达到与LTE系统之间的上行接入和同步。如图2所示, 为了适应不同的小区大小,LTE系统中的PRACH定义了5种类型。FDD支持格式0~3,TDD支持全部格式,其中:格式4随机接入序列长度较短,可以在特殊时隙的UpPTS中进行发送,以提高频谱利用率。

3 FDD与TDD LTE网络性能对比

3.1 时延对比

如图3所示,TDD LTE系统的时分双工模式以及子帧配比使得某些信息反馈的延时大于FDD LTE相应的延时,因此TDD LTE的RTT(Round-Trip Time)比FDD LTE略大。

3.2 频谱效率对比

由于TDD LTE中保护间隔GP,不能传送数据,因此TDD LTE的频谱效率比FDD LTE略低。特别是提供广覆盖的时候,使用长CP,对频谱资源造成了浪费。

图2 PRACH格式

图3 FDD与TDD LTE时延对比

图4给出了FDD与TDD LTE的仿真结果,其中:FDD LTE系统带宽为上、下行各10 MHz,TDD LTE上下行共10 MHz带宽,DL:UL=2:2,特殊子帧10:2:2。

3.2.1 覆盖能力对比

以正在进行的FDD LTE试验网与移动D频段TDLTE进行对比,因频段差异,所以覆盖能力有所差异。

传播模型采用COST231-Hata模型:

PL(dB)=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+(44.9-6.55×lgH)×lgD+C

其中:PL:路径损耗;

F:频率,单位MHz(1 500~2 000 MHz);

D:距离,单位km;

H:基站天线有效高度,单位m;

C:环境校正因子,取值:密集城区-2 dB,城区-5 dB,郊区-8 dB,农村-10 dB,开阔地-26 dB。

天线有效挂高均为30 m,未考虑天线增益差异,2.6 GHz一般城区室外电平门限-101 dBm,郊区农村-103 dBm;1 865 MHz一般城区室外电平-103 dBm,郊区农村-105 dBm。经链路预算,2.6 GHz一般城区覆盖半径约359 m,郊区农村覆盖半径534 m;1 865 MHz一般城区覆盖半径561 m,郊区农村覆盖半径834 m。表2为F频段FDD LTE与D频段TDD LTE链路预算对比。

3.2.2 承载速率对比

LTE系统的速率受到多个因素的影响,如:系统带宽、信道环境、终端能力、是否考虑MIMO等。本文在FDD LTE带宽10 MHz(上下行各10 MHz)、15 MHz(上下行各15 MHz),TDD LTE带宽20 MHz(上下行总带宽20 MHz)情况下,考虑MIMO,调制方式64QAM,TD-LTE子帧配比1:3,特殊子帧考虑传送业务的前提下,计算FDD与TDD LTE系统的下行理论峰值速率,如下:

20 MHz TD-LTE理论下行峰值速率为110 Mbit/s;

15 MHz FDD LTE理论下行峰值速率近120 Mbit/s;

10 MHz FDD LTE理论下行峰值速率约80 Mbit/s。

图4 FDD与TDD LTE频谱效率对比

表1 F频段FDD LTE与D频段TDD LTE链路预算对比

从上述计算结果可以看出,20 MHz TDD LTE的下行峰值速率略低于15 MHz FDD LTE系统,但远高于10 MHz(上下行共计20 MHz)FDD LTE系统的速率。

3.2.3 组网方式对比

FDD LTE系统只有频率规划,结合ICIC完成网络规划。TDD LTE系统除了频率规划外还需进行时隙规划,频率规划结合ICIC完成,时隙规划根据业务分布、干扰隔离等方面在组网中进行考虑。同频段的TDD LTE系统时隙规划必须一致,必须具有相同的子帧配置和特殊时隙配置。否则,基站之间会产生交叉时隙干扰。

另外,FDD LTE系统使用普通的2通道天线,TDD LTE系统使用8通道智能天线。非智能天线和智能天线相比,天线增益大2~3 dB,天线体积小,成本低,但没有波束赋形功能。

4 小结

通过对FDD与TDD LTE系统在物理层协议、网络性能等方面的对比,发现二者在技术上高度统一,实现全面融合已具备条件,且目前运营商已陆续建设FDD/TDD LTE融合网络。

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