LTE TDD技術演進之路
發布時間：2012-10-8 14:05
發布者：eechina
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作者：Radisys公司Renuka Bhalerao 隨著智能設備的興起，人們的下載內容數量空前巨大，這給網絡帶來了很大的壓力。全球無線運營商因此在高速移動寬帶服務方面面臨日益增長的需求。越來越多的用戶傾向于極耗帶寬的應用，例如YouTube和Netflix，運營商不得不尋找新的技術來領先這些不斷增長的需求。 
圖1： 許多運營商將LTE視為移動寬帶技術的全球事實標準，因為LTE具有節省成本、頻譜效率高、移動性和互操作性等優點。然而，即使是使用了LTE，運營商發現為了向用戶提供類似有線的速度和功能也極具挑戰。根據高通公司最近發布的報告，雖然LTE允許運營商使用新的更寬頻譜和彌補現有3G網絡以處理越來越多的移動業務，但無線鏈路的改善在很快接近理論極限，而運營商可用頻譜資源通常又非常有限而且費用很高。 在向無線用戶提供類似有線體驗的競賽中，運營商想盡了一切方法。運營商已經在通過小型蜂窩和Wi-Fi卸載數據流量，但卻發現這些解決方案都缺少移動性。當住宅、機場和咖啡店等熱點附近聚集有許多用戶時，Wi-Fi能有效改善這些用戶的體驗，因為他們可以將數據業務卸載到Wi-Fi上，但這不支持用戶移動時使用。宏蜂窩和小型蜂窩的混用(也稱為異構網絡(HetNet))以及小型蜂窩增殖服務(如本地IP接入(LIPA))可以在一定程度上減輕壓力，但這些解決方案也受限于特定位置和用戶數量。 正當運營商為卸載數據流量想盡辦法時，以LTE形式出現的時分復用(TDD)開始大放異彩。TDD有潛力被定位為頻分復用(FDD)網絡的補充解決方案，可用來給擁塞區域增加容量，提供新的數據卸載方法，并作為小型蜂窩部署的回傳手段。 什么是TDD？ LTE技術有兩種工作模式：FDD和TDD，它們在技術上非常相像，是同一射頻接入標準的一部分。2009年LTE FDD和TDD同時被定義和引用為3GPP規范的一部分，用于在公共核心網絡架構上高效地使用成對和不成對頻譜分配。兩者的主要區別在于所使用的復用方法。 在LTE FDD和LTE TDD中，發送的信號都是被組織為持續時間為1ms的子幀，10個子幀則組成一個完整的射頻幀。正常情況下每個子幀由14個正交頻分復用(OFDM)符號組成(在擴展循環前綴中有12個OFDM符號)。雖然LTE FDD和LTE TDD的幀結構在很多方面是相同的，但仍有一些區別——最明顯的是TDD中使用了特殊子幀。TDD中的子幀要么分配給上行鏈路(UL)傳輸，要么分配給下行鏈路(DL)傳輸。 在FDD工作時，共有兩個載頻，一個用于上行鏈路傳輸，一個用于下行鏈路傳輸。因此在每個幀中共有10個上行鏈路子幀和10個下行鏈路子幀，上行鏈路和下行鏈路傳輸可以在一個蜂窩內同時進行。 在TDD工作時，只有單個載頻，蜂窩中的上行鏈路和下行鏈路傳輸在時間上總是分開的。由于上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同的載頻，所以基站和移動終端必須在收發之間來回切換。這樣，由于一個子幀要么是上行鏈路子幀，要么是下行鏈路子幀，因此每個方向上每個射頻幀的子幀數量小于10個。
圖2：由于在不同頻率上的DL/UL是固定的，FDD可以覆蓋更大的區域，但TDD因為具有靈活的下行鏈路/上行鏈路配比，因此能夠提供更大的下行鏈路容量。 LTE TDD與FDD的關系 TDD相對來說比較容易通過動態改變上行鏈路和下行鏈路之間的容量比來重新分配時隙，因此非常適合今天下行鏈路業務重的應用模式。在大多數情況下，網絡運營商希望下行鏈路容量比上行鏈路大，因為用戶更多地是要下載像視頻和網頁等內容，而不是上傳他們創建的內容。 除了應用于TD-SCDMA的區域性部署外，TDD在3G網絡中并沒有得到廣泛普及，但在LTE中TDD具有很大的潛力。運營商們一開始不太愿意采用這種新技術，因為這種技術與WiMAX非常類似。但自從認識到TDD和FDD技術可以完美共存后情況有了改變，現在已經在新市場中積極支持TDD LTE。由于TDD和FDD具有公共的核心網絡架構，因此不存在額外的資本支出(CAPEX)，兩者可以實現無縫的互操作。主要區別是TDD需要一個特殊的射頻(RF)單元。另外一個顯著的區別是物理層定義，更高層和網絡架構的其余部分則仍然適用于FDD。 然而，FDD仍然處于領先地位。大多數商用LTE網絡基于的是FDD，因為FDD生態系統更加成熟，也是大多數頻譜分配進行的地方。全球所有主要運營商的4G LTE網絡已經獲得了寬帶的FDD頻譜，非常適合語音通信，因為其上行鏈路和下行鏈路天生是對稱的。另外，由于在不同頻率上的DL/UL是固定的，因此FDD可以覆蓋更大的區域。 然而，一些運營商能夠充分發揮TDD的優勢，他們的做法是聯合部署TDD和FDD兩種技術，為非常不對稱的應用卸載業務，比如視頻、或機到機(M2M)等更新的領域。舉例來說，沃達豐開發出了一種創新的LTE TDD用例，可用作小型蜂窩部署的回傳。隨著多媒體廣播和組播服務(MBMS)吸引力的增大，在下行鏈路中使用不成對TDD高效地提供這種廣播信息同時不影響FDD上并行提供的用戶服務具有更加重要的意義。 現有FDD網絡可以利用LTE TDD優勢實現目標性擴容，并通過盡可能利用公共EPC網絡架構確保更大的規模經濟。TDD特別適合熱點擴容(毫微蜂窩和毫微微蜂窩)和小型節點最初的新LTE TDD網絡規劃。LTE TDD是小型節點很好的室內補充技術，因為它不會干擾FDD網絡。LTE TDD也是使用不成對頻譜的理想技術，這種頻譜一般處于最適合擴容的更高頻段，因此分片較少。大多數FDD部署使用2.6GHz，但一些最大的展示工程會使用其它頻段。在許多不同頻段部署一種技術的風險在于普及上的困難，因為制造商不會制造出許多設備來提供支持。TDD的地位則好得多，因為大多數工程希望只使用兩個頻段：2.3GHz和2.6GHz。芯片組制造商對于人口多的國家部署2.3GHz特別感興趣。TDD還帶動了許多智能天線技術，如波束成形。LTE TDD熱點和LTE FDD宏蜂窩的混合將進一步提升容量并擴大覆蓋率。 大多數網絡基礎設施設備和器件芯片組供應商的商用產品都同時支持TDD和FDD，這表明他們認可這兩種技術具有很大的市場潛力。這種做法可以簡化實現，最大程度地減少部署LTE TDD所需的額外運營成本/資本支出(OPEX/CAPEX)。TDD在數據吞吐量和延時指標方面與FDD相當，并且支持從FDD到TDD或者相反方向的切換(HO)。 這是混合LTE TDD/FDD部署模型的新開始。 TDD技術目前應用狀態 LTE TDD有望在2015年得到廣泛普及，并達到8900萬個連接，占當年總預測LTE連接數量的約25%。
圖3：Ovum公司預測LTE FDD將在大約2012至2013年騰飛，而LTE TDD將在大約2013年至2014年騰飛。 雖然人們預計LTE TDD和FDD一樣將在更高帶寬內得到最廣泛的使用，但在1.4MHz至20MHz范圍內共定義了6個載波帶寬。電信界已經在后向兼容性方向和重新選擇方面研究額外的定義。此外，將LTE推向公共安全和健康護理等其它市場使得TDD技術開始全面演進——TDD在這些市場算是真正啟動起來了。 TDD器件其實并不缺乏。高通就是美國手機芯片組市場中的一家主導公司，該公司即將發布一款多模式LTE FDD/LTE TDD芯片組，并且后向兼容3G服務。中興和許多其他公司也在開展這方面的研究，以確保在不額外增加成本的條件下推出同時支持FDD和TDD的產品。 TDD頻譜已經在許多國家獲得了分配。歐洲和亞洲的幾家UMTS移動運營商收獲了2.1GHz頻段的小塊TDD頻譜。這個頻譜是與更大的UMTS FDD信道頻譜同時分配的，而在大多數情況下TDD頻譜從未用過。然而，大多數運營商選擇在2.3GHz和2.6GHz推行TDD。這些頻段可以提供最大的連續頻譜塊，因而支持實現可能最好的性能。 雖然TDD銷售很快，但不成對頻段仍然可用，而且不像FDD那么昂貴。歐洲、亞洲和拉丁美洲等國家都遵循歐洲郵政電信會議(CEPT)建議，這意味著2.6GHz拍賣時應將50MHz的TDD與2x70MHz FDD捆綁在一起。其它國家則允許運營商決定選擇哪種技術。另外，一些市場會發布技術上中立的許可，從而允許許可獲得方在LTE TDD中使用他們的頻譜。 與此同時，全球供應商一直在做互操作性測試(IOT)，這使得TDD技術越來越可靠，而且許多供應商已經宣布了部署LTE(FDD或TDD)的計劃。例如，TDD是WiMAX運營商或采用2.3GHz或2.5GHz頻譜的新進運營商的一個選擇項，因此業界存在WiMAX運營商切換到LTE的趨勢。在開發LTE TDD解決方案中，從WiMAX部署中獲得的專業技術也是一種有價值的資產，因為這兩種技術都是基于IP OFDM的技術。這些相似性為WiMAX運營商轉向LTE提供了一條便捷的途徑。 TDD推向不同的市場和地區 TDD在亞洲和歐洲已經得到啟動，因為在這些地區許多部署項目在其網絡推廣計劃中包含了TDD。UK Broadband(UKB)正在倫敦使用華為的LTE TDD解決方案搭建第一個LTE網絡。這是全球第一個LTE TDD 3.5GHz部署項目，也是英國第一個商用的LTE TDD部署項目。UKB在2012年5月開始運作批發模型，并與合作伙伴一起向商業、消費和公共領域提供商用服務。在北京等大城市，許多人居住在由鋼筋混泥土組成的高樓大廈中，因此想要過渡到4G/LTE等頻率技術的移動運營商將面臨覆蓋率和質量的挑戰。為了改善服務，運營商正在規避本地FDD宏蜂窩基站，同時使用住宅TDD毫微微蜂窩在家庭寬帶連接上傳送呼叫。 中國和印度一直致力于部署這種技術，其它國家的運營商也表示支持，主要原因還是規模經濟。TDD代表了中國移動的未來寬帶策略，印度的寬帶無線接入(BWA)拍賣也提升了業界對LTE TDD的興趣。對支持TDD的設備的最初需求主要在中國和印度，因為在開放空中接口上如何傳送幀方面TDD具有更大的靈活性。這些國家迫切需要基于TDD的毫微微蜂窩，因為與FDD相比，TDD能更加方便地管理容量并減少干擾。隨著三個最大地區選擇LTE TDD部署，其它國家也很可能去爭取這個市場份額。例如，Clearwire和Sprint已經將TDD帶進了美國。 Radisys Trilium LTE軟件同時支持FDD和TDD。在最近的一個案例研究報告中，有家一級電信設備制造商(TEM)整合了Trillium的TotaleNodeB LTE毫微微蜂窩軟件，并簽約了源自Radisys服務的PHY/MAC綜合幫助，因此與全部自己開發相比顯著節省了時間與開發成本，可以在6個月內完成產品上市，而全部自己開發需要兩年甚至更長的時間。Trillium軟件設計支持從小規模部署到大規模部署的各種應用，并經過優化可以在多種架構上運行具有有限資源的單處理器。
圖4：Radisys提供LTE TDD解決方案以及完整的端到端LTE解決方案。 本文小結 借助大量數據卸載技術和HetNet概念的推出，頻譜效率得到了顯著提高，創新的數據規劃不斷出臺，向無線用戶提供類似有線體驗的移動寬帶夢想正在逐步變成現實。TDD技術的出現開啟了混合LTE TDD/FDD部署模型的新篇章，為擴容和數據卸載提供了新的途徑。業界正在向混合LTE部署發展，其中毫微微蜂窩和小型蜂窩采用TDD，宏基站使用FDD，從而創建出能夠消除干擾問題的HetNet拓撲。在毫微微蜂窩上實現TDD可以改善信號質量，優化帶寬分配，從而向最終用戶提供高質量的體驗。TDD已經成功展示出能夠克服目前無線網絡所面臨挑戰的潛力。由于采用了經濟的頻譜，在擁擠地區TDD將成為后援技術，可以通過卸載視頻和M2M等應用的不對稱數據實現擴容。 關于作者 Renuka Bhalerao是Radisys公司的一位首席系統架構師，主要研究3G和LTE無線技術以及相關的網絡架構。Renuka在電信軟件和系統方面擁有豐富的工作經驗，并且擅長于無線、小型蜂窩和VoIP等專業領域。 |
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