LTE TDD技術(shù)演進(jìn)之路-基礎(chǔ)電子

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隨著智能設(shè)備的興起，人們的內(nèi)容數(shù)量空前巨大，這給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了很大的壓力。無(wú)線運(yùn)營(yíng)商因此在高速移動(dòng)寬帶服務(wù)方面面臨日益增長(zhǎng)的需求。越來(lái)越多的用戶傾向于極耗帶寬的應(yīng)用，例如YouTube和Netflix,運(yùn)營(yíng)商不得不尋找新的技術(shù)來(lái)這些不斷增長(zhǎng)的需求。

圖1:

許多運(yùn)營(yíng)商將LTE視為移動(dòng)寬帶技術(shù)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)長(zhǎng)TE具有節(jié)省成本、頻譜效率高、移動(dòng)性和互操作性等優(yōu)點(diǎn)。然而，即使是使用了LTE,運(yùn)營(yíng)商發(fā)現(xiàn)為了向用戶提供類似有線的速度和功能也極具挑戰(zhàn)。根據(jù)高通公司近發(fā)布的，雖然LTE允許運(yùn)營(yíng)商使用新的更寬頻譜和彌補(bǔ)現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)以處理越來(lái)越多的移動(dòng)業(yè)務(wù)，但無(wú)線鏈路的改善在很快接近理論極限，而運(yùn)營(yíng)商可用頻譜資源通常又非常有限而且費(fèi)用很高。

在向無(wú)線用戶提供類似有線體驗(yàn)的競(jìng)賽中，運(yùn)營(yíng)商想盡了一切方法。運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在通過(guò)小型蜂窩和Wi-Fi卸載數(shù)據(jù)流量，但卻發(fā)現(xiàn)這些解決方案都缺少移動(dòng)性。當(dāng)住宅、機(jī)場(chǎng)和咖啡店等熱點(diǎn)附近聚集有許多用戶時(shí)，Wi-Fi能有效改善這些用戶的體驗(yàn)，因?yàn)樗麄兛梢詫?shù)據(jù)業(yè)務(wù)卸載到Wi-Fi上，但這不支持用戶移動(dòng)時(shí)使用。宏蜂窩和小型蜂窩的混用（也稱為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet））以及小型蜂窩增殖服務(wù)（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(shù)量。

正當(dāng)運(yùn)營(yíng)商為卸載數(shù)據(jù)流量想盡辦法時(shí)，以LTE形式出現(xiàn)的時(shí)分復(fù)用（TDD）開始大放異彩。TDD有潛力被定位為頻分復(fù)用（FDD）網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充解決方案，可用來(lái)給擁塞區(qū)域增加容量，提供新的數(shù)據(jù)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(shù)有兩種工作模式：FDD和TDD,它們?cè)诩夹g(shù)上非常相像，是同一射頻接入標(biāo)準(zhǔn)的一部分。2009年LTEFDD和TDD同時(shí)被定義和引用為3GPP規(guī)范的一部分，用于在公共網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上高效地使用成對(duì)和不成對(duì)頻譜分配。兩者的主要區(qū)別在于所使用的復(fù)用方法。

在LTEFDD和LTETDD中，發(fā)送的信號(hào)都是被組織為持續(xù)時(shí)間為1ms的子幀，10個(gè)子幀則組成一個(gè)完整的射頻幀。正常情況下每個(gè)子幀由14個(gè)正交頻分復(fù)用（OFDM）符號(hào)組成（在擴(kuò)展循環(huán)前綴中有12個(gè)OFDM符號(hào)）。雖然LTEFDD和LTETDD的幀結(jié)構(gòu)在很多方面是相同的，但仍有一些區(qū)別--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(shí)，共有兩個(gè)載頻，一個(gè)用于上行鏈路傳輸，一個(gè)用于下行鏈路傳輸。因此在每個(gè)幀中共有10個(gè)上行鏈路子幀和10個(gè)下行鏈路子幀，上行鏈路和下行鏈路傳輸可以在一個(gè)蜂窩內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。

在TDD工作時(shí)，只有單個(gè)載頻，蜂窩中的上行鏈路和下行鏈路傳輸在時(shí)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(dòng)終端必須在收發(fā)之間來(lái)回切換。這樣，由于一個(gè)子幀要么是上行鏈路子幀，要么是下行鏈路子幀，因此每個(gè)方向上每個(gè)射頻幀的子幀數(shù)量小于10個(gè)。

圖2:由于在不同頻率上的DL/UL是固定的，F(xiàn)DD可以覆蓋更大的區(qū)域，但TDD因?yàn)榫哂徐`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。

LTETDD與FDD的關(guān)系

TDD相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易通過(guò)動(dòng)態(tài)改變上行鏈路和下行鏈路之間的容量比來(lái)重新分配時(shí)隙，因此非常適合今天下行鏈路業(yè)務(wù)重的應(yīng)用模式。在大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商希望下行鏈路容量比上行鏈路大，因?yàn)橛脩舾嗟厥且褚曨l和網(wǎng)頁(yè)等內(nèi)容，而不是上傳他們創(chuàng)建的內(nèi)容。

除了應(yīng)用于TD-SCDMA的區(qū)域性部署外，TDD在3G網(wǎng)絡(luò)中并沒有得到廣泛普及，但在LTE中TDD具有很大的潛力。運(yùn)營(yíng)商們一開始不太愿意采用這種新技術(shù)，因?yàn)檫@種技術(shù)與WiMAX非常類似。但自從認(rèn)識(shí)到TDD和FDD技術(shù)可以完美共存后情況有了改變，現(xiàn)在已經(jīng)在新市場(chǎng)中積極支持TDDLTE.由于TDD和FDD具有公共的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此不存在額外的資本支出（CAPEX），兩者可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的互操作。主要區(qū)別是TDD需要一個(gè)特殊的射頻（RF）單元。另外一個(gè)顯著的區(qū)別是物理層定義，更高層和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的其余部分則仍然適用于FDD.

然而，F(xiàn)DD仍然處于地位。大多數(shù)商用LTE網(wǎng)絡(luò)基于的是FDD,因?yàn)镕DD生態(tài)系統(tǒng)更加成熟，也是大多數(shù)頻譜分配進(jìn)行的地方。所有主要運(yùn)營(yíng)商的4GLTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)獲得了寬帶的FDD頻譜，非常適合語(yǔ)音通信，因?yàn)槠渖闲墟溌泛拖滦墟溌诽焐菍?duì)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(qū)域。

然而，一些運(yùn)營(yíng)商能夠充分發(fā)揮TDD的優(yōu)勢(shì)，他們的做法是聯(lián)合部署TDD和FDD兩種技術(shù)，為非常不對(duì)稱的應(yīng)用卸載業(yè)務(wù)，比如視頻、或機(jī)到機(jī)（M2M）等更新的領(lǐng)域。舉例來(lái)說(shuō)，沃達(dá)豐開發(fā)出了一種創(chuàng)新的LTETDD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(wù)（MBMS）吸引力的增大，在下行鏈路中使用不成對(duì)TDD高效地提供這種廣播信息同時(shí)不影響FDD上并行提供的用戶服務(wù)具有更加重要的意義。

現(xiàn)有FDD網(wǎng)絡(luò)可以利用LTETDD優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性擴(kuò)容，并通過(guò)盡可能利用公共EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)確保更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。TDD特別適合熱點(diǎn)擴(kuò)容（毫微蜂窩和毫微微蜂窩）和小型節(jié)點(diǎn)初的新LTETDD網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。LTETDD是小型節(jié)點(diǎn)很好的室內(nèi)補(bǔ)充技術(shù)，因?yàn)樗粫?huì)干擾FDD網(wǎng)絡(luò)。LTETDD也是使用不成對(duì)頻譜的理想技術(shù)，這種頻譜一般處于適合擴(kuò)容的更高頻段，因此分片較少。大多數(shù)FDD部署使用2.6GHz,但一些的展示工程會(huì)使用其它頻段。在許多不同頻段部署一種技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)在于普及上的困難，因?yàn)橹圃焐滩粫?huì)制造出許多設(shè)備來(lái)提供支持。TDD的地位則好得多，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工程希望只使用兩個(gè)頻段：2.3GHz和2.6GHz.芯片組制造商對(duì)于人口多的國(guó)家部署2.3GHz特別感興趣。TDD還帶動(dòng)了許多智能天線技術(shù)，如波束成形。LTETDD熱點(diǎn)和LTEFDD宏蜂窩的混合將進(jìn)一步提升容量并擴(kuò)大覆蓋率。

大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和器件芯片組供應(yīng)商的商用產(chǎn)品都同時(shí)支持TDD和FDD,這表明他們認(rèn)可這兩種技術(shù)具有很大的市場(chǎng)潛力。這種做法可以簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，地減少部署LTETDD所需的額外運(yùn)營(yíng)成本/資本支出（OPEX/CAPEX）。TDD在數(shù)據(jù)吞吐量和延時(shí)指標(biāo)方面與FDD相當(dāng)，并且支持從FDD到TDD或者相反方向的切換（HO）。

這是混合LTETDD/FDD部署模型的新開始。

TDD技術(shù)目前應(yīng)用狀態(tài)

LTETDD有望在2015年得到廣泛普及，并達(dá)到8900萬(wàn)個(gè)連接，占當(dāng)年總預(yù)測(cè)LTE連接數(shù)量的約25%.

圖3:Ovum公司預(yù)測(cè)LTEFDD將在大約2012至2013年騰飛，而LTETDD將在大約2013年至2014年騰飛。

雖然人們預(yù)計(jì)LTETDD和FDD一樣將在更高帶寬內(nèi)得到廣泛的使用，但在1.4MHz至20MHz范圍內(nèi)共定義了6個(gè)載波帶寬。電信界已經(jīng)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(hù)理等其它市場(chǎng)使得TDD技術(shù)開始全面演進(jìn)--TDD在這些市場(chǎng)算是真正啟動(dòng)起來(lái)了。

TDD器件其實(shí)并不缺乏。高通就是美國(guó)手機(jī)芯片組市場(chǎng)中的一家主導(dǎo)公司，該公司即將發(fā)布一款多模式LTEFDD/LTETDD芯片組，并且后向兼容3G服務(wù)。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(shí)支持FDD和TDD的產(chǎn)品。

TDD頻譜已經(jīng)在許多國(guó)家獲得了分配。歐洲和亞洲的幾家UMTS移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商收獲了2.1GHz頻段的小塊TDD頻譜。這個(gè)頻譜是與更大的UMTSFDD信道頻譜同時(shí)分配的，而在大多數(shù)情況下TDD頻譜從未用過(guò)。然而，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商選擇在2.3GHz和2.6GHz推行TDD.這些頻段可以提供的連續(xù)頻譜塊，因而支持實(shí)現(xiàn)可能的性能。

雖然TDD銷售很快，但不成對(duì)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(guó)家都遵循歐洲郵政電信會(huì)議（CEPT）建議，這意味著2.6GHz拍賣時(shí)應(yīng)將50MHz的TDD與2x70MHzFDD捆綁在一起。其它國(guó)家則允許運(yùn)營(yíng)商決定選擇哪種技術(shù)。另外，一些市場(chǎng)會(huì)發(fā)布技術(shù)上中立的許可，從而允許許可獲得方在LTETDD中使用他們的頻譜。

與此同時(shí)，供應(yīng)商一直在做互操作性測(cè)試（IOT），這使得TDD技術(shù)越來(lái)越可靠，而且許多供應(yīng)商已經(jīng)宣布了部署LTE（FDD或TDD）的計(jì)劃。例如，TDD是WiMAX運(yùn)營(yíng)商或采用2.3GHz或2.5GHz頻譜的新進(jìn)運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)選擇項(xiàng)，因此業(yè)界存在WiMAX運(yùn)營(yíng)商切換到LTE的趨勢(shì)。在開發(fā)LTETDD解決方案中，從WiMAX部署中獲得的技術(shù)也是一種有價(jià)值的資產(chǎn)，因?yàn)檫@兩種技術(shù)都是基于IPOFDM的技術(shù)。這些相似性為WiMAX運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)向LTE提供了一條便捷的途徑。

TDD推向不同的市場(chǎng)和地區(qū)

TDD在亞洲和歐洲已經(jīng)得到啟動(dòng)，因?yàn)樵谶@些地區(qū)許多部署項(xiàng)目在其網(wǎng)絡(luò)推廣計(jì)劃中包含了TDD.UKBroadband（UKB）正在倫敦使用華為的LTETDD解決方案搭建個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)。這是個(gè)LTETDD3.5GHz部署項(xiàng)目，也是英國(guó)個(gè)商用的LTETDD部署項(xiàng)目。UKB在2012年5月開始運(yùn)作批發(fā)模型，并與合作伙伴一起向商業(yè)、消費(fèi)和公共領(lǐng)域提供商用服務(wù)。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(guò)渡到4G/LTE等頻率技術(shù)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將面臨覆蓋率和質(zhì)量的挑戰(zhàn)。為了改善服務(wù)，運(yùn)營(yíng)商正在規(guī)避本地FDD宏蜂窩基站，同時(shí)使用住宅TDD毫微微蜂窩在家庭寬帶連接上傳送呼叫。

中國(guó)和印度一直致力于部署這種技術(shù)，其它國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商也表示支持，主要原因還是規(guī)模經(jīng)濟(jì)。TDD代表了中國(guó)移動(dòng)的未來(lái)寬帶策略，印度的寬帶無(wú)線接入（BWA）拍賣也提升了業(yè)界對(duì)LTETDD的興趣。對(duì)支持TDD的設(shè)備的初需求主要在中國(guó)和印度，因?yàn)樵陂_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(guó)家迫切需要基于TDD的毫微微蜂窩，因?yàn)榕cFDD相比，TDD能更加方便地管理容量并減少干擾。隨著三個(gè)地區(qū)選擇LTETDD部署，其它國(guó)家也很可能去爭(zhēng)取這個(gè)市場(chǎng)份額。例如，Clearwire和Sprint已經(jīng)將TDD帶進(jìn)了美國(guó)。

RadisysTriliumLTE軟件同時(shí)支持FDD和TDD.在近的一個(gè)研究中，有家電信設(shè)備制造商（TEM）整合了Trillium的TotaleNodeBLTE毫微微蜂窩軟件，并簽約了源自Radisys服務(wù)的PHY/MAC綜合幫助，因此與全部自己開發(fā)相比顯著節(jié)省了時(shí)間與開發(fā)成本，可以在6個(gè)月內(nèi)完成產(chǎn)品上市，而全部自己開發(fā)需要兩年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。Trillium軟件設(shè)計(jì)支持從小規(guī)模部署到大規(guī)模部署的各種應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以在多種架構(gòu)上運(yùn)行具有有限資源的單處理器。

圖4:Radisys提供LTETDD解決方案以及完整的端到端LTE解決方案。

本文小結(jié)

借助大量數(shù)據(jù)卸載技術(shù)和HetNet概念的推出，頻譜效率得到了顯著提高，創(chuàng)新的數(shù)據(jù)規(guī)劃不斷出臺(tái)，向無(wú)線用戶提供類似有線體驗(yàn)的移動(dòng)寬帶夢(mèng)想正在逐步變成現(xiàn)實(shí)