LTE TDD技术演进之路

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。