8通道TD-LTE系统研究
1 lte系统标准演进
lte(long term evolution)是3gpp长期演进项目，兼容目前的3g通信系统并对3g进行演进。它具有高传输速率、高传输质量和高移动性的特性，改进并增强了3g的空中接入技术，采用ofdm和mimo技术作为其无线网络演进的惟一标准。在20mhz频谱带宽下能够提供下行100mbit/s与上行50mbit/s的峰值速率。
自2004年11月启动lte项目以来，3gpp以频繁的会议全力推进lte的研究工作，仅半年就完成了需求的制定。2006年6月，3gpp ran(无线接入网)tsg已经开始了lte工作阶段(wi)，但经过艰苦的讨论和融合，终于确定了大部分基本技术框架，一个初步的lte系统已逐渐展示在我们眼前。
通过介绍lte标准演进，说明了td-lte和lte fdd两种制式的由来，并在此基础上对两种制式由于本身特点带来的天线技术选择上的差异进行了剖析。通过相同且合理的仿真条件下仿真结果的对比说明了使用多天线的td-lte系统的优势所在。
lte系统从定义需求开始。主要需求指标包括：
●支持1.4~20mhz带宽。
●峰值数据率：上行50mbit/s，下行100mbit/s。频谱效率达到3gpp r6的2~4倍。
●提高小区边缘的比特率。
●用户面延迟(单向)<5ms，控制面延迟<100ms。
●支持与现有3gpp和非3gpp系统的互操作。
●支持增强型的广播多播业务。
●降低建网成本，实现从r6的低成本演进。
●实现合理的终端复杂度、成本和耗电。
●支持增强的ims(ip多媒体子系统)和核心网。
●追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡。
●取消cs(电路交换)域，cs域业务在ps(包交换)域实现，如采用voip。
●对低速移动优化系统，同时支持高速移动。
●以尽可能相似的技术同时支持成对(paired)和非成对(unpaired)频段。
●尽可能支持简单的临频共存。
针对wimax“低移动性宽带ip接入”的定位，lte系统提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标，对低移动性进行优化，只支持ps域，强调广播多播业务等。同时，出于对voip和在线游戏的重视，lte对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，由于选择了大量的新技术，在物理层已难以保持从3g系统平滑过渡。lte系统与wimax系统一样都选择了ofdm作为基本技术，而非cdma技术。
如前所述，在lte系统中对系统的时延情况提出了更加严格的要求：
●显著降低控制面时延：100ms：lte_idle→lte_active;50ms：dormant→active 50ms。
●用户面时延：定义为ue或ran边缘节点ip层包数据至ran边缘节点或ue ip层包数据的单项传输时间。
●需求：5ms(无负载ip包的情况下，需要后续补充定义)。
为了满足如上要求，除空中接口无线帧长度的变化和tti等变化以缩短空中接口的延迟之外，还需要对网络结构进行演进，尽量减少多余节点，从而减少网络中的传输时延。但不管结构如何演变，无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网中。因此，无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在，无线接入网与核心网的接口也依然明晰。
基于上述背景，lte系统在基本技术上一开始就选择了ofdm，mimo和智能天线等技术作为基本物理层技术并且保留了fdd和tdd两种制式的lte技术。下面我们就这两种制式的一些共性和差异作进一步的分析。
2 相同条件下fdd与tdd频谱效率相当
lte fdd与lte tdd(即td-lte)系统基本帧结构差异本文不作分析。就基本帧结构而言，tdd系统保留了从td-scdma系统设计而来的3个特殊时隙，并且为了适应无线帧的融合，还设计了不同的上/下行时隙配比和特殊时隙的不同符号数配比。就频谱效率而言，通过我们的仿真结果可以表明，两者基本相当。
仿真条件：
●网络模型：19x3。
●频段及载波带宽2ghz，bw 20mhz。
●传播环境：urban macro。
●链路模型：scm-e，3km/h。
●基站发射功率：pbs_max :46dbm。
●tdd配置：tdd ul:dl，2:2;special frame：10:2:2。
●终端发射功率：pue_max:23bm。
●终端高度：1.5m。
●下行：scheme: rank1/rank2自适应调整;no power control。
●上行：scheme: irc(干扰一致合并)，上行功控打开。
基于上述相同条件下，通过仿真，得出如表1结果。
表1 仿真结果
通过表1的对比可以看出，无论是上行链路还是下行链路，tdd系统与fdd系统在频谱效率上均基本相当，下行链路的平均频谱效率在dl:1.5~1.6(bit/s/hz)，上行链路的结果则仅相差0.1bit/s/hz。两种系统的边缘用户频谱效率则更是几乎没有差别，这意味着两种系统的边缘用户体验完全一致。
通过仿真的对比结果可以看出，tdd系统与fdd系统的频谱效率相当。那么tdd系统和fdd系统还有哪些差异呢?
3 tdd系统可以支持8t8r beamforming
智能天线技术在td-scdma系统中的使用标志着tdd系统在多天线技术上的突破。lte tdd系统在设计初期就考虑了对多天线技术的支持，lte系统虽然不在是cdma系统，但同样可以使用多天线技术(见图1)。
图1 多天线技术
多天线技术的显著标志就是波束赋形(beamforming)，通过动态波束赋形把主信号对准目标终端，从而获得更高的sinr。为此，基站必须能够获取准确的信道估计，利用csi信息来进行发送信号的权值计算。该特点的实现主要是由于tdd系统的上/下行链路使用相同的频点，因此基站可以利用对上行信道接收信号的判断(不同天线的相位和功率或信噪比)，对下行信道条件进行预估，从而实现波束赋形。不需要额外的用于信道估计开销，实时性也较好。而对于fdd系统来说，由于上/下行链路使用不同的频点发射，如果基站想对ue进行波束赋形，则需要ue对下行信道进行估计并快速反馈给基站，在高速移动环境下信道变化很快，信道估计的信令开销会很大，并且由于ue反馈的时延，信道估计的实时性无法保证，智能天线基本上无法工作。
综上所述，智能天线技术更适用于td-lte系统，这是tdd系统所独具的优势(见图2)。
图2 智能天线技术在td-lte系统的应用
4 相同频段下8t8r比2t2r增益明显
在频谱效率相当，tdd系统又独具多天线优势条件下，我们再来看看tdd系统在使用8天线条件下与fdd系统(常规2天线)在吞吐率和覆盖能力上的表现。
同样，我们通过仿真结果来进行对比(见图3)，仿真条件如下：
图3 仿真结果对比
●边缘速率需求ul：307kbit/s，dl：1024kbit/s。
●频段1.8ghz，系统带宽20mhz，同频组网1x3x1。
●cpe终端：pue_max:26dbm，高度为5m/25m;终端天线增益2dbi。
●密集城区，室外宏基站高度为45m。
●天线增益18dbi-2t;17dbi-4t;15dbi-8t。
●基站发射功率：pbs_max：46dbm。
●传播模型cost231-hata classic。
●td-lte下行采用8t8r的beamforming adaptive switch;上行采用1x8 irc技术。
●fdd lte下行采用2t2r的mimo adaptive switch;上行采用1x2 irc技术。
由图3的仿真结果对比可以清楚地看出，在同频段下，td-lte 8t8r相比于fdd lte 2t2r在小区平均吞吐率和边缘吞吐率上将获得显著增益：
●上行小区平均吞吐率增益约50%;小区边缘用户吞吐率增益达100%以上。
●下行小区平均吞吐率增益约25%;小区边缘用户吞吐率提升达70%。
那么在覆盖能力上两者的对比结果又如何呢?可以进一步看图4的结果。
图4 在覆盖能力上两者的对比结果
同理，在覆盖方面，我们通过仿真对比可以得到如表2的结果。
表2 覆盖方面仿真对比结果
通过上述仿真结果可以得出结论：8t8r的tdd系统无论是在吞吐率还是覆盖能力方面都较2t2r的fdd系统有着明显的优势。
5 tdd系统还可以支持多用户beamforming
tdd系统由于使用了智能天线技术，还可以支持多用户的波束赋形。其原理是：为了提高系统容量，在系统负荷比较高的情况下，lte tdd系统将多个数据流通过beamforming方式，给多个不同的用户分配相同的时频资源，以提高频谱利用率(见图5)。
图5 tdd系统支持多用户beamforming
●只要两个配对用户的信道相关性比较小，就可以实现多用户的beamforming。
●采用多用户beamforming后，相对于单数据流的beamforming传输模式，小区吞吐率会得到明显的提升。
6 结束语
多天线技术随着td-scdma系统的应用得到越来越多的重视和应用，在海外随着wimax技术的应用，也是各运营者希望应用的主流技术之一。
本文通过对使用8t8r的多天线td-lte系统与2t2r lte fdd系统在频谱效率，吞吐率，覆盖能力上的仿真对比，阐述了td-lte系统使用8通道天线的独特优势。
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●支持1.4~20mhz带宽。
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●尽可能支持简单的临频共存。
针对wimax“低移动性宽带ip接入”的定位，lte系统提出了相对应的需求，如相似的带宽、数据率和频谱效率指标，对低移动性进行优化，只支持ps域，强调广播多播业务等。同时，出于对voip和在线游戏的重视，lte对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，由于选择了大量的新技术，在物理层已难以保持从3g系统平滑过渡。lte系统与wimax系统一样都选择了ofdm作为基本技术，而非cdma技术。
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●显著降低控制面时延：100ms：lte_idle→lte_active;50ms：dormant→active 50ms。
●用户面时延：定义为ue或ran边缘节点ip层包数据至ran边缘节点或ue ip层包数据的单项传输时间。
●需求：5ms(无负载ip包的情况下，需要后续补充定义)。
为了满足如上要求，除空中接口无线帧长度的变化和tti等变化以缩短空中接口的延迟之外，还需要对网络结构进行演进，尽量减少多余节点，从而减少网络中的传输时延。但不管结构如何演变，无线接入网与核心网仍然遵循各自发展的原则，空中接口终止在无线接入网中。因此，无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在，无线接入网与核心网的接口也依然明晰。
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图1 多天线技术
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图2 智能天线技术在td-lte系统的应用
4 相同频段下8t8r比2t2r增益明显
在频谱效率相当，tdd系统又独具多天线优势条件下，我们再来看看tdd系统在使用8天线条件下与fdd系统(常规2天线)在吞吐率和覆盖能力上的表现。
同样，我们通过仿真结果来进行对比(见图3)，仿真条件如下：
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●边缘速率需求ul：307kbit/s，dl：1024kbit/s。
●频段1.8ghz，系统带宽20mhz，同频组网1x3x1。
●cpe终端：pue_max:26dbm，高度为5m/25m;终端天线增益2dbi。
●密集城区，室外宏基站高度为45m。
●天线增益18dbi-2t;17dbi-4t;15dbi-8t。
●基站发射功率：pbs_max：46dbm。
●传播模型cost231-hata classic。
●td-lte下行采用8t8r的beamforming adaptive switch;上行采用1x8 irc技术。
●fdd lte下行采用2t2r的mimo adaptive switch;上行采用1x2 irc技术。
由图3的仿真结果对比可以清楚地看出，在同频段下，td-lte 8t8r相比于fdd lte 2t2r在小区平均吞吐率和边缘吞吐率上将获得显著增益：
●上行小区平均吞吐率增益约50%;小区边缘用户吞吐率增益达100%以上。
●下行小区平均吞吐率增益约25%;小区边缘用户吞吐率提升达70%。
那么在覆盖能力上两者的对比结果又如何呢?可以进一步看图4的结果。
图4 在覆盖能力上两者的对比结果
同理，在覆盖方面，我们通过仿真对比可以得到如表2的结果。
表2 覆盖方面仿真对比结果
通过上述仿真结果可以得出结论：8t8r的tdd系统无论是在吞吐率还是覆盖能力方面都较2t2r的fdd系统有着明显的优势。
5 tdd系统还可以支持多用户beamforming
tdd系统由于使用了智能天线技术，还可以支持多用户的波束赋形。其原理是：为了提高系统容量，在系统负荷比较高的情况下，lte tdd系统将多个数据流通过beamforming方式，给多个不同的用户分配相同的时频资源，以提高频谱利用率(见图5)。
图5 tdd系统支持多用户beamforming
●只要两个配对用户的信道相关性比较小，就可以实现多用户的beamforming。
●采用多用户beamforming后，相对于单数据流的beamforming传输模式，小区吞吐率会得到明显的提升。
6 结束语
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本文通过对使用8t8r的多天线td-lte系统与2t2r lte fdd系统在频谱效率，吞吐率，覆盖能力上的仿真对比，阐述了td-lte系统使用8通道天线的独特优势。
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