TD-LTE与LTE-FDD技术性能及融合组网建设策略的研究

［李勇］

TD-LTE与LTE-FDD技术性能及融合组网建设策略的研究

［李勇］

LTE 技术对比 性能分析 融合组网

李勇

工程师，PMP，硕士，2009年毕业于中山大学信息科学与技术学院，目前任职于中国移动通信集团广东有限公司广州分公司。主要从事无线通信工程规划、设计及咨询等工作，主要研究方向为无线通信新技术。

1 引言

LTE（Long Term Evolution，长期演进）作为第四代移动通信技术（4G）的标准，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO等关键技术，包括TDLTE和LTE-FDD两种制式。LTE-FDD模式是国际通用的的4G技术，可以从WCDMA制式的3G技术演进而来，技术成熟度、终端、产业链具备一定的领先优势；而TDLTE模式4G网络是由我们国家主导，已经获得了全球的认可，并在国际上广泛采用。

2013年12月，工信部正式发放4G牌照，中国移动、中国电信、中国联通均获得TD-LTE牌照，标志着中国4G时代正式开启。2015年2月，工信部正式向中国电信和中国联通发放FDD制式4G牌照，国内三家运营商大规模开展4G业务。目前，中国移动已成为全球4G网络规模和用户规模最大的电信运营商，TD-LTE基站110万个，覆盖人口超过12亿，与114个国家和地区开通了4G漫游服务。短短两年内中国移动4G用户数已超过3.4亿，用户渗透率超过40%。预计2016年中国移动，覆盖全国97%的人口，4G用户超过5亿户。

随着移动互联网的飞速发展以及4G网络全球范围内大规模建设，频率资源不足、容量不足等问题逐渐凸显，越来越多的运营商开始选择TD-LTE与LTE-FDD融合组网。本文从TD-LTE与LTE-FDD关键技术及性能对比入手，结合中国移动网络发展现状，提出了未来两种制式融合组网的规划和建设策略。

2 TD-LTE与LTE-FDD技术分析

作为4G的技术标准，TD-LTE与LTE-FDD内部协议基本相同，协议栈只有物理层有5%不同。如两种制式均支持1.4M、3M、5M、10M、15M、20M等六种灵活的信道带宽配置，下行采用OFDM、上行采用SC-FDMA的多址方式，采用卷积码、Turbo码编码方式，支持QPSK、16QAM、64QAM等调制方式，采用开闭环结合的功控，支持链路自适应和拥塞控制，最高支持350km/h的移动速度等。两种制式技术上的不同，主要体现在双工方式、帧结构、HARQ、天线等方面。

2.1双工方式

TD-LTE制式采用时分双工（TDD）方式，上下行工作在相同的频段，用时间来分割接受和发送信道，时间资源在上下行两个方向上进行分配，eNB和UE之间需采用相同的时间分配模式才能顺利配合。LTE-FDD采用频分双工（FDD）方式，采用频率来分割接受和发送信道，两个信道之间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。

TDD支持非对称的上下时隙配置，可将更多带宽分配给下行，可以更好的利用频率资源，更易于布置。FDD因为上下行在不同频段内同时进行，对频谱资源要求更高，在支持对上下行带宽需求基本相同的对称业务时，能充分利用上下行频谱，数据传输能力更强，但在支持非对称频谱时，频谱利用率降低，在频谱资源日益紧张、频谱资源的争夺越来越激烈的今天，让运营商颇为头痛。

2.2 帧结构

由于TD-LTE与LTE-FDD采用两种不同的双工方式，最直接影响的就是空中接口无线帧结构，3GPP针对两种制式定义了Type1、Type2两种不同的帧结构。两种帧结构如图1、图2。

图1 Type1帧结构

图2 Type2帧结构

LTE-FDD帧结构为Type1，无线帧长为10ms，每帧包含10个子帧，20个时隙。每个子帧有两个时隙，每个时隙为0.5ms。LTE FDD仅有1:1一种子帧配比，无法根据业务需要最大化频谱效率。TD-LTE帧结构为Type2，无线帧长也是10ms，被分为2个5ms的半帧，每个半帧由4个数据子帧和一个特殊子帧组成，特殊子帧包括三个时隙：下行导频时隙（DwPTS）、保护时隙（GP）和上行导频时隙（UpPTS），总长1ms。TD-LTE帧结构中特殊时隙的存在实现了同一帧内上下行信号共存，并可根据不同业务类型灵活调整上下行配比，以满足上下行非对称业务的需求，最大限度增大频谱效率。

2.3 HARQ

根据3GPP协议，下行数据必须在上行子帧上反馈ACK/NACK，且与初传数据存在一定的时间对应关系，以节省信令开销。FDD-LTE上下行子帧配比固定，ACK与初传数据间隔固定为4个TTI。由于TD-LTE采用灵活的上下行子帧配比，4个TTI后不一定是上行子帧，因此ACK与初始数据的时间间隔也是一个变量。

下行HARQ反馈的最大时延是13个TTI，TD-LTE时隙配比的多样性导致HARQ定时关系的不固定，增加了TDD HARQ算法的复杂程度和实现难度，对UE的物理层存储能力也提出了极大的挑战，会带来一定的开销和系统性能下降。

2.4 天线

3GPP协议为LTE定义了单天线端口、发射分集、开环空分复用、闭环空间复用、多用户MIMO 、单层闭环空间复用、单流Beamforming、双流Beamforming等八种天线类型，其中单流Beamforming、双流Beamforming仅适用TD-LTE系统。单流Beamforming在一块OFDM时频资源上传输一个数据流，双流Beamforming在相同的OFDM时频资源上传输两个数据流，形成空间复用。

波束赋形（Beamforming）利用天线阵元之间的相关性，通过发射波之间干涉，把集中能量于某个（或某些）特定方向上，形成窄波束，对准特定用户。TD-LTE多用户Beamforming利用信道强相关性和不同用户信道的空间多样性，将多个下行用户数据复用到相同的时频资源上，提升信噪比，提高边缘和平均吞吐量，扩展覆盖范围。

通过TD-LTE与LTE-FDD两种制式技术上的对比可知，随着网络建设的逐步推进，用户和业务增补增加，LTE-TDD网络资源频率不足、容量不足的问题将逐渐凸显，拥有更多频谱资源的TD-LTE网络，可有效缓解LTEFDD频谱紧张的问题。因此，TD-LTE和LTE-FDD的融合组网将成为未来趋势。

3 TD-LTE与LTE-FDD性能分析

3.1容量对比

LTE网络中，容量性能主要包括用户吞吐量、小区吞吐量、同时在线用户数、同时调度用户数等指标。在实际LTE网络中，同时在线用户数、同时调度用户数主要由设备处理能力决定，目前主要厂家对TD-LTE与LTE-FDD两种制式支撑能力相当，因此两种制式同时在线用户数、同时调度用户数等指标接近。上下行速率对比如表1。

表1 TD-LTE与LTE-FDD制式容量对比

由于TD-LTE单载波最大带宽只有LTE-FDD一半，因此单载波最大理论峰值速率低。通过表1对比可知，TD-LTE上下行总平均速率为30.9Mbit/s低于LTEFDD54.1Mbit/s的上下行总平均速率。但是，TD-LTE支持非对称的时隙配比，可以将更多频谱分配给下行，使得TD-LTE总频谱效率优于LTE-FDD。

3.2 覆盖对比

在TD-LTE上下行配比2:2情况下，两种制式链路预算结果对比如表2。

表2 TD-LTE与LTE-FDD制式覆盖对比

通过对比可知，在2.6GHz相同的频段下，LTE-FDD制式的上下行覆盖半径优于TD-LTE 12%左右。根据目前TD-LTE与LTE-FDD实际分配的频段，LTE-FDD采用2.1GHz频段时，覆盖能力优于TD-LTE 40%左右。

由于TD-LTE与LTE-FDD技术及性能上的差别，运营商在融合组网时，通过合理定位两种制式网络，可以最小投资满足用户和业务的发展需求。根据我国目前LTE网络发展现状，TD-LTE主要工作于2GHz以上频段，而LTE-FDD主要工作在1.8GHz频段。因此，从长远发展来看，在市区人口稠密、数据需求量大的热点区域，部署TD-LTE网络充分利用好频谱资源，提升数据承载力，用于热点区域的业务吸收，解决容量问题；而在农村、郊区、高速道路等覆盖场景，LTE-FDD网络可发挥其广覆盖优势，主要解决网络覆盖问题。

4 TD-LTE与LTE-FDD融合组网建设策略

国内三家电信运营商，拥有庞大的2G或3G站址资源，特别是中国移动目前已建成全球最大的TD-LTE网络，如何在目前TD-LTE网络基础上规划LTE-FDD，实现两种制式融合组网已迫在眉睫。

4.1站址规划

首先获取目前GSM网络、TD-LTE网络所有站址资源。由于相比GSM网络，LTE采用同频组网，如果存在相同数目的重叠覆盖区时，LTE整体性能会下降10%-15%，因此需要去除现网中过近站、过高站，同时新增部分站点完善空洞区域覆盖。

目前中国移动TD-LTE网络经过四期建设，网络结构较为合理，LTE-FDD可优先选用TD-LTE站址资源。根据LTE-FDD网络结构要求，结合LTE网络仿真及网络优化测试结果，对具体站点进行整改。通过调整原有天线挂高、方向角、下倾角等，实现LTE-FDD网络结构最优化。

4.2主设备建设方案

中国移动在现有站址资源基础上规划LTE-FDD时，除需新址新建少量站点补盲外，大部分站点可采用共GSM或TD-LTE原有基站升级方式完成建设。根据中国移动主要厂家GSM网络、TD-LTE网络现网无线设备特性，如果采用利旧现有GSM网络升级建设LTE-FDD，需新增主控单位，传输单元，基带板件，可软件升级、替换或新增射频模块。采用TD-LTE升级建设LTE-FDD时，LTEFDD可与原有TD-LTE系统主控单元、传输单元及时钟单元，需新增基带单元、射频模块。从总体对比来看，主设备建设采用共TD-LTE升级时成本较低。

4.3天馈系统建设方案

LTE-FDD天馈建设方案主要包括独立新建天馈系统、采用多端口电调天线、共射频单元及天线、合路原有天馈系统等四种建设方案，各种建设方案对比如表3。

表3 LTE-FDD不同天馈建设方式对比

LTE-FDD采用新建天馈系统，可独立调整不同系统方向角，实现GSM、LTE双网性能最佳，但需新增天面位置。采用多端口电调天线方案利旧原有天面位置，需更换现网天线，可独立调整下倾角，保证GSM、LTE双网性能。共射频单元及天线利旧原有配套设备，成本较低，需对部分老旧设备进行替换升级，GSM、LTE双网目标不同时，较难实现双网共同优化。合路方案需利旧现网天线，但需新增合路器，对网络性能影响较大，增加后期维护难度。

5 结束语

作为LTE两种不同的制式，TD-LTE与LTE-FDD在协议上基本相同，双工方式的不同决定了帧结构、HARQ等底层设计的差别。TD-LTE相比LTE-FDD在容量上有一定的优势，但覆盖半径较弱。因此，在两种制式融合组网时，应充分利用两种制式的优势，可采用LTE-FDD完成广域覆盖，TD-LTE进行底层业务吸收，远期通过TDLTE和LTE-FDD融合载波聚合技术，将两种制式不同频点间的异频切换转变为聚合载波内部的频率选择调度，真正实现一张网。

1（韩）尹圣君等著，张鸿涛等译.LTE及LTE-Advanced无线协议.北京:机械工业出版社，2015年

2王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计.北京:人民邮电出版社，2010年

3张明和.深入浅出4G网络 LTE/EPC.北京:人民邮电出版社，2016年

4刘翔，李川.LTETDD与FDD制式技术对比与融合组网策略分析.通信与信息技术，2015（2）:31-35

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10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.009

2016-06-24）

随着4G网络在全球范围内大规模建设，TD-LTE与LTE-FDD作为LTE的两种不同制式，两者融合组网越来越受到运营商广泛的重视。文章简要对比介绍了TDLTE与LTE-FDD主要关键技术的相同与不同点，重点分析两种制式在容量与覆盖上的性能，并结合目前中国移动网络建设现状，提出LTE-FDD与TD-LTE融合组网建设策略，为实际网络规划与工程建设提供参考建议。