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摘要：长期演进技术LTE作为第三代与第四代移动通信技术之间的桥梁，在带宽及容量上能一定程度地满足日益增长的这种业务需求，其网络规划与建设目前已经在世界各地纷纷展开。由于TD-LTE有着对TD-SCDMA设备平滑演进的特性，世界最大的运营商之一-中国移动通信有限公司，毫无疑问地选择了TD-LTE作为其长期演进技术制式并加以研究及实践。在这个大环境下，如何更好更快地建设TD-LTE网络，成为现阶段所有从事和关心TD-LTE网络规划和网络建设人员所关注的课题。
关键词：TD-LTE；无线网络；规划；设计
1 TD-LTE 网络规划基础
1.1 TD-LTE 网络基本原理
1.1.1 LTE 无线网络基本结构
与传统2G及3G网络结构相似，LTE同样分为核心网（CN）及无线接入网（UTRAN）两部分。但由于与以往的蜂窝系统不同，LTE不采用传统的电路交换模式，而仅支持分组交换模式，因此系统架构的设计可以摆脱传统模式，以达到更高的系统运行效率。Long Term Evolution（LTE），长期演进这一术语，不仅仅包含在无线接口方面的演进，也包含了在系统架构方面的演进（SAE，System Architecture Evolution）。SAE含有演进后的分组交换核心网（EPC）。LTE和SAE共同构成了演进分组系统（EPS），EPS使用“EPS承载”这一概念提供从公共分组数据网网关到用户终端的IP路由。一个EPS承载是分组数据网网关和UE满足一定服务质量（QoS）的IP流。E-UTRAN 和EPC共同根据业务请求建立和释放承载。与EPC相比，E-UTRAN的架构演进更加让人兴奋。传统的2G和3G网络架构，都属于分层架构，拥有多个不同网络节点。其中Node B或BTS负责调制、解调接收到或准备从天线发射的信号，以及对射频信号进行纠错或重传。每个RNC或BSC控制着多个NodeB或BTS，主要负责与其控制的基站（Node B或BTS）进行信令和数据的交换，管理无线资源，并连接到CN。RNC或BSC间相互连接，以实现跨用户在RNC/BSC之间的切换。这种分层的架构让每一个网络节点均可独立分担不同的网络任务，不会出现混乱。LTE则采用了单节点的扁平化网络架构。所谓的单节点，即将RNC和Node B合并为一个新的网络节点eNode B（evolution Node B），它负责管理一系列小区。eNode B继承了原来RNC和Node B的大部分功能，如无线资源管理、IP报文头压缩、与核心网的连接等，因此它比Node B更加复杂。而扁平化架构则减少网络实体的个数，让信令和数据在网络上传送的路径减少，不但缩短了传输的时间，还减少了可能出现的故障点，因此有效提高了数据传输效率。eNode B采用S1接口与EPC相连，S1与Iu接口类似。eNode B间采用X2接口连接，主要用于支持激活模式的移动性，只用于相邻小区的eNode B间。传统无线网络与LTE网络结构的对比如下图所示。
1.1.2 TD-LTE 无线接入技术
第三代移动通信系统，无论是WCDMA还是TD-SCDMA，均是采用基于CDMA的码分多址无线接入技术。它们均使用各种码来区分信道和用户，并在相对较宽的频谱上进行直接序列扩频，对比传统GSM的FDMA方式，频率利用率较高，接入性能，峰值速率等也有了极大的提高，功率控制也让移动终端的待机时间增长。相对地，LTE下行采用的是基于OFDM（正交频分多址）的无线接入技术（OFDMA）。OFDM具有的特点满足了LTE设计的初衷：其正交性使频谱利用率大大增加；灵活的传输带宽可以支持不同大小频谱分配操作。LTE上行采用的是SC-FDMA（单载波频分多址接入）技术，原因是OFDM虽然有这各种优点，但其设备的复杂都较高，不利于在移动终端上应用。
2 TD-LTE 网络关键技术
2.1 正交频分复用（OFDM）
正交频分复用（OFDM）其实在上世纪 60 年代已经被研究出来，但由于当时在生产工艺等方面技术相对落后，导致其仅仅是一个模型，未得到进一步应用。随着 70，80年代 DFT（离散傅里叶变换）和 FFT（快速傅里叶变换）的提出，OFDM 实现成本和复杂度得到大大降低，这种技术开始广泛应用于有线网络。后来经过大量的研究和现代数字信号处理器的处理能力不断增强，OFDM 技术最终成为了 LTE 的下行链路主要技术。
OFDM 源于频分复用（FDM），是一种多载波调制技术。其基本原理是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
OFDM 技术的优点如下：
（1）OFDM 技术最大的优势在于可以更有效地利用带宽。传统的 FDM（频分复用）技术由于要对抗载信道间的干扰，因此在相邻信道间必须设置一定的保护间隔；而OFDM 利用其信道的正交性，让相邻子信道之间可以重叠，从而在相同带宽下可容纳更多子信道；
（2）可重叠性。所谓正交性，即所有子信道即使混合在一起，在接收端也有方法将其区分开来，举一个简单的例子，两个信号 A 和 B 重叠，通过调制有 A*a+B*b，其中 a和 b 是不同的正交序列，如果要从同一个频率中需要获取信号 A，那么通过计算，（A*a+B*b）*a=A*a*a+B*b*a=A+0=A（因为 a，b 正交，有 a*a=1，a*b=0）。所以 OFDMA是允许频率重叠的，甚至理论上可以重叠到无限，但是为了增加解调的容易性，目前 LTE仅支持 OFDM 重叠波长的一半；
（3）OFDM 技术能很好地对抗频率选择性衰落。在单载波系统如 GSM 系统中，如果信号的衰落或干扰严重，很有可能导致整个通信链路不可用；但对于多载波系统，问题则变得不那么严重，因为载波比较多，只有一小部分失效，其他大部分载波仍可以正常传送，整个信道传送失败的几率变得很小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而且还可以采用纠错码来对这些子信道进行纠错；
（4）由于 OFDM 具有良好的可扩展结构，支持的可变带宽从 1.25 到 20MHz，使其能够平衡抗多径能力与多普勒频偏的影响；
（5）能通过 FFT/IFFT 有效地实现；
（6）更容易与其他技术（特别是 MIMO）结合；
（7）虽然 OFDM 发射机复杂度高，但其接收机复杂度较低，更容易在用户终端低成本实现，以上这些都使 OFDM 成为 LTE 系统关键技术之一。
2.2 多进多出（MIMO）
多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。
MIMO 技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落，具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。如果各天线间衰落是独立的，则可获得相当于接收天线数的增益，大大减小平均误差率，这对于传输介质比较不稳定的无线通信来说是很重要的。对于发射 分集技术 来说，同样是利用多条路径的增益来提高 系统的可靠性。与分集技术相反，空间复用利用的是信道的衰落。
①LTE 中的下行 MIMO 技术
LTE系统可以支持单天线发送（1x），双天线发送（2x）以及4天线发送（4x）等多种天线数量方式，从而提供不同级别的传输分集和空间复用增益，目前使用的默认配置是下行 2x双天线发送可以采用6种传输模式，各有特点，具体描述如下：
1、single-ant。单天线传输（基本模式）；
2、transmitting-diversity，发射分集。适合覆盖边缘，用不同模式在不同天线上传输相同数据，提高传输质量；
3、open/close loop sdma，开/闭环空分复用。适合覆盖好的地方，通过空分复用提升速率。不同天线同时接收不同信息，相当于相同的时间信息量翻倍。
4、mu-mimo，多用户 MIMO。适合 2 个用户分隔较远的情况，同时可以对 2 个用户传输不同的内容，增加信息量输出。
5、close loop single-layer pre-code，闭环单层预编码。适合覆盖边缘1个天线发射，2 个天线接收，类似开/闭环空分复用，但是2个天线接收同一个内容，增加可靠性；
6、beamforming，波束赋型。智能天线能够根据波束找到用户方向（波的干涉原理），将主瓣对准它，增加可靠性。
LTE 下行链路中采用的 MIMO 技术主要是发射分集、空分复用和波束赋形，LTE R9版本中还定义了 Dual-Layer Beamforming（双流波束赋型）。发射分集和空分复用原理均在上面有所提及，这里描述一下波束赋型。
波束赋形应用于小间距天线阵列的多天线传输技术，主要原理是在空间信道的强相关性作用下，产生强方向的辐射方向图（利用波的干涉原理），对准用户方向。即是将一个单一的数据流通过加权形成一个指向用户方向的波束，从而使得更多的功率可以集中在用户的方向上，从而提高信噪比、覆盖效果和容量。只要在基站侧测量来波方向和平均路损等信息，即可得出用户方向及距离，不需要利用用户终端来反馈所需信息，从而不要求上行适用多根天线进行数据发送，减少了上行信息流量，也降低了终端的复杂度。
②LTE 中的上行 MIMO 技术
MIMO 技术在 LTE R8 版本上行链路应用时，为了避免终端实现过于复杂，加快商用进度，一般使用一根发送天线和两根接收天线。需要说明的是，在LTE向LTE-Advanced 演进过程中，也发展了上行 MIMO 技术，特别是单用户 MIMO（ULSU-MIMO），比起现阶段使用的多用户 MIMO 技术（或称虚拟 MIMO），在一定程度上提高了频谱效率和传输峰值速率。
LTE 上行多用户 MIMO（MU-MIMO）是一个虚拟的 MIMO 系统，即每一个终端均发送一个数据端，但至少有两个以上的数据流占用同一时频资源，这样从接收机来看，这些来自不同终端的数据流可以被看做来自同一个终端上不同天线的数据流，从而构成一个虚拟的MIMO系统。在 LTE 系统中，用户之间无法相互通信，所以该方案必须由 eNode B 统一调度。
LTE 存在开环和闭环两种天线选择方案。闭环天线方案，终端需要发送用于天线选择的参考符号，在下行需要发送告知天线选择信息的比特，开环方案则两者均不需要，相对地，闭环方案获得的分集增益比开环方案大。在 LTE FDD 模式下，由于上下行工作于不同频率，路径损耗，多普勒频移等均不相同，因此选择闭环方案比较合理。但是，在 TDD 模式下，上下行仅依靠时隙区分，上下行信道之间的存在对称性，因此可选择开环方案，从而减低天线和设备的复杂度。
LTE R9 中，提出了基于 SU-MIMO 的几种解决方案，分别是上行发射分集，上行预编码和上行波束赋形。
（1）对于上行发射分集，从用户终端的复杂度和功率受限角度出发，除了需要增强链路性能外，还要保证分集方案不会过于升高 CM 值，而且使其保持在合理范围内。
（2）上行预编码。可以分为基于码本（Codebook）的预编码和基于非码本的预编码。前者适用于 FDD 和 TDD 模式，后者对上下行无线信道的互惠性要求较高，TDD模式适用性较高。
（3）上行波束赋形。通过波束赋形向量对信道的加权，调节天线上的功率分配，以达到更好的性能。可以理解为上行预编码的一种特殊情况。
3 TD-LTE网络规划特点
TD-LTE 系统在网络拓扑结构上与传统的 2G/3G 系统相似，均为蜂窝型网络，因此在规划流程和方法上有很多相似点。但由于网络架构、物理层技术、调度算法等方面均与前代技术有较大差别，也导致 LTE 和以往的 2G/3G 系统的网络规划有所不同。而 LTE的 FDD 模式和 TDD 模式由于在双工方式，帧结构，以及一些关键技术上有所区别，因此在规划上也有一定差别。TD-LTE 在网络需求分析、频率规划、规模估算（包括覆盖和容量估算）、网络仿真和参数规划方面与 3G 存在较大差异，TD-LTE 的技术特点在小区边界用户频率规划、用户和业务模型以及仿真上体现较为明显。
4 总结
首先对 TD-LTE 基本原理和各种关键技术进行了介绍，然后对 TD-LTE 网络规划特点进行了分析，为 TD-LTE 无线网络规划的具体研究提供了基础。以预见，TD-LTE，作为 4G 的其中一种核心技术，将在未来一段时间内得到大规模的商业应用，从根本上改变人们的终端使用习惯，并对无线网络技术产生革命性的影响。因此，对 TD-LTE 无线网络规划设计的研究也将越来越受到重视，因为网络规划的质量，不但影响着网络建设的全过程，也对网络的优化有着深远的影响，随着站址获取的难度加大，对网络规划的要求也越来越高。
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论文作者:符志敏
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/9
标签：天线论文; 信道论文; 技术论文; 网络论文; 波束论文; 终端论文; td-scdma论文; 《基层建设》2016年11期论文;