LTE TDD技術演進之路 @ Keep Rock

上網時間:2012年10月11日

作者：Renuka Bhalerao
Radisys公司

隨著智慧設備的興起，人們的下載內容數量空前巨大，這給網路帶來了很大的壓力。全球無線廠商因此在高速行動寬頻服務方面面臨日益成長的需求。越來越多的用戶傾向於極耗頻寬的應用，例如YouTube和Netflix，廠商不得不尋找新的技術來因應這些不斷成長的需求。

許多廠商將LTE視為行動寬頻技術的全球事實標準，因為LTE具有節省成本、頻譜效率高、行動性和互通性等優點。然而，即使是使用了LTE，廠商發現為了向使用者提供類似有線的速度和功能也極具挑戰。根據高通公司最近發佈的報告，雖然LTE允許廠商使用新的更寬頻譜和彌補現有3G網路以處理越來越多的行動業務，但無線鏈路的改善在很快接近理論極限，而廠商可用頻譜資源通常又非常有限且費用高昂。

在為無線用戶提供類似有線體驗的競賽中，廠商想盡了一切方法。廠商已經透過小型蜂巢式網路和Wi-Fi卸載資料流程量，但卻發現這些解決方案都缺少行動性。當住宅、機場和咖啡店等焦點附近聚集有許多用戶時，Wi-Fi能有效改善這些用戶的體驗，因為他們可以將資料業務卸載到Wi-Fi上，但這不支援用戶行動應用。巨集蜂巢式網路和小型蜂巢式網路的混用(也稱為異構網路(HetNet))以及小型蜂巢式網路增殖服務(如本地IP接取(LIPA))可以在一定程度上減輕壓力，但這些解決方案也受限於特定位置和用戶數量。

正當廠商為卸載資料流程量想盡辦法時，以LTE形式出現的時分多工(TDD)開始大放異彩。TDD有潛力被定位為頻分多工(FDD)網路的補充解決方案，可用來為擁塞區域增加容量，提供新的資料卸載方法，並作為小型蜂巢式網路部署的回傳方法。

什麼是TDD？

LTE技術有兩種工作模式：FDD和TDD，它們在技術上非常相像，是同一射頻接取標準的一部份。2009年LTE FDD和TDD同時被定義和引用為3GPP規格的一部份，用於在公共核心網路架構上高效地使用成對和不成對頻譜分配。兩者的主要區別在於所使用的多工方法。

在LTE FDD和LTE TDD中，發送的訊號都是被組織為持續時間為1ms的子訊框，10個子訊框則組成一個完整的射頻訊框。正常情況下每個子訊框由14個正交頻分多工(OFDM)符號組成(在擴展迴圈首碼中有12個OFDM符號)。雖然LTE FDD和LTE TDD的訊框結構在很多方面是相同的，但仍有一些區別——最明顯的是TDD中使用了特殊子訊框。TDD中的子訊框若非分配給上行鏈路(UL)傳輸，就是分配給下行鏈路(DL)傳輸。

在FDD工作時，共有兩個載頻，一個用於上行鏈路傳輸，一個用於下行鏈路傳輸。因此在每個訊框中共有10個上行鏈路子訊框和10個下行鏈路子訊框，上行鏈路和下行鏈路傳輸可以在一個蜂巢式網路內同時進行。

在TDD工作時，只有單個載頻，蜂巢式網路中的上行鏈路和下行鏈路傳輸在時間上總是分開的。由於上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同的載頻，所以基地台和行動終端必須在收發之間來回切換。這樣，由於一個子訊框要麼是上行鏈路子訊框，要麼是下行鏈路子訊框，因此每個方向上每個射頻訊框的子訊框數量小於10個。

LTE TDD與FDD的關係

TDD相對來說比較容易透過動態改變上行鏈路和下行鏈路之間的容量比來重新分配時隙，因此非常適合今天下行鏈路業務重的應用模式。在大多數情況下，網路廠商希望下行鏈路容量比上行鏈路大，因為用戶更多地是要下載像視訊和網頁等內容，而不是上傳他們製作的內容。

除了應用於TD-SCDMA的區域性部署外，TDD在3G網路中並沒有得到廣泛普及，但在LTE中TDD具有很大的潛力。廠商們一開始不太願意採用這種新技術，因為這種技術與WiMAX非常類似。但自從認識到TDD和FDD技術可以完美共存後情況有了改變，現在已經在新市場中積極支援TDD LTE。由於TDD和FDD具有公共的核心網路架構，因此不存在額外的資本支出(CAPEX)，兩者可以實現無縫的交互通作業。主要區別是TDD需要一個特殊的射頻(RF)單元。另外一個顯著的區別是實體層定義，更高層和網路架構的其餘部份則仍然適用於FDD。

然而，FDD仍然處於領先地位。大多數商用LTE網路基於的是FDD，因為FDD生態系統更加成熟，也是大多數頻譜分配進行的地方。全球所有主要廠商的4G LTE網路已經獲得了寬頻的FDD頻譜，非常適合語音通訊，因為其上行鏈路和下行鏈路天生是對稱的。另外，由於下行鏈路和上行鏈路固定在不同頻率，因此FDD可以覆蓋更大的區域。

然而，一些廠商能夠充分發揮TDD的優勢，他們的做法是聯合部署TDD和FDD兩種技術，為非常不對稱的應用卸載業務，如視訊、或機器到機器(M2M)等更新的領域。舉例來說，沃達豐開發出了一種創新的LTE TDD用例，可作為小型蜂巢式網路部署的回傳。隨著多媒體廣播和組播服務(MBMS)吸引力的增大，在下行鏈路中使用不成對TDD高效地提供這種廣播資訊同時不影響FDD上並行提供的使用者服務具有更加重要的意義。

現有FDD網路可以利用LTE TDD優勢實現目標性擴容，並透過盡可能利用公共EPC網路架構確保更大的規模經濟。TDD特別適合焦點擴容(毫微蜂巢式和毫微微蜂巢式)和小型節點最初的新LTE TDD網路規劃。LTE TDD是小型節點很好的室內補充技術，因為它不會干擾FDD網路。LTE TDD也是使用不成對頻譜的理想技術，這種頻譜一般處於最適合擴容的更高頻段，因此分片較少。大多數FDD部署使用2.6GHz，但一些最大的展示工程會使用其它頻段。在許多不同頻段部署一種技術的風險在於普及上的困難，因為製造商不會製造出許多設備來提供支援。TDD的地位則好得多，因為大多數工程希望只使用兩個頻段：2.3GHz和2.6GHz。晶片組製造商對於人口多的國家部署2.3GHz特別感興趣。TDD還帶動了許多智慧天線技術，如波束成形。LTE TDD焦點和LTE FDD巨集蜂巢式網路的混合將進一步提升容量並擴大覆蓋率。

大多數網路基礎設備和元件晶片組供應商的商用產品都同時支援TDD和FDD，這顯示他們認可這兩種技術具有很大的市場潛力。這種做法可以簡化實現，最大程度地減少部署LTE TDD所需的額外營運成本/資本支出(OPEX/CAPEX)。TDD在資料輸送量和延遲指標方面與FDD相當，並且支援從FDD到TDD或者相反方向的切換(HO)。

這是混合LTE TDD/FDD部署模型的新開始。

TDD技術目前應用狀態

LTE TDD可望在2015年得到廣泛普及，並達到8900萬個連接，占當年總預測LTE連接數量的約25%。

雖然人們預計LTE TDD和FDD一樣將在更高頻寬內得到最廣泛的使用，但在1.4MHz至20MHz範圍內共定義了6個載波頻寬。電信界已經在舊版相容性方向和重新選擇方面研究額外的定義。此外，將LTE投入公共安全和健康護理等其它市場使得TDD技術開始全面演進——TDD在這些市場算是真正啟動起來了。

TDD元件其實並不缺乏。高通就是美國手機晶片組市場中的一家主導公司，該公司即將發佈一款多模式LTE FDD/LTE TDD晶片組，並且與舊版相容3G服務。中興和許多其他公司也在展開這方面的研究，以確保在不額外增加成本的條件下推出同時支援FDD和TDD的產品。

TDD頻譜已經在許多國家獲得了分配。歐洲和亞洲的幾家UMTS行動廠商收穫了2.1GHz頻段的小塊TDD頻譜。這個頻譜是與更大的UMTS FDD通道頻譜同時分配的，而在大多數情況下TDD頻譜從未用過。然而，大多數廠商選擇在2.3GHz和2.6GHz推行TDD。這些頻段可以提供最大的連續頻譜塊，因而支援實現可能最好的性能。

雖然TDD銷售很快，但不成對頻段仍然可用，而且不像FDD那麼昂貴。歐洲、亞洲和拉丁美洲等國家都遵循歐洲郵政電信會議(CEPT)建議，這意味著2.6GHz拍賣時應將50MHz的TDD與2x70MHz FDD捆綁在一起。其它國家則允許廠商決定選擇哪種技術。另外，一些市場會發佈技術上中立的許可，因而允許許可獲得方在LTE TDD中使用他們的頻譜。

與此同時，全球供應商一直在做互通性測試(IOT)，這使得TDD技術越來越可靠，而且許多供應商已經宣佈了部署LTE(FDD或TDD)的計劃。例如，TDD是WiMAX廠商或採用2.3GHz或2.5GHz頻譜的新進廠商的一個選擇項，因此業界存在WiMAX廠商切換到LTE的趨勢。在開發LTE TDD解決方案中，從WiMAX部署中獲得的專業技術也是一種有價值的資產，因為這兩種技術都是基於IP OFDM的技術。這些相似性為WiMAX廠商轉向LTE提供了一條便捷的途徑。

TDD投入不同的市場和地區

TDD在亞洲和歐洲已經得到啟動，因為在這些地區許多部署專案在其網路推廣計劃中包含了TDD。UK Broadband(UKB)正倫敦使用華為的LTE TDD解決方案搭建第一個LTE網路。這是全球第一個LTE TDD 3.5GHz部署計畫，也是英國第一個商用的LTE TDD部署計畫。UKB在2012年5月開始運作批發模型，並與合作夥伴一起向商業、消費和公共領域供應商用服務。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，因此想要過渡到4G/LTE等頻率技術的行動廠商將面臨覆蓋率和品質的挑戰。為了改善服務，廠商正規避本地FDD巨集蜂巢式基地台，同時使用住宅TDD毫微微蜂巢式網路在家庭寬頻連線上傳送呼叫。

中國和印度一直致力於部署這種技術，其它國家的廠商也表示支援，主要原因還是規模經濟。TDD代表了中國移動的未來寬頻策略，印度的寬頻無線接取(BWA)拍賣也提升了業界對LTE TDD的興趣。對支援TDD的設備的最初需求主要在中國和印度，因為在開放空中介面上如何傳送訊框方面TDD具有更大的靈活性。這些國家迫切需要基於TDD的毫微微蜂巢式網路，因為與FDD相較，TDD能更加方便地管理容量並減少干擾。隨著三個最大地區選擇LTE TDD部署，其它國家也很可能去爭取這個市場佔有率。例如，Clearwire和Sprint已經將TDD帶進了美國。

Radisys Trilium LTE軟體同時支援FDD和TDD。在最近的一個案例研究報告中，有家一級電信設備製造商(TEM)整合了Trillium的TotaleNodeB LTE毫微微蜂巢式網路軟體，並簽約了源自Radisys服務的PHY/MAC合成說明，因此與全部自己開發相較顯著節省了時間與開發成本，可以在6個月內完成產品上市，而全部自己開發需要兩年甚至更長的時間。Trillium軟體設計支援從小規模部署到大規模部署的各種應用，並經過最佳化可以在多種架構上執行具有有限資源的單一處理器。

本文小結

借助大量資料卸載技術和HetNet概念的推出，頻譜效率得到了顯著提高，創新的資料規劃不斷出臺，向無線用戶提供類似有線體驗的行動寬頻夢想正逐步變成現實。TDD技術的出現開啟了混合LTE TDD/FDD部署模型的新篇章，為擴容和資料卸載提供了新的途徑。業界正向混合LTE部署發展，其中毫微微蜂巢式網路和小型蜂巢式網路採用TDD，巨集基地台使用FDD，因而製作出能夠消除干擾問題的HetNet拓撲。在毫微微蜂巢式網路上實現TDD可以改善訊號品質，最佳化頻寬分配，因而向最終用戶提供高品質的體驗。TDD已經成功展示出能夠克服目前無線網路所面臨挑戰的潛力。由於採用了經濟的頻譜，在擁擠地區TDD將成為後援技術，可以透過卸載視訊和M2M等應用的不對稱資料實現擴容。