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李新：TD-LTE組網關鍵技術問題探討

李新：尊敬的各位領導、來賓，大家上午好！我是中國移動研究院的李新，非常高興與大家就TD-LTE組網關鍵技術進行探討，我今天介紹的主要內容分兩部分，第一是TD-LTE的同頻組網，第二部分是TD-LTE室內覆蓋，介紹的內容主要基于相關的理論分析以及仿真，還有前期的一些室內測試。目前中國移動在做的一個很重要的事情是在部里統(tǒng)一指導下，內部是在中國移動技術部的統(tǒng)一組織下，我們研究院和設計院一起在六個城市和相關廠家開展規(guī)模試驗的測試驗證工作，后續(xù)有組網相關的測試驗證結果之后，可以再做進一步的探討。在TD-LTE同頻組網方面，我要給大家就三個方面進行介紹。第一，是同頻組網關鍵技術。2G系統(tǒng)不是同頻系統(tǒng)，GSM無論是控制信道以及業(yè)務信道都是采用異頻系統(tǒng)。而TD-SCDMA采用N頻點組網，控制信道需采用異頻方式，業(yè)務信道可以采用同頻方式。在LTE中在系統(tǒng)設計之初就開始是以同頻組網為目標進行設計，對此，在相關的控制信道以及業(yè)務信道采取一系列的關鍵技術，來實現同頻組網。第二，采用關鍵技術之后，在同頻組網和異頻組網相比，性能上會產生的什么樣的差異。第三，就移頻組網方案給大家進行介紹。首先，我們來看一下TD-LTE控制信道的同頻組網技術。和3G相比，LTE在控制信道上采取更多的技術手段來確?？刂菩诺揽梢詫崿F同頻組網。首先是在天線技術方面，LTE和3G技術不同，他的下行控制信道采用發(fā)射分集的方式，這在3G系統(tǒng)里是沒有的，可以帶來發(fā)射分集增益，從而提升控制信道的抗干擾能力。第二，從資源分配上，相鄰的小區(qū)在部分控制信道的資源分配上，可以在時域和頻域兩個維度上盡量分散，這樣可以保證相鄰的幾個小區(qū)的控制信道在頻率上正交，這樣可以避免相鄰的的幾個小區(qū)的干擾。第三是加擾和交織方面，在TD-SCDMA里采取的是16位的序列，TD-LTE采用更長的序列：采用31位的序列進行干擾隨機化，使得鄰區(qū)的干擾白噪化更加明顯。第四是等效碼率方面，在TD-LTE里一個新的技術是：在信道條件差時，控制信道可以通過重復發(fā)送多次，來提升信道的冗余度，通過降低等效碼率，換取解調性能提升。重復多發(fā)當然會帶來系統(tǒng)資源的占用，但這個占用的幅度非常小。概括來說，TD-LTE控制信道理論上是可以支持同頻組網的，他的系統(tǒng)在設計的時候就是以同頻組網為目標設計的，同時目前在小規(guī)模的技術實驗上已經進行了同頻組網的外場設計，同頻組網已經得到了基本驗證。目前在規(guī)模試驗中，同頻組網已經初步在在負載比較輕的網絡上做驗證，后續(xù)將會在更多負載下做進一步的驗證。接下來看業(yè)務信道。業(yè)務信道采用抗干擾技術主要是在三個層面：第一，干擾隨機化。這里包括兩個方面，一個是加擾，通過采用給各不同的信道采用不同的擾碼移位方式，而且是長擾碼方式，使得干擾更加白噪化；第二，上下行可以通過支持跳頻或者頻率選擇調度，可以把用戶調度在干擾相對比較輕的頻率資源上，這樣可以避免頻選衰落，從而降低干擾。第二，干擾消除。在接收端采用多天線的接收處理，來消除干擾，同時，在發(fā)射端采用發(fā)射分集方式，這些方式都會有效的消除干擾。第三，干擾避免。在業(yè)務信道上，基站間可通過X2接口對干擾情況進行協商，通過協商，在資源分配的時候，會把干擾比較輕的資源分配給新加入的用戶，這樣來降低整個干擾。除了ICIC小區(qū)間干擾協調以外，還有波束賦形，進一步提升信號的期望強度，提升信噪比。應用了上述的控制信道和控制信道的組網相關的技術保障以后，我們來看一下，這樣的情況下，同頻組網和異頻組網的性能評估對比。仿真條件是在20MHz的小區(qū)帶寬下，每個小區(qū)10個用戶，500米站間距的情況下，分別給出8天線和2天線的仿真結果，下面表格的前三行給出8天線的結果。以8天線為例，同頻組網單個小區(qū)的小區(qū)吞吐量由于同頻干擾的原因會比異頻組網低40%左右，同時，小區(qū)邊緣吞吐量方面，同頻組網的吞吐量是異頻組網的55%左右，但是因為同頻組網只占用了異頻組網三分之一的頻率，所以從最終頻譜效率來說，無論是小區(qū)平均頻譜效率，還是小區(qū)邊緣頻譜效率，同頻都要比異頻高40%左右。除了剛才提到同頻組網和異頻組網方案以外，還有介于同頻組網和異頻組網之間的移頻組網。我們剛才提到，雖然控制信道采用了一系列的技術手段盡可能的減少干擾，某些相鄰小區(qū)的控制信道可以在一定的頻率資源上錯開，但有一些控制信道不能完全錯開，這樣控制信道仍然存在干擾的可能性?；诖耍覀兲岢鲆祁l組網的方案。舉例來說，不同小區(qū)的頻點之間可以進行一些交疊，或者移頻，這樣來實現組網。相對異頻來說，這樣對頻譜資源的需求比較少，相對同頻來說，控制信道的干擾可以得到進一步的降低，同時小區(qū)的吞吐量也得到進一步的提高。我們做過一個仿真，以平均吞吐量為例，移頻比同頻可以提高22%左右，由于在小區(qū)邊緣干擾的降低，可以使邊緣用戶吞吐量提升124%左右，當然，這種方案后續(xù)會在規(guī)模試驗中與同頻組網和異頻組網做一個統(tǒng)一的驗證比較，這只是目前初步的理論和仿真分析。接下來向大家匯報關于TD-LTE室內覆蓋的情況。分成三個部分來介紹，第一個是，TD-LTE室內覆蓋面臨的挑戰(zhàn)；第二，室內覆蓋的各種方案對比；第三，室內分布系統(tǒng)的關鍵技術。首先來看，LTE室內覆蓋所面臨的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)主要包括四點，第一，TD-LTE的覆蓋場景是復雜多樣的，我們要滿足各種功能區(qū)的覆蓋要求，比如說辦公樓、寫字樓、酒店，包括場館以及居民樓等等。不同的功能區(qū)對我們的室內覆蓋都提出了不同的要求，需要我們有不同的室內覆蓋方案來解決。第二，信道頻段高，會降低LTE的覆蓋能力，如果是2.6GHz頻段，我們后續(xù)會有具體的計算和初步的分析結果，在覆蓋能力上，這會比現有的頻段有一些損失。第三，是TD-LTE和WLAN存在復雜的互干擾問題。由于TD-LTE和WLAN頻率比較近，會存在基站間或者說終端間的干擾，需要在工程上采取相關手段規(guī)避。第四是TD-LTE中最關鍵的技術MIMO在室內如何實現，有一種對應的方式是雙流模式，這對工程改造提出很高的要求。這是TD-LTE室內覆蓋面臨的幾大挑戰(zhàn)。針對剛才提到的室內覆蓋場景功能區(qū)多種多樣，究竟用什么方案來解決室內覆蓋，我們看一下室內覆蓋的四種思路。除了網絡側思路以外，我們可以在終端上做一些特殊的要求，比如說終端上一些功能提升，包括發(fā)射分集、或者采用特殊類型的終端，可以把終端放置的更靠近窗口，天線外置等等，這些可以從一定程度上解決覆蓋的問題。第一個思路，是采用室外宏基站覆蓋室內，這是成本比較低廉覆蓋比較迅速的手段。主要的問題如果采用室外基站，室外基站頻率比較高，那么室外基站穿透覆蓋室內的性能會受到一定損失。第二是室內分布系統(tǒng)，這也是目前TD-SCDMA和GSM系統(tǒng)最主流的、解決樓宇主要的覆蓋方案。除了這兩種方案外，還包括采用Femto CELL以及Relay覆蓋，可以作為特定場景中覆蓋的補充。接下來，就剛才提到思路中室外基站覆蓋室內做一個簡單介紹。室外信號經過穿透覆蓋到室內，在傳播過程中要經過一系列的損耗，包括傳播的損耗，穿透的損耗，照射的損耗。最后一個綜合的效果，把這些損耗加在一起，最后收到的信號強度如何。經過我們理論推算，頻段越高越好，信號的繞射能力也會降低，信號經過建筑物的繞射，信號就強度降低幅度很大。2.6GHz繞射能力差異為2dB左右。因為頻率導致的傳播損耗，D頻段和A頻段相差4個dB左右，因為頻率傳播造成的損耗和繞射損耗加在一起，相同的基站功率和覆蓋條件下，D頻段接收到的信號功率比A頻段接收到的頻率要低5~6dB。當然，如果是更復雜的穿透環(huán)境，穿透損失的強度會更大一些。這里我們舉一個TD-SCDMA現網的例子，TD-SCDMA如果采用室外基站覆蓋室內，我們的樓宇不同樓層會出現明顯的差異：在一二層會出現弱覆蓋，主要是室外施主基站相對較高，當穿透墻體覆蓋到室內的底層時，信號傳播路徑上有可能遇到建筑物的阻擋，信號強度的損失非常大，造成一樓窗口信號強度僅-80到-95左右；相對來說，4-8層信號阻擋的可能性降低了，質量相對比較好；再到高層又發(fā)生變化，高層由于可以同時接收到多個小區(qū)基站的信號，信號強度可以滿足指標，但信號質量要更差一些。所以從TD-SCDMA應用情況也可以看出，如果采用從室外基站覆蓋室內的話，底層有可能出現信號強度造成的弱覆蓋，高層可能出現信號雜亂造成的信號質量差，這需要在后續(xù)組網建設過程中重點關注。除了室外基站覆蓋室內以外，還有一些適用不同場景的適用覆蓋方案。室外基站覆蓋室內，主要應用于一些難以協調、但又需要快速建立的場景，比如說居民樓。室內分布系統(tǒng)，可以應用于辦公樓、酒店、大型場館等場景，可以與現有制式共分布系統(tǒng)建設；Pico-RRU方案和Relay方案，可以作為上述方案的補充，對居民區(qū)、辦公樓等場景進行補充覆蓋。下面，我將就最為重要的一部分——TD-LTE室內分布系統(tǒng)，給大家做進一步的介紹。介紹分為三部分，第一個部分是TD-LTE室內分布系統(tǒng)性能分析。室內分布系統(tǒng)有兩種不同的方案，一種是可以支持MIMO的方案，另外一種不支持MIMO，在這里我給大家做一個簡單的性能對比。第二部分，是TD-LTE雙路及單路室分的關鍵技術問題。第三部分是TD-LTE與其他系統(tǒng)的干擾分析。首先來看，基于分布式基站的室分系統(tǒng)方案。在TD-LTE室內覆蓋要支持MIMO的話，我們采用雙通道系統(tǒng)，它的主要優(yōu)勢是實現單用戶的吞吐量提升接近1倍左右，但他會給我們整個工程建設帶來很大的改造難度，因為新增加室分系統(tǒng)，新增加和原來的合在一起，才能實現MIMO。第二種，是單通道的室內系統(tǒng)，類似于我們現有的TD-SCDMA和GSM，主要的優(yōu)點是改造起來相對容易一些，跟現在的系統(tǒng)優(yōu)勢簡單的進行一些合路，主要缺點是無法實現單用戶單吞吐量的提升。前期在一些特定的環(huán)節(jié)，我們在實驗室環(huán)境下，對單通道與雙通道的性能做了一些測試對比。上圖是封閉會議室和開闊辦公區(qū)的走廊環(huán)境，單通道和雙通道的室分性能對比。我們可以看到，在不同的場景下，雙通道室分和單通道室分，其性能增益會有變化，封閉會議室環(huán)境下由于信號相對比較穩(wěn)定一些，這種情況下，雙通道室分可以提供比單通道室分更為顯著的吞吐量增益。平均來說把封閉會議室、開闊辦公走廊加在一起，雙通道室分下行平均吞吐量為單通道室分的1.58倍。下面這個表，我們可以看到，雙通道室內和雙通道室分在平均吞吐量上會有顯著的增益，當然會隨著場景不得同，增益會有所變化。在雙通道室分中帶來的性能增益，是需要有一定的工程代價換取的，需要我們建設兩路的室分系統(tǒng)，同時為了支持MIMO模式需要兩套系統(tǒng)天線。需要兩套系統(tǒng)天線就涉及一個問題，這兩套系統(tǒng)間的天線間距如何規(guī)劃？前期，我們在實驗室環(huán)境用相關的信道儀表進行了測試，主要是測試信道相關性，測試場景包括：第一種，單極化天線間距問題。在辦公室、會議室比較封閉的場景，這種情況下，兩路系統(tǒng)天線中的相關性會隨著信道的變化會有所變化，我們建議布放天線間距大于4個波長(50cm)。對于一些狹窄走廊場景上，為了降低相關性，天線間距最好在6個波長(65cm)以上，而且，為了使相關性更好，天線的排列方向最好和走廊方向垂直，這樣以保證降低天線的相關性，提升他的性能。這是第一點。第二，雙通道功率不平衡問題。如果在室內布設兩路分布系統(tǒng)時，一路新建，另一路是與現網共用，則兩路之間存在著合路器件個數、饋線長度等不一致的情況，會造成兩個通路功率的不平衡。功率的不平衡會對系統(tǒng)性能帶來一定的影響。左下角的表，給出了隨著解調性能隨著功率差異的變化情況，功率差3個dB的時候，整個性能會下降0.5個dB左右。從整個性能和工程實施角度來看，我們應該對兩個通道的功率差異進行控制，最好是控制5個dB以內。功率上可以采取新建增加衰減器的方法，同時在工程驗收中也會增加兩個通路功率的相關測試，保證兩個功率盡可能的平衡。第三，雙極化天線問題。剛才提到實現雙路室內需要兩套天線，減少天線個數的方式就是采用雙級化的天線，可以把兩套單級化的天線變成一個雙級化的天線。雙級化系統(tǒng)天線在規(guī)模試驗中會做進一步的測試驗證。目前有一個小的問題，在雙級化天線垂直極化可以覆蓋GSM和LTE的D頻段，而水平計劃天線覆蓋的頻段相對比較窄，覆蓋不到GSM頻，這就要求我們在建設的時候特別注意，在室分端口不要因為端口接錯而影響GSM性能。剛才提的主要是雙路室分系統(tǒng)，相比來說，單路室分系統(tǒng)主要的優(yōu)勢是工程改造量更小，他的缺點是無法實現單用戶峰值吞吐量的提升。在難以改造的情況下，我們還是可能先采用單路室分建設，如果后續(xù)想要進一步擴容或者提升性能，這個時候有兩種方案，一種是把我們的單通道的信源改成雙通道信源，通過單通道改雙通道，提升小區(qū)下行吞吐量，這樣也會提升單用戶的峰值吞吐量。第二種方案，我們不更換信源，而是直接增加載頻，在原有的單通道信源基礎上，再增加一個單通道信源。他們的區(qū)別，單通道改雙通道需要新建一路饋線系統(tǒng)，而增加載頻方式只需增加信源就可以，無需饋線改造，但無法提升單用戶峰值吞吐量。接下來，我就TD-LTE與其他系統(tǒng)間干擾的問題進行匯報，這也是室分要特別注意的問題。第一，LTE與其他蜂窩系統(tǒng)的干擾。TD-LTE系統(tǒng)和其他系統(tǒng)進行合路的時候，有一些指標要求是需要注意的。室分場景有兩種，一個是多系統(tǒng)共用室分場景，隔離度可以由信源合路器提供，信源端合路器達到60dB的隔離度就可以了，這里邊沒有考慮WLAN，WLAN的情況我會在下一個部分解釋。另一種是LTE與其他系統(tǒng)不合路、采用獨立室分的方式建設，這時就需要考慮不同系統(tǒng)的天線間距的問題，如果要實現30dB的隔離度，不同系統(tǒng)吸頂天線應保證至少1米的間距。如果是TD-LTE或者TD-SCDMA共用E頻段，建議保證統(tǒng)一的時隙配比，避免交叉時隙干擾。目前從設備上來說，同頻段的TD-SCDMA與TD-LTE RRU僅能通過電橋進行同頻合路，由此帶來3dB插損，使系統(tǒng)覆蓋范圍收縮。這是在將來實施過程中需要特別注意的。第二，LTE與WLAN的互干擾。需要通過相關措施來規(guī)避干擾。主要的干擾分成幾種方式，包括TD-LTE基站和WLAN AP間，以及TD-LTE基站和WLAN終端間，TD-LTE終端與WLAN AP、TD-LTE終端與WLAN終端間這四種類型的干擾。對于TD-LTE的基站與WLAN AP之間的干擾，如果是獨立室分系統(tǒng)，兩天線間距最好是1米以上；如果是共室分系統(tǒng)，合路器需至少提供70dB的隔離度。TD-LTE和WLAN終端之間，由于很難控制用戶的行為，兩個終端非?？拷牵矔霈F干擾的可能性，需要采取相應的規(guī)避措施。剛才，我就TD-LTE兩個關鍵的問題——同頻組網和室內覆蓋做了介紹，下面我們做一個簡單的小結。首先是同頻組網方面，LTE系統(tǒng)在設計之初對于控制和業(yè)務信道均已經考慮了相應干擾規(guī)避或降低措施，以實現同頻組網；實際性能有待進一步測試驗證；第二，對于TD-LTE室內深度覆蓋問題，基于分布式基站的室內分布系統(tǒng)仍是最主要的解決手段；第三，在部分典型的應用場景下，雙通道室分下行吞吐量約為單通道的1.6倍，雙通道室分具有明顯性能優(yōu)勢，單通道具有工程便捷優(yōu)勢；第四，LTE雙路室內分布系統(tǒng)建設時需特別注意考慮天線間距、2個通道功率不平衡、雙極化吸頂天線端口配置等問題；第五，TD-LTE與WLAN終端間干擾難以規(guī)避，WLAN采取獨立布放更易產生系統(tǒng)間干擾，需采取相應規(guī)避措施。我今天的演講就到這里，謝謝大家！

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