TD-LTE与LTE FDD融合组网可行性研究

颜薇芳

(湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126)



TD-LTE与LTE FDD融合组网可行性研究

颜薇芳

(湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126)

摘要长期演进(LTE)有FDD和TDD两种制式，FDD覆盖范围广但频谱资源占用较大，而TDD容量覆盖大，频谱资源相对丰富，为了满足用户高速率上网的卓越体验，TD-LTE和LTE FDD两网融合成为了关键问题。通过对LTE FDD和TD-LTE关键技术、帧结构、物理架构以及设备终端等方面的分析，充分说明了TD-LTE与LTE FDD融合组网的可行性。

关键词LTEFDD；TD-LTE；融合组网

0引言

在移动互联网快速发展的今天，客户对信息化的需求越来越大，再加上近年来终端形态和移动应用的丰富引发流量的急剧增加,更加刺激了客户对移动带宽的需求，3G网络已经难以满足移动数据流量的巨大需求，LTE高数据速率的融合网络将成为移动互联网的主流[1]。目前全球已有部分国家与地区正式商用TD-LTE和LTE FDD融合网络[2]，事实证明，融合网络能使TD-LTE和LTE FDD优势互补[3]，不仅方便了用户在国内外更好地使用移动通信业务，充分利用了频率资源，提高了系统抗干扰性能，并且能够更好地支持对称与非对称业务。本文从技术、设备和终端等角度全方位的阐述了TD-LTE和LTE FDD融合组网可行性。

1TD-LTE与LTE FDD融合组网关键技术

LTE的关键技术主要有OFDM技术和MIMO技术等。LTE物理层采用的OFDM和MIMO等技术，不仅极大地提高了系统吞吐量，也是LTE速率的提升关键[4]。

1.1　OFDM技术

正交频分复用(Orthogonal Frequently Division Multiplexing，OFDM)是一种特殊的多载波调制技术，它将大的频谱分为若干小的子载波，各相邻子载波相互重叠且互相正交从而使其重叠但不干扰。

传统频分复(Frequently Division Multiplexing，FDM)多载波调制技术是通过滤波器把整个频带分割成若干个互不交叠的子载波，子载波之间需要很宽的保护频带，而在OFDM多载波调制技术中子载波频谱允许互相重叠，使得频谱的利用率大大提高。与此同时，OFDM系统在不同的子载波上有不同的信道衰落[5]，因此可以通过比特和子载波的动态分配，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统性能。

1.2　MIMO技术

多输入多输出系统(MIMO)技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，由多个发射天线在指定的带宽内同时发射，在接收端和发送端都采用多天线MIMO系统，在一定程度上实现了提高通信容量[6]和频谱利用率的目的，另一方面，MIMO系统就可以创造出多个并行的空间信道，而通过这些并行的空间信道独立地进行信息传输，数据率必然能够得到很大的提高。

2LTE网络架构

相较于传统的3G网络，LTE拥有更加简单扁平化的网络结构，从而使得组网成本更低而组网灵活性却大大提升，另一方面，用户数据和控制信令的时延也将大大减少。

LTE的网络架构如图1所示，全IP、扁平化的网络架构将RNC的物理实体、功能实体分解到基站(eNodeB)和核心网元，从而E-UTRAN系统只由eNodeB组成(eNodeB之间通过X2接口进行通信以实现小区建优化的无线资源管理)，也因此eNodeB集成了更多的功能块，包括：物理层(PHY)、媒体接入层(MAC)、无线链路控制层(RLC)、分组数据汇聚协议(PDCP)、无线资源控制(RRC)、无线资源分配和调度和小区间无线资源管理(RRC)。另一方面由基站和核心网组成的LTE两层网络架构具有更短的无线网络时延，单向用户数据时延小于5 ms，控制信令延迟小于10 ms。TD-LTE和FDD-LTE不仅拥有相似的网络架构，而且其内部协议栈也极其相似。

图1　扁平化无线网络架构

3TD-LTE与LTE-FDD帧结构对比

LTE系统有FDD和TDD2种帧结构，分别对应着FDD和TDD2种双工方式，在FDD双工模式下，长10ms的无线帧被分成10个子帧,而每个子帧又包含2个长为0.5 ms时隙，如图2所示。在TDD双工模式下，每个10 ms无线帧包括2个由4个数据子帧和1个特殊子帧组成的半帧，每个半帧长为5 ms，如图3所示。特殊子帧包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS，总长度为1 ms。DwPTS和UpPTS的长度可配置，DwPTS的长度为3～12个OFDM符号，UpPTS的长度为1～2个OFDM符号，相应的GP长度为1～10个OFDM符号[7]。

图2　FDD类型无线帧结构

图3　TDD 类型无线帧结构

虽然帧结构有所不同，但LTE FDD和TD-LTE均采用OFDM技术，子载波间隔均为15 kHz，一个无线帧10 ms，一个子帧1ms，一个时隙0.5 ms，而每个时隙包含的OFDM符号数由CP类型决定。

以上从技术、网络架构和帧结构3个方面对TD-LTE与LTE FDD两种制式进行了分析，发现TD-LTE与LTE FDD除了物理层帧结构的差异外，在其他技术规范上存在非常大的统一性[8]，这非常有利于TD-LTE和LTE FDD两种网络模式在较低的系统和终端成本下同时实现。

4TD-LTE和LTE FDD融合组网终端基础

TD-LTE和FDD LTE 融合组网正在变得越来越普遍，而终端融合则是融合组网成功商用的关键和难题所在，大唐、华为、中兴、诺西、爱立信和阿朗等通信设备厂商都推出了TD-LTE和FDD LTE的共平台产品，同时TD-LTE和FDD LTE共芯片的产品也成为国内外芯片厂商的研发方向。在运营商大力推动下和厂家不断试验实践后，融合组网已基本实现了从标准、平台到产品的全面融合[9]，LTE FDD和TD-LTE二者之间主要差别在于所使用的频段不同，二者在芯片层面，有着100%的相似度，在网络设备的无线部分略有差异，仅有10%的差异度。下面从几个具体方面对TD-LTE和LTE FDD融合组网设备终端基础进行详细分析。

4.1　标准融合方面

国际标准组织在LTE标准制定之初就已考虑到高度融合的需求。FDD LTE和TD-LTE在核心网和接口等方面已完全一致，空口模式上对于频段间的互操作也已完全一致。

4.2　芯片融合方面

Qualcomm(高通)所有 LTE芯片组，从第1代LTE产品开始就已经能够同时支持LTE FDD网络模式和TD-LTE网络模式，并且其支持LTE增强型(LTE版本10)和HSPA+版本10，同时支持LTE FDD网络模式和TD-LTE网络模式的第3代 LTE/3G多模调制解调也相继问世。目前，已经有多家领先的芯片企业推出了自己的能够同时支持LTE FDD网络模式和TD-LTE网络模式的芯片组，全球范围内已经推出或正在研发LTE FDD和TD-LTE融合多模芯片的企业已经超过了17家，而芯片的成熟进一步推动着融合终端的发展。

4.3　智能终端融合

目前全球已有近百款终端同时支持LTE FDD和TD-LTE，在LTE的后续发展中，LTE FDD和TD-LTE的融合组网前景日渐广阔。中兴已经研发出了TD-LTE/LTE FDD双模智能手机Grand Era LTE,还为客户提供了基于现网的GSM/LTE FDD/TD-LTE三模终端，为移动网络定制更为丰富的多模终端，包括数据卡、家庭网关和智能手机等。华为率先推出了自行研制的支持融合组网业务的五模全频芯片，其Ascend P7和Ascend X1是较为领先的支持FDD LTE和TD-LTE融合的多频多模移动终端,而荣耀6则是世界第一款支持LTE Cat6(4G网络的一个网络速度技术标准)的智能手机[10]。

4.4　平台融合

系统和终端在同一平台上的可实现性是融合的基石,基于全球领先的UniRAN的SDR平台天生支持TD-LTE和LTE FDD双模，因此它能够实现BBU设备、网络基础设施等方面的最大程度融合和共享，从而最大程度地实现LTE双模融合网络。经评估，在此基础上直接部署LTE双模网络比分别部署2个单模LTE网络节省高达40%～60%的投资。

4.5　天线融合

在天线方面，华为根据现在TD-LTE和LTE FDD融合建网需求，以及运营商2G、3G和4G并存的需要，提供了四模五频天线，该方案已经在国外运营商和中国运营商LTE融合组网建设中实现。需要注意的是，现在居民对铁塔放置较多天线非常敏感，总觉着设备体积大，辐射会大，因此阻挠运营商建设网络。对此，华为将这些天线集成到一起，如将一个小区四、五个天线集成为一个天线(该集成天线是国家在无线电监管的可靠安全辐射范围之内)，如此一来，不仅保证了覆盖也使得天线建设受到社会阻力减少了很多。

由此可见，随着近年来LTE产业链的不断成熟，TD-LTE和FDD LTE不仅在标准和技术等方面奠定了融合的基础，并且在系统设备方面实现了共平台，在终端产品方面实现了共基带芯片。

5TD-LTE和LTE FDD融合组网关键应用

为了让用户充分感受LTE融合组网优势，增强用户感知，减少掉网率，使用户不管在LTE FDD还是在TD-LTE覆盖下都享受到高速上网体验，载波聚合和负载均衡2个技术的完美应用，为TD-LTE和LTE FDD的融合之路提供了可靠保障。

5.1　载波聚合应用

TD-LTE载波和LTE FDD载波聚合的多载波捆绑技术的成功应用，可以使得LTE融合网络的最高下载速率达1.3 Gbit/s，解决了LTE的双制式融合发展之路上的又一技术难题。

5.2　负载均衡功能的实现

负载均衡(Load Balancing)就是能够根据需要为不同的LTE载波分配流量。当重叠小区或相邻小区出现负载不均衡时，系统能够通过计算和切换，将负载过多小区的终端转移到重叠小区中[10]。这一功能可以减轻可能出现的网络拥塞，使用户无论是在LTE FDD还是TD-LTE的覆盖下，均能享受到最佳的LTE卓越体验。

为了确保负载均衡功能确实能在LTE融合网络中发挥作用，爱立信工作人员使用ATEL ALM-F180双频MiFi与三星 Galaxy S3智能手机进行了测试。ATEL 双频MiFi能够同时支持2.6 GHz的LTE FDD与 2.3 GHz的TD-LTE，而三星Galaxy S3智能手机仅支持2.6 GHz的LTE FDD。首先，测试人员将MiFi接入TD-LTE小区，随后模拟TD-LTE连接丢失、MiFi自动切换到LTE FDD网络，当MiFi处于LTE FDD小区时，测试人员又将三星手机加入LTE FDD网络中使其出现“拥塞”，此时，负载均衡功能发挥作用，将MiFi重新接入回TD-LTE网络，实现了双模融合网络间的负载均衡[11]。

负载均衡功能突破性地应用于TD-LTE和LTE FDD融合网络，使得TD-LTE与LTE FDD珍贵的频段资源和设备资源实现最大化利用。

6结束语

通过对TD-LTE和LTE FDD从技术到产品的分析，TD-LTE和LTE FDD两张网络除物理层帧结构有所差异外，在技术方面及网络架构方面基本一致，这样非常有利于系统和终端以较低的成本同时实现2个系统，值得注意的是，各大通信设备厂商都在大力研发能够支持LTE融合的芯片和终端等产品，并且已经推出了TD-LTE和LTE FDD的共平台产品，目前，中国移动香港有限公司已经实现LTE双网融合，大陆的中国电信也已经在部分重要城市部署LTE融合实验网，因此，不管从技术、产品方面还是实际已经完成的LTE融合网络情况来看，TD-LTE和LTE FDD的融合组网的可行性都是毋庸置疑的，相信未来TD-LTE和LTE FDD相互融合并共同发展也将会成为未来全球移动通信产业的趋势。

参考文献

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[3]李新.TD-LTE/LTE FDD融合组网关键技术[J].移动通信，2013(17):23.

[4]陈敏.移动通信FDD-LTE与TD-LTE技术融合组网浅谈[J].移动通信，2013(11)：45-48.

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[9]魏晨光.以融合构建卓越网络--中国移动通信集团公司技术部副总经理魏晨光致辞(摘录)[J].移动通信，2014(17):16-17.

[10]孙永杰.LTE融合组网终端多模多频成趋势[J].通信世界，2013(34):33-37.

[11]艾德.爱立信首次演示LTE TDD/FDD负载均衡功能[J].邮电设计技术，2013(6):3-4.

颜薇芳女，(1990—)，高级无线通信设计员。主要研究方向：无线通信技术。

Study on Feasibility of Fusion Networking of

TD-LTE and LTE FDD

YAN Wei-fang

(Hu’nanPostsandTelecommunicationsPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,ChangshaHu’nan410126,China)

AbstractThe Long Term Evolution (LTE) have two standards of FDD and TDD.The FDD has large coverage area,but it has high resource occupation.The TDD has larger capacity and abundant spectrum resource.In order to meet user’s superior experience of high-speed Internet,the fusion networking of TD-LTE and LTE FDD has become a key problem.In this paper,the feasibility of fusion networking of TD LTE and LTE FDD is proved by analyzing such aspects as LTE FDD and TD-LTE key technology,frame structure,physical architecture and terminal equipment.

Key wordsLTE FDD;TD-LTE;fusion networking

作者简介

收稿日期：2015-03-12

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0092-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.25

引用格式：颜薇芳.TD-LTE与LTE FDD融合组网可行性研究[J].无线电工程，2015，45(6)：92-95.