TD-LTE室外频率规划方案探讨

TD-LTE室外频率规划方案探讨

作者：姜大洁 郑毅 王飞 刘光毅 来源：《移动通信》2011年第19期

1 引言

TD-LTE是满足人们对移动互联网爆炸式增长的数据需求的最佳途径之一。在2010年5月上海世博会和11月的广州亚运会上，中国移动通过TD-LTE示范网成功演示了即拍即传、高速业务下载、高清点播、高清监控、高清导航、高清实况转播等移动宽带业务，提供了前所未有的用户体验。2011年，中国移动在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市建设TD-LTE规模试验网，每城市部署约200个基站。频率规划是网络部署前提条件之一，本文将对TD-LTE试验网和未来商用网室外组网可能使用的频率规划方案进行简单分析和讨论。

2 TD—LTE频率规划方案介绍

一般来讲，TD-LTE室外组网方案主要包括同频组网和异频组网两种：

2.1同频组网

如图1所示，同频组网是指所有小区都重复使用一个频带，如一个20MHz的载波(LTE R8系统支持的最大系统带宽)，其频率复用因子为1。一般来讲，同频组网能取得最高的频谱效率。图1只给出了三个小区的序号(A、B、C)，网络中其他未标出序号小区的频率占用情况与这三个小区相同。各自使用完全正交的频带，例如几个相邻小区使用互不重叠的20MHz带宽，这样要保证三个相邻小区频带完全正交就至少需要60MHz的带宽。一般来讲，相比同频组网，由于同频小区之间有更大的地理隔离度，异频组网信干噪比(SINR)较高，能获得较高的小区吞吐量。图2中也只给出了三个小区的序号(A、B、C)，网络中其他小区的频率占用情况与这三个小区规律相同。

综上，同频组网能取得较高的频谱效率，并且TD—LTE理论上也支持同频组网，但是在高数据负载、基站部署密度较高的密集城区场景的同频干扰影响，有待进一步测试和验证；相比同频组网，异频组网由于拉大了同频的两个小区间的距离，因此能大大改善slNR，但是需要更多的频谱资源。

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3 部分异频组网

部分异频组网是指网络中至少有两个小区占用的频带相互之间有部分重叠，也叫频率移位频率复用(FSFR，Frequency Shifted Frequency Reuse)。这里以50MHz总带宽为例诠释FSFR的基本思想。把50MHz总带宽如图3所示划分为3个子带，每个子带20MHz。这三个子带的中心频点各不相同，而且这三个子带的带宽相互之间有部分重叠。然后把这三个子带分给相邻的三个小区作为它们各自的系统带宽。这样就打破了传统的异频组网必须各个子带完全正交的固有思路，使得理论上只要大于1.4MHz(LTE R8系统支持的最小系统带宽)的任意大小的总带宽都可以进行FSFR组网，从而大大弱化了LTE组网对频谱资源的要求。从系统带宽中心频点是否一致的角度讲，部分异频组网(FSFR)和2.2节介绍的异频组网一样，本质上都属于异频组网。更准确地讲，2.2节介绍的频率规划方案应该叫做完全异频组网。类似地，图4给出了30MHz总可用频率时的部分异频组网示意图。图3和图4都是基于每小区部署单载波的部分异频组网方案，图5还给出了每小区部署两个20MHz载波的部分异频组网方案的示意图。

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TD—LTE商用网络成功与否的关键在于其能否为用户提供高QoS的移动互联网业务，提供满意的用户体验，而控制信道的可靠性和数据信道的传输速率又是保证用户体验的两个关键因素。下面将分析部分异频组网对控制信道和数据信道的影响，然后讨论部分异频组网的对基站和终端实现方面的要求。

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3.1部分异频组网对控制信道的影响

TD—LTE的主要物理控制信道和信号包括PBCH(Physical Broadcast Channel)、

SS(SynchronizationSignal)、PRACH(Physjcal Random AccessChannel)、PUCCH(Physical Up¨nk Cont rolChannel)、PDCCH(Physical Downlink ControlChannel)、PHICH(Physical Hybrid ARQ IndicatorChannel)、PCFICH(Physical Control Format IndicatorChannel)等，控制信道的可靠性在于控制信道上的SINR能否达到正确接收控制信道所需的门限值，提高控制信道SINR的方法之一就是尽可能减小小区间的同频干扰。如图6所示，通过仿真得到了图1所示的20MHz同频组网和图3所示的50MHz部分异频组网的宽带SINR累积分布曲线(CDF)。结果显示，部分异频组网相比同频组网，其宽带SINR增益比较明显，可以提高上述各种控制信道的可靠性。

3.2部分异频组网对数据信道的增强

本节以PDSCH(Physica J DownIink Sha redChannel)为例来分析部分异频组网对数据信道的增强。利用基于57小区wrap around结构的LTE系统级仿真平台分别评估了同频组网和部分异频组网下的LTE Rel.8传输模式4(TM4，Transmission Mode 4)和传输模式7(TM7)的性能。其中，TM4采用基于UE反馈预编码向量和秩的阶数的下行秩自适应(秩为1或2)预编码传输方式，而TM7利用TDD系统的上下行信道互易性，基站通过估计上行探测参考信号得到下行信道信息，然后通过智能天线赋型算法得到下行各个天线上的加权向量。此处假设上行探测参考信号是终端两根天线在时间上轮流发送进而可以得到整个8×2的信道矩阵。仿真中没有建模控制信道的误差和信道估计的误差。仿真场景基于ITU-R定义的Urban micro-cell

scenario(UMi)，每小区平均用户数为10个。从表1可看出，相比同频复用，FSFR无论对于小区平均吞吐量还是小区边缘吞吐量都能带来可观的增益，这对于提高用户下行数据速率体验大有裨益。

值得注意的是，同频组网时的TM4的平均吞吐量没有TM7高，而部分异频组网时的结果却与之相反。这是因为，我们评估的TM4是秩自适应(单双流自适应)，而TM7是单流传输；同频组网时的SINRI：上部分异频组网时的SINR要低很多，而高SlNR的信道条件(部分异频组网)更利于秩为2的双流传输(TM4)。

3.3部分异频组网实现方面的要求

为确保部分异频组网能正常工作，基站和终端的射频带宽需覆盖整个异频组网所需的工作频段，该射频带宽通常大于系统带宽指标(TD-LTE R8最大系统带宽20MHz)，例如工作在D频段(2570MHz～2620MHz)的基站和终端其射频带宽一般为50MHz。

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为支持部分异频组网，手机在小区边界移动时，需要支持异频测量来判断邻区信号的强弱以决定是否发生切换。TD-LTE部署初期终端主要是TD-LTE上网卡和MIFI等，它们对异频切换的功能要求可以弱化。

另外需要注意的是，3GPP在射频规范规定了载波中心频点必须是1 00kHz的整数倍，因此，部分异频组网时各个小区的中心频点之间的偏移量也必须是100kHz的整数倍。在此基础上，此偏移量的取值，还至少与以下因素有关：

◆部署TD—LTE可用的总带宽，如50MHz、30MHz、25MHz或其他： ◆对小区总吞吐量和小区边缘吞吐量的要求；

◆对关键的控制信道的性能的要求，如要求保证80％负载时PDCCH的BLER(误块率)不超过1％。

4 TD—LTE频率规划演进路线探讨

TD-LTE的部署很可能会经历以下三个阶段，如图7所示。

(1)TD—LTE部署初期，设备支持LTERe1.8t9规范，考虑到TD-LTE商用初期用户数有限，每小区可以考虑只部署单载波。此时有两种选择：一，各小区均部署同一个载波，即同频组网；二，在整个可用带宽上采用完全异频组网或部分异频组网方式。

(2)TD—LTE部署中期，设备依然只支持LTERe1.8／9规范，但是随着TD-LTE用户增多和相应的数据流量的增长，每小区需要部署多个载波以扩展系统容量，例如每小区部署两个20MHz的载波。此时也有两种选择：一，每小区多载波的同频组网；二，每小区多载波的部分异频组网。

(3)TD-LTE部署后期，设备支持LTE Rel.10规范。可以采用载波聚合技术把多个不超过20MHz的载波聚合成一个更宽的载波(不超过100MHz)，这样Rel.10终端可同时接收多个成员载波进而提高数据速率方面的体验。

根据2010年9月2日工信部发布的《关于2.6吉赫兹(GHz)频段时分双工方式国际移动通信系统频率规划问题的通知》，2570MHz～2620MHz频段(含保护频带)用于TDD方式的IMT系统工作频带。TD—LTE规模试验网也将基于该TDD方式的IMT系统工作频带部署。假设这50MHz可以全部使用，那么图7的TD—LTE频率规划演进可以细化为图8。如果50MHz

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两端各去掉5MHz的保护带，那么只剩下40MHz可供使用，此时TD-LTE频率规划演进可以参照图9。

5 结束语

本文对三种不同的组网方案：同频组网、完全异频组网和部分异频组网分别进行了分析和介绍。仿真和分析表明，部分异频组网(FSFR)既保证了TD-LTE中绝大部分重要的控制信道的性能，又能提升用户的平均吞吐量。部分异频组网对总的频谱的要求比较灵活，理论上不仅适用于TD-LTE，也适用于LTE FDD。