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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一指導下，內部是在中國移動技術部的統一組織下，我們研究院和設計院一起在六個城市和相關廠家開展規模試驗的測試驗證工作，后續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系統不是同頻系統，GSM無論是控制信道以及業務信道都是采用異頻系統。而TD-SCDMA采用N頻點組網，控制信道需采用異頻方式，業務信道可以采用同頻方式。在LTE中在系統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保控制信道可以實現同頻組網。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射分集的方式，這在3G系統里是沒有的，可以帶來發射分集增益，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。重復多發當然會帶來系統資源的占用，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，后續將會在更多負載下做進一步的驗證。接下來看業務信道。業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，在發射端采用發射分集方式，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的小區帶寬下，每個小區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，同頻組網單個小區的小區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，無論是小區平均頻譜效率，還是小區邊緣頻譜效率，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。基于此，我們提出移頻組網的方案。舉例來說，不同小區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，這種方案后續會在規模試驗中與同頻組網和異頻組網做一個統一的驗證比較，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；第二，室內覆蓋的各種方案對比；第三，室內分布系統的關鍵技術。首先來看，LTE室內覆蓋所面臨的挑戰。挑戰主要包括四點，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。針對剛才提到的室內覆蓋場景功能區多種多樣，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，這也是目前TD-SCDMA和GSM系統最主流的、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；再到高層又發生變化，高層由于可以同時接收到多個小區基站的信號，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，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、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，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室內分布系統性能分析。室內分布系統有兩種不同的方案，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與其他系統的干擾分析。首先來看，基于分布式基站的室分系統方案。在TD-LTE室內覆蓋要支持MIMO的話，我們采用雙通道系統，它的主要優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，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，類似于我們現有的TD-SCDMA和GSM，主要的優點是改造起來相對容易一些，跟現在的系統優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節，我們在實驗室環境下，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的走廊環境，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，封閉會議室環境下由于信號相對比較穩定一些，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，同時為了支持MIMO模式需要兩套系統天線。需要兩套系統天線就涉及一個問題，這兩套系統間的天線間距如何規劃？前期，我們在實驗室環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。雙級化系統天線在規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，相比來說，單路室分系統主要的優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。他們的區別，單通道改雙通道需要新建一路饋線系統，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與其他蜂窩系統的干擾。TD-LTE系統和其他系統進行合路的時候，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的天線間距的問題，如果要實現30dB的隔離度，不同系統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，兩天線間距最好是1米以上；如果是共室分系統，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?，也會出現干擾的可能性，需要采取相應的規避措施。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系統在設計之初對于控制和業務信道均已經考慮了相應干擾規避或降低措施，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勢，單通道具有工程便捷優勢；第四，LTE雙路室內分布系統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終端間干擾難以規避，WLAN采取獨立布放更易產生系統間干擾，需采取相應規避措施。我今天的演講就到這里，謝謝大家！

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李新：TD-LTE組網關鍵技術問題探討