李新：TD-LTE组网关键技术问题探讨-巨人网络通讯

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李新：TD-LTE组网关键技术问题探讨

李新：尊敬的各位领导、来宾，大家上午好！我是中国移动研究院的李新，非常高兴与大家就TD-LTE组网关键技术进行探讨，我今天介绍的主要内容分两部分，第一是TD-LTE的同频组网，第二部分是TD-LTE室内覆盖，介绍的内容主要基于相关的理论分析以及仿真，还有前期的一些室内测试。目前中国移动在做的一个很重要的事情是在部里统一指导下，内部是在中国移动技术部的统一组织下，我们研究院和设计院一起在六个城市和相关厂家开展规模试验的测试验证工作，后续有组网相关的测试验证结果之后，可以再做进一步的探讨。在TD-LTE同频组网方面，我要给大家就三个方面进行介绍。第一，是同频组网关键技术。2G系统不是同频系统，GSM无论是控制信道以及业务信道都是采用异频系统。而TD-SCDMA采用N频点组网，控制信道需采用异频方式，业务信道可以采用同频方式。在LTE中在系统设计之初就开始是以同频组网为目标进行设计，对此，在相关的控制信道以及业务信道采取一系列的关键技术，来实现同频组网。第二，采用关键技术之后，在同频组网和异频组网相比，性能上会产生的什么样的差异。第三，就移频组网方案给大家进行介绍。首先，我们来看一下TD-LTE控制信道的同频组网技术。和3G相比，LTE在控制信道上采取更多的技术手段来确保控制信道可以实现同频组网。首先是在天线技术方面，LTE和3G技术不同，他的下行控制信道采用发射分集的方式，这在3G系统里是没有的，可以带来发射分集增益，从而提升控制信道的抗干扰能力。第二，从资源分配上，相邻的小区在部分控制信道的资源分配上，可以在时域和频域两个维度上尽量分散，这样可以保证相邻的几个小区的控制信道在频率上正交，这样可以避免相邻的的几个小区的干扰。第三是加扰和交织方面，在TD-SCDMA里采取的是16位的序列，TD-LTE采用更长的序列：采用31位的序列进行干扰随机化，使得邻区的干扰白噪化更加明显。第四是等效码率方面，在TD-LTE里一个新的技术是：在信道条件差时，控制信道可以通过重复发送多次，来提升信道的冗余度，通过降低等效码率，换取解调性能提升。重复多发当然会带来系统资源的占用，但这个占用的幅度非常小。概括来说，TD-LTE控制信道理论上是可以支持同频组网的，他的系统在设计的时候就是以同频组网为目标设计的，同时目前在小规模的技术实验上已经进行了同频组网的外场设计，同频组网已经得到了基本验证。目前在规模试验中，同频组网已经初步在在负载比较轻的网络上做验证，后续将会在更多负载下做进一步的验证。接下来看业务信道。业务信道采用抗干扰技术主要是在三个层面：第一，干扰随机化。这里包括两个方面，一个是加扰，通过采用给各不同的信道采用不同的扰码移位方式，而且是长扰码方式，使得干扰更加白噪化；第二，上下行可以通过支持跳频或者频率选择调度，可以把用户调度在干扰相对比较轻的频率资源上，这样可以避免频选衰落，从而降低干扰。第二，干扰消除。在接收端采用多天线的接收处理，来消除干扰，同时，在发射端采用发射分集方式，这些方式都会有效的消除干扰。第三，干扰避免。在业务信道上，基站间可通过X2接口对干扰情况进行协商，通过协商，在资源分配的时候，会把干扰比较轻的资源分配给新加入的用户，这样来降低整个干扰。除了ICIC小区间干扰协调以外，还有波束赋形，进一步提升信号的期望强度，提升信噪比。应用了上述的控制信道和控制信道的组网相关的技术保障以后，我们来看一下，这样的情况下，同频组网和异频组网的性能评估对比。仿真条件是在20MHz的小区带宽下，每个小区10个用户，500米站间距的情况下，分别给出8天线和2天线的仿真结果，下面表格的前三行给出8天线的结果。以8天线为例，同频组网单个小区的小区吞吐量由于同频干扰的原因会比异频组网低40%左右，同时，小区边缘吞吐量方面，同频组网的吞吐量是异频组网的55%左右，但是因为同频组网只占用了异频组网三分之一的频率，所以从最终频谱效率来说，无论是小区平均频谱效率，还是小区边缘频谱效率，同频都要比异频高40%左右。除了刚才提到同频组网和异频组网方案以外，还有介于同频组网和异频组网之间的移频组网。我们刚才提到，虽然控制信道采用了一系列的技术手段尽可能的减少干扰，某些相邻小区的控制信道可以在一定的频率资源上错开，但有一些控制信道不能完全错开，这样控制信道仍然存在干扰的可能性。基于此，我们提出移频组网的方案。举例来说，不同小区的频点之间可以进行一些交叠，或者移频，这样来实现组网。相对异频来说，这样对频谱资源的需求比较少，相对同频来说，控制信道的干扰可以得到进一步的降低，同时小区的吞吐量也得到进一步的提高。我们做过一个仿真，以平均吞吐量为例，移频比同频可以提高22%左右，由于在小区边缘干扰的降低，可以使边缘用户吞吐量提升124%左右，当然，这种方案后续会在规模试验中与同频组网和异频组网做一个统一的验证比较，这只是目前初步的理论和仿真分析。接下来向大家汇报关于TD-LTE室内覆盖的情况。分成三个部分来介绍，第一个是，TD-LTE室内覆盖面临的挑战；第二，室内覆盖的各种方案对比；第三，室内分布系统的关键技术。首先来看，LTE室内覆盖所面临的挑战。挑战主要包括四点，第一，TD-LTE的覆盖场景是复杂多样的，我们要满足各种功能区的覆盖要求，比如说办公楼、写字楼、酒店，包括场馆以及居民楼等等。不同的功能区对我们的室内覆盖都提出了不同的要求，需要我们有不同的室内覆盖方案来解决。第二，信道频段高，会降低LTE的覆盖能力，如果是2.6GHz频段，我们后续会有具体的计算和初步的分析结果，在覆盖能力上，这会比现有的频段有一些损失。第三，是TD-LTE和WLAN存在复杂的互干扰问题。由于TD-LTE和WLAN频率比较近，会存在基站间或者说终端间的干扰，需要在工程上采取相关手段规避。第四是TD-LTE中最关键的技术MIMO在室内如何实现，有一种对应的方式是双流模式，这对工程改造提出很高的要求。这是TD-LTE室内覆盖面临的几大挑战。针对刚才提到的室内覆盖场景功能区多种多样，究竟用什么方案来解决室内覆盖，我们看一下室内覆盖的四种思路。除了网络侧思路以外，我们可以在终端上做一些特殊的要求，比如说终端上一些功能提升，包括发射分集、或者采用特殊类型的终端，可以把终端放置的更靠近窗口，天线外置等等，这些可以从一定程度上解决覆盖的问题。第一个思路，是采用室外宏基站覆盖室内，这是成本比较低廉覆盖比较迅速的手段。主要的问题如果采用室外基站，室外基站频率比较高，那么室外基站穿透覆盖室内的性能会受到一定损失。第二是室内分布系统，这也是目前TD-SCDMA和GSM系统最主流的、解决楼宇主要的覆盖方案。除了这两种方案外，还包括采用Femto CELL以及Relay覆盖，可以作为特定场景中覆盖的补充。接下来，就刚才提到思路中室外基站覆盖室内做一个简单介绍。室外信号经过穿透覆盖到室内，在传播过程中要经过一系列的损耗，包括传播的损耗，穿透的损耗，照射的损耗。最后一个综合的效果，把这些损耗加在一起，最后收到的信号强度如何。经过我们理论推算，频段越高越好，信号的绕射能力也会降低，信号经过建筑物的绕射，信号就强度降低幅度很大。2.6GHz绕射能力差异为2dB左右。因为频率导致的传播损耗，D频段和A频段相差4个dB左右，因为频率传播造成的损耗和绕射损耗加在一起，相同的基站功率和覆盖条件下，D频段接收到的信号功率比A频段接收到的频率要低5~6dB。当然，如果是更复杂的穿透环境，穿透损失的强度会更大一些。这里我们举一个TD-SCDMA现网的例子，TD-SCDMA如果采用室外基站覆盖室内，我们的楼宇不同楼层会出现明显的差异：在一二层会出现弱覆盖，主要是室外施主基站相对较高，当穿透墙体覆盖到室内的底层时，信号传播路径上有可能遇到建筑物的阻挡，信号强度的损失非常大，造成一楼窗口信号强度仅-80到-95左右；相对来说，4-8层信号阻挡的可能性降低了，质量相对比较好；再到高层又发生变化，高层由于可以同时接收到多个小区基站的信号，信号强度可以满足指标，但信号质量要更差一些。所以从TD-SCDMA应用情况也可以看出，如果采用从室外基站覆盖室内的话，底层有可能出现信号强度造成的弱覆盖，高层可能出现信号杂乱造成的信号质量差，这需要在后续组网建设过程中重点关注。除了室外基站覆盖室内以外，还有一些适用不同场景的适用覆盖方案。室外基站覆盖室内，主要应用于一些难以协调、但又需要快速建立的场景，比如说居民楼。室内分布系统，可以应用于办公楼、酒店、大型场馆等场景，可以与现有制式共分布系统建设；Pico-RRU方案和Relay方案，可以作为上述方案的补充，对居民区、办公楼等场景进行补充覆盖。下面，我将就最为重要的一部分——TD-LTE室内分布系统，给大家做进一步的介绍。介绍分为三部分，第一个部分是TD-LTE室内分布系统性能分析。室内分布系统有两种不同的方案，一种是可以支持MIMO的方案，另外一种不支持MIMO，在这里我给大家做一个简单的性能对比。第二部分，是TD-LTE双路及单路室分的关键技术问题。第三部分是TD-LTE与其他系统的干扰分析。首先来看，基于分布式基站的室分系统方案。在TD-LTE室内覆盖要支持MIMO的话，我们采用双通道系统，它的主要优势是实现单用户的吞吐量提升接近1倍左右，但他会给我们整个工程建设带来很大的改造难度，因为新增加室分系统，新增加和原来的合在一起，才能实现MIMO。第二种，是单通道的室内系统，类似于我们现有的TD-SCDMA和GSM，主要的优点是改造起来相对容易一些，跟现在的系统优势简单的进行一些合路，主要缺点是无法实现单用户单吞吐量的提升。前期在一些特定的环节，我们在实验室环境下，对单通道与双通道的性能做了一些测试对比。上图是封闭会议室和开阔办公区的走廊环境，单通道和双通道的室分性能对比。我们可以看到，在不同的场景下，双通道室分和单通道室分，其性能增益会有变化，封闭会议室环境下由于信号相对比较稳定一些，这种情况下，双通道室分可以提供比单通道室分更为显著的吞吐量增益。平均来说把封闭会议室、开阔办公走廊加在一起，双通道室分下行平均吞吐量为单通道室分的1.58倍。下面这个表，我们可以看到，双通道室内和双通道室分在平均吞吐量上会有显著的增益，当然会随着场景不得同，增益会有所变化。在双通道室分中带来的性能增益，是需要有一定的工程代价换取的，需要我们建设两路的室分系统，同时为了支持MIMO模式需要两套系统天线。需要两套系统天线就涉及一个问题，这两套系统间的天线间距如何规划？前期，我们在实验室环境用相关的信道仪表进行了测试，主要是测试信道相关性，测试场景包括：第一种，单极化天线间距问题。在办公室、会议室比较封闭的场景，这种情况下，两路系统天线中的相关性会随着信道的变化会有所变化，我们建议布放天线间距大于4个波长(50cm)。对于一些狭窄走廊场景上，为了降低相关性，天线间距最好在6个波长(65cm)以上，而且，为了使相关性更好，天线的排列方向最好和走廊方向垂直，这样以保证降低天线的相关性，提升他的性能。这是第一点。第二，双通道功率不平衡问题。如果在室内布设两路分布系统时，一路新建，另一路是与现网共用，则两路之间存在着合路器件个数、馈线长度等不一致的情况，会造成两个通路功率的不平衡。功率的不平衡会对系统性能带来一定的影响。左下角的表，给出了随着解调性能随着功率差异的变化情况，功率差3个dB的时候，整个性能会下降0.5个dB左右。从整个性能和工程实施角度来看，我们应该对两个通道的功率差异进行控制，最好是控制5个dB以内。功率上可以采取新建增加衰减器的方法，同时在工程验收中也会增加两个通路功率的相关测试，保证两个功率尽可能的平衡。第三，双极化天线问题。刚才提到实现双路室内需要两套天线，减少天线个数的方式就是采用双级化的天线，可以把两套单级化的天线变成一个双级化的天线。双级化系统天线在规模试验中会做进一步的测试验证。目前有一个小的问题，在双级化天线垂直极化可以覆盖GSM和LTE的D频段，而水平计划天线覆盖的频段相对比较窄，覆盖不到GSM频，这就要求我们在建设的时候特别注意，在室分端口不要因为端口接错而影响GSM性能。刚才提的主要是双路室分系统，相比来说，单路室分系统主要的优势是工程改造量更小，他的缺点是无法实现单用户峰值吞吐量的提升。在难以改造的情况下，我们还是可能先采用单路室分建设，如果后续想要进一步扩容或者提升性能，这个时候有两种方案，一种是把我们的单通道的信源改成双通道信源，通过单通道改双通道，提升小区下行吞吐量，这样也会提升单用户的峰值吞吐量。第二种方案，我们不更换信源，而是直接增加载频，在原有的单通道信源基础上，再增加一个单通道信源。他们的区别，单通道改双通道需要新建一路馈线系统，而增加载频方式只需增加信源就可以，无需馈线改造，但无法提升单用户峰值吞吐量。接下来，我就TD-LTE与其他系统间干扰的问题进行汇报，这也是室分要特别注意的问题。第一，LTE与其他蜂窝系统的干扰。TD-LTE系统和其他系统进行合路的时候，有一些指标要求是需要注意的。室分场景有两种，一个是多系统共用室分场景，隔离度可以由信源合路器提供，信源端合路器达到60dB的隔离度就可以了，这里边没有考虑WLAN，WLAN的情况我会在下一个部分解释。另一种是LTE与其他系统不合路、采用独立室分的方式建设，这时就需要考虑不同系统的天线间距的问题，如果要实现30dB的隔离度，不同系统吸顶天线应保证至少1米的间距。如果是TD-LTE或者TD-SCDMA共用E频段，建议保证统一的时隙配比，避免交叉时隙干扰。目前从设备上来说，同频段的TD-SCDMA与TD-LTE RRU仅能通过电桥进行同频合路，由此带来3dB插损，使系统覆盖范围收缩。这是在将来实施过程中需要特别注意的。第二，LTE与WLAN的互干扰。需要通过相关措施来规避干扰。主要的干扰分成几种方式，包括TD-LTE基站和WLAN AP间，以及TD-LTE基站和WLAN终端间，TD-LTE终端与WLAN AP、TD-LTE终端与WLAN终端间这四种类型的干扰。对于TD-LTE的基站与WLAN AP之间的干扰，如果是独立室分系统，两天线间距最好是1米以上；如果是共室分系统，合路器需至少提供70dB的隔离度。TD-LTE和WLAN终端之间，由于很难控制用户的行为，两个终端非常靠近是，也会出现干扰的可能性，需要采取相应的规避措施。刚才，我就TD-LTE两个关键的问题——同频组网和室内覆盖做了介绍，下面我们做一个简单的小结。首先是同频组网方面，LTE系统在设计之初对于控制和业务信道均已经考虑了相应干扰规避或降低措施，以实现同频组网；实际性能有待进一步测试验证；第二，对于TD-LTE室内深度覆盖问题，基于分布式基站的室内分布系统仍是最主要的解决手段；第三，在部分典型的应用场景下，双通道室分下行吞吐量约为单通道的1.6倍，双通道室分具有明显性能优势，单通道具有工程便捷优势；第四，LTE双路室内分布系统建设时需特别注意考虑天线间距、2个通道功率不平衡、双极化吸顶天线端口配置等问题；第五，TD-LTE与WLAN终端间干扰难以规避，WLAN采取独立布放更易产生系统间干扰，需采取相应规避措施。我今天的演讲就到这里，谢谢大家！

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