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作者：Radisys公司Renuka Bhalerao 隨著智能設備的興起，人們的下載內容數(shù)量空前巨大，這給網(wǎng)絡帶來了很大的壓力。全球無線運營商因此在高速移動寬帶服務方面面臨日益增長的需求。越來越多的用戶傾向于極耗帶寬的應用，例如YouTube和Netflix，運營商不得不尋找新的技術來領先這些不斷增長的需求。 
圖1： 許多運營商將LTE視為移動寬帶技術的全球事實標準，因為LTE具有節(jié)省成本、頻譜效率高、移動性和互操作性等優(yōu)點。然而，即使是使用了LTE，運營商發(fā)現(xiàn)為了向用戶提供類似有線的速度和功能也極具挑戰(zhàn)。根據(jù)高通公司最近發(fā)布的報告，雖然LTE允許運營商使用新的更寬頻譜和彌補現(xiàn)有3G網(wǎng)絡以處理越來越多的移動業(yè)務，但無線鏈路的改善在很快接近理論極限，而運營商可用頻譜資源通常又非常有限而且費用很高。 在向無線用戶提供類似有線體驗的競賽中，運營商想盡了一切方法。運營商已經在通過小型蜂窩和Wi-Fi卸載數(shù)據(jù)流量，但卻發(fā)現(xiàn)這些解決方案都缺少移動性。當住宅、機場和咖啡店等熱點附近聚集有許多用戶時，Wi-Fi能有效改善這些用戶的體驗，因為他們可以將數(shù)據(jù)業(yè)務卸載到Wi-Fi上，但這不支持用戶移動時使用。宏蜂窩和小型蜂窩的混用(也稱為異構網(wǎng)絡(HetNet))以及小型蜂窩增殖服務(如本地IP接入(LIPA))可以在一定程度上減輕壓力，但這些解決方案也受限于特定位置和用戶數(shù)量。 正當運營商為卸載數(shù)據(jù)流量想盡辦法時，以LTE形式出現(xiàn)的時分復用(TDD)開始大放異彩。TDD有潛力被定位為頻分復用(FDD)網(wǎng)絡的補充解決方案，可用來給擁塞區(qū)域增加容量，提供新的數(shù)據(jù)卸載方法，并作為小型蜂窩部署的回傳手段。 什么是TDD？ LTE技術有兩種工作模式：FDD和TDD，它們在技術上非常相像，是同一射頻接入標準的一部分。2009年LTE FDD和TDD同時被定義和引用為3GPP規(guī)范的一部分，用于在公共核心網(wǎng)絡架構上高效地使用成對和不成對頻譜分配。兩者的主要區(qū)別在于所使用的復用方法。 在LTE FDD和LTE TDD中，發(fā)送的信號都是被組織為持續(xù)時間為1ms的子幀，10個子幀則組成一個完整的射頻幀。正常情況下每個子幀由14個正交頻分復用(OFDM)符號組成(在擴展循環(huán)前綴中有12個OFDM符號)。雖然LTE FDD和LTE TDD的幀結構在很多方面是相同的，但仍有一些區(qū)別——最明顯的是TDD中使用了特殊子幀。TDD中的子幀要么分配給上行鏈路(UL)傳輸，要么分配給下行鏈路(DL)傳輸。 在FDD工作時，共有兩個載頻，一個用于上行鏈路傳輸，一個用于下行鏈路傳輸。因此在每個幀中共有10個上行鏈路子幀和10個下行鏈路子幀，上行鏈路和下行鏈路傳輸可以在一個蜂窩內同時進行。 在TDD工作時，只有單個載頻，蜂窩中的上行鏈路和下行鏈路傳輸在時間上總是分開的。由于上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同的載頻，所以基站和移動終端必須在收發(fā)之間來回切換。這樣，由于一個子幀要么是上行鏈路子幀，要么是下行鏈路子幀，因此每個方向上每個射頻幀的子幀數(shù)量小于10個。
圖2：由于在不同頻率上的DL/UL是固定的，F(xiàn)DD可以覆蓋更大的區(qū)域，但TDD因為具有靈活的下行鏈路/上行鏈路配比，因此能夠提供更大的下行鏈路容量。 LTE TDD與FDD的關系 TDD相對來說比較容易通過動態(tài)改變上行鏈路和下行鏈路之間的容量比來重新分配時隙，因此非常適合今天下行鏈路業(yè)務重的應用模式。在大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡運營商希望下行鏈路容量比上行鏈路大，因為用戶更多地是要下載像視頻和網(wǎng)頁等內容，而不是上傳他們創(chuàng)建的內容。 除了應用于TD-SCDMA的區(qū)域性部署外，TDD在3G網(wǎng)絡中并沒有得到廣泛普及，但在LTE中TDD具有很大的潛力。運營商們一開始不太愿意采用這種新技術，因為這種技術與WiMAX非常類似。但自從認識到TDD和FDD技術可以完美共存后情況有了改變，現(xiàn)在已經在新市場中積極支持TDD LTE。由于TDD和FDD具有公共的核心網(wǎng)絡架構，因此不存在額外的資本支出(CAPEX)，兩者可以實現(xiàn)無縫的互操作。主要區(qū)別是TDD需要一個特殊的射頻(RF)單元。另外一個顯著的區(qū)別是物理層定義，更高層和網(wǎng)絡架構的其余部分則仍然適用于FDD。 然而，F(xiàn)DD仍然處于領先地位。大多數(shù)商用LTE網(wǎng)絡基于的是FDD，因為FDD生態(tài)系統(tǒng)更加成熟，也是大多數(shù)頻譜分配進行的地方。全球所有主要運營商的4G LTE網(wǎng)絡已經獲得了寬帶的FDD頻譜，非常適合語音通信，因為其上行鏈路和下行鏈路天生是對稱的。另外，由于在不同頻率上的DL/UL是固定的，因此FDD可以覆蓋更大的區(qū)域。 然而，一些運營商能夠充分發(fā)揮TDD的優(yōu)勢，他們的做法是聯(lián)合部署TDD和FDD兩種技術，為非常不對稱的應用卸載業(yè)務，比如視頻、或機到機(M2M)等更新的領域。舉例來說，沃達豐開發(fā)出了一種創(chuàng)新的LTE TDD用例，可用作小型蜂窩部署的回傳。隨著多媒體廣播和組播服務(MBMS)吸引力的增大，在下行鏈路中使用不成對TDD高效地提供這種廣播信息同時不影響FDD上并行提供的用戶服務具有更加重要的意義。 現(xiàn)有FDD網(wǎng)絡可以利用LTE TDD優(yōu)勢實現(xiàn)目標性擴容，并通過盡可能利用公共EPC網(wǎng)絡架構確保更大的規(guī)模經濟。TDD特別適合熱點擴容(毫微蜂窩和毫微微蜂窩)和小型節(jié)點最初的新LTE TDD網(wǎng)絡規(guī)劃。LTE TDD是小型節(jié)點很好的室內補充技術，因為它不會干擾FDD網(wǎng)絡。LTE TDD也是使用不成對頻譜的理想技術，這種頻譜一般處于最適合擴容的更高頻段，因此分片較少。大多數(shù)FDD部署使用2.6GHz，但一些最大的展示工程會使用其它頻段。在許多不同頻段部署一種技術的風險在于普及上的困難，因為制造商不會制造出許多設備來提供支持。TDD的地位則好得多，因為大多數(shù)工程希望只使用兩個頻段：2.3GHz和2.6GHz。芯片組制造商對于人口多的國家部署2.3GHz特別感興趣。TDD還帶動了許多智能天線技術，如波束成形。LTE TDD熱點和LTE FDD宏蜂窩的混合將進一步提升容量并擴大覆蓋率。 大多數(shù)網(wǎng)絡基礎設施設備和器件芯片組供應商的商用產品都同時支持TDD和FDD，這表明他們認可這兩種技術具有很大的市場潛力。這種做法可以簡化實現(xiàn)，最大程度地減少部署LTE TDD所需的額外運營成本/資本支出(OPEX/CAPEX)。TDD在數(shù)據(jù)吞吐量和延時指標方面與FDD相當，并且支持從FDD到TDD或者相反方向的切換(HO)。 這是混合LTE TDD/FDD部署模型的新開始。 TDD技術目前應用狀態(tài) LTE TDD有望在2015年得到廣泛普及，并達到8900萬個連接，占當年總預測LTE連接數(shù)量的約25%。
圖3：Ovum公司預測LTE FDD將在大約2012至2013年騰飛，而LTE TDD將在大約2013年至2014年騰飛。 雖然人們預計LTE TDD和FDD一樣將在更高帶寬內得到最廣泛的使用，但在1.4MHz至20MHz范圍內共定義了6個載波帶寬。電信界已經在后向兼容性方向和重新選擇方面研究額外的定義。此外，將LTE推向公共安全和健康護理等其它市場使得TDD技術開始全面演進——TDD在這些市場算是真正啟動起來了。 TDD器件其實并不缺乏。高通就是美國手機芯片組市場中的一家主導公司，該公司即將發(fā)布一款多模式LTE FDD/LTE TDD芯片組，并且后向兼容3G服務。中興和許多其他公司也在開展這方面的研究，以確保在不額外增加成本的條件下推出同時支持FDD和TDD的產品。 TDD頻譜已經在許多國家獲得了分配。歐洲和亞洲的幾家UMTS移動運營商收獲了2.1GHz頻段的小塊TDD頻譜。這個頻譜是與更大的UMTS FDD信道頻譜同時分配的，而在大多數(shù)情況下TDD頻譜從未用過。然而，大多數(shù)運營商選擇在2.3GHz和2.6GHz推行TDD。這些頻段可以提供最大的連續(xù)頻譜塊，因而支持實現(xiàn)可能最好的性能。 雖然TDD銷售很快，但不成對頻段仍然可用，而且不像FDD那么昂貴。歐洲、亞洲和拉丁美洲等國家都遵循歐洲郵政電信會議(CEPT)建議，這意味著2.6GHz拍賣時應將50MHz的TDD與2x70MHz FDD捆綁在一起。其它國家則允許運營商決定選擇哪種技術。另外，一些市場會發(fā)布技術上中立的許可，從而允許許可獲得方在LTE TDD中使用他們的頻譜。 與此同時，全球供應商一直在做互操作性測試(IOT)，這使得TDD技術越來越可靠，而且許多供應商已經宣布了部署LTE(FDD或TDD)的計劃。例如，TDD是WiMAX運營商或采用2.3GHz或2.5GHz頻譜的新進運營商的一個選擇項，因此業(yè)界存在WiMAX運營商切換到LTE的趨勢。在開發(fā)LTE TDD解決方案中，從WiMAX部署中獲得的專業(yè)技術也是一種有價值的資產，因為這兩種技術都是基于IP OFDM的技術。這些相似性為WiMAX運營商轉向LTE提供了一條便捷的途徑。 TDD推向不同的市場和地區(qū) TDD在亞洲和歐洲已經得到啟動，因為在這些地區(qū)許多部署項目在其網(wǎng)絡推廣計劃中包含了TDD。UK Broadband(UKB)正在倫敦使用華為的LTE TDD解決方案搭建第一個LTE網(wǎng)絡。這是全球第一個LTE TDD 3.5GHz部署項目，也是英國第一個商用的LTE TDD部署項目。UKB在2012年5月開始運作批發(fā)模型，并與合作伙伴一起向商業(yè)、消費和公共領域提供商用服務。在北京等大城市，許多人居住在由鋼筋混泥土組成的高樓大廈中，因此想要過渡到4G/LTE等頻率技術的移動運營商將面臨覆蓋率和質量的挑戰(zhàn)。為了改善服務，運營商正在規(guī)避本地FDD宏蜂窩基站，同時使用住宅TDD毫微微蜂窩在家庭寬帶連接上傳送呼叫。 中國和印度一直致力于部署這種技術，其它國家的運營商也表示支持，主要原因還是規(guī)模經濟。TDD代表了中國移動的未來寬帶策略，印度的寬帶無線接入(BWA)拍賣也提升了業(yè)界對LTE TDD的興趣。對支持TDD的設備的最初需求主要在中國和印度，因為在開放空中接口上如何傳送幀方面TDD具有更大的靈活性。這些國家迫切需要基于TDD的毫微微蜂窩，因為與FDD相比，TDD能更加方便地管理容量并減少干擾。隨著三個最大地區(qū)選擇LTE TDD部署，其它國家也很可能去爭取這個市場份額。例如，Clearwire和Sprint已經將TDD帶進了美國。 Radisys Trilium LTE軟件同時支持FDD和TDD。在最近的一個案例研究報告中，有家一級電信設備制造商(TEM)整合了Trillium的TotaleNodeB LTE毫微微蜂窩軟件，并簽約了源自Radisys服務的PHY/MAC綜合幫助，因此與全部自己開發(fā)相比顯著節(jié)省了時間與開發(fā)成本，可以在6個月內完成產品上市，而全部自己開發(fā)需要兩年甚至更長的時間。Trillium軟件設計支持從小規(guī)模部署到大規(guī)模部署的各種應用，并經過優(yōu)化可以在多種架構上運行具有有限資源的單處理器。
圖4：Radisys提供LTE TDD解決方案以及完整的端到端LTE解決方案。 本文小結 借助大量數(shù)據(jù)卸載技術和HetNet概念的推出，頻譜效率得到了顯著提高，創(chuàng)新的數(shù)據(jù)規(guī)劃不斷出臺，向無線用戶提供類似有線體驗的移動寬帶夢想正在逐步變成現(xiàn)實。TDD技術的出現(xiàn)開啟了混合LTE TDD/FDD部署模型的新篇章，為擴容和數(shù)據(jù)卸載提供了新的途徑。業(yè)界正在向混合LTE部署發(fā)展，其中毫微微蜂窩和小型蜂窩采用TDD，宏基站使用FDD，從而創(chuàng)建出能夠消除干擾問題的HetNet拓撲。在毫微微蜂窩上實現(xiàn)TDD可以改善信號質量，優(yōu)化帶寬分配，從而向最終用戶提供高質量的體驗。TDD已經成功展示出能夠克服目前無線網(wǎng)絡所面臨挑戰(zhàn)的潛力。由于采用了經濟的頻譜，在擁擠地區(qū)TDD將成為后援技術，可以通過卸載視頻和M2M等應用的不對稱數(shù)據(jù)實現(xiàn)擴容。 關于作者 Renuka Bhalerao是Radisys公司的一位首席系統(tǒng)架構師，主要研究3G和LTE無線技術以及相關的網(wǎng)絡架構。Renuka在電信軟件和系統(tǒng)方面擁有豐富的工作經驗，并且擅長于無線、小型蜂窩和VoIP等專業(yè)領域。 |
