TD-LTE

LTE原本是第三代移動通信向第四代過渡升級過程中的演進標準，包含LTE FDD和LTE TDD(通常被簡稱為TD-LTE)兩種模式。2013年隨着TD-LTE的牌照發放，4G的網絡、終端、業務都進入正式商用階段，也標誌着中國正式進入了4G時代。和以往的數字移動通信系統相比，4G網絡具有更高的數據速率、傳輸質量以及頻譜利用率，可以容納更多的用户，支持多種業務及全球範圍內的多個移動網絡間的無縫漫遊。這一切從技術層面上也源於無線接入網的空中接口技術和核心網的網絡結構的重大變化 ^[3]  。

LTE標準對系統提出了嚴格的技術需求，主要體現容量、覆蓋、移動性支持等方面，概括如下：

峯值速率-20 MHz帶寬內下行峯值速率為100Mbps，上行峯值速率為50Mbps;

頻譜效率——下行是HSDPA的3～4倍，上行是HSUPA的2～3倍；

覆蓋增強——提高小區邊緣碼率，5km範圍內滿足最優容量，30km範圍內輕微下降，並支持100km的覆蓋半徑；

移動性提高——0～15km/h範圍內性能最優，15～120km/h範圍內性能高，支持120一350km/h，甚至在某些頻段支持500km/h；

時延優化——用户面數據單向傳輸時延小於5ms，控制面空閒至激活的狀態轉移時延小於100ms。

服務內容多樣化——具有高性能廣播業務，實時業務支持能力提高，VoIP達到UTRAN電路域的性能；

運維成本降低——扁平、簡化的網絡架構，降低運營商網絡的運營和維護成本 ^[4]  。

(1)OFDM(正交頻分複用，Orthogonal Frequency Division Multiple-xing)是一種多載波正交調製技術，將高速串行數據流轉換成低速並行數據流，每路數據流經調製後在不同的子載波上分別傳輸，各子載波頻譜重疊但相互正交 ^[5]  。

(2)MIMO（多天線，Multiple Input Multiple Output）是收發段都採用多個天線進行傳輸的方式，可以提高通信質量和數據速率 ^[5]  。

(3)鏈路自適應技術：由於移動通信的無線傳輸信道是一個多徑衰落、隨機時變的信道，使得通信過程存在不確定性。鏈路自適應技術能夠根據信道狀態信息確定當前信道的容量，根據容量確定合適的編碼調製方式，以便最大限度地發送信息，提高系統資源的利用率 ^[5]  。

(4)網絡架構扁平化：TD-LTE去掉了BSC/RNC這個網絡層，根本性地改善了業務時延 ^[5]  。

全球TD-LTE可使用頻段12個，分別為：1900--1920MHz，2010～2025 MHz，1850～1910MHz，1930～1990MHz，1910～1930MHz，2570～2620MHz，1880～1920MHz，2300～2400MHz，2496～2690MHz，3400～3600MHz，3600～3800MHz，703～803MHz ^[1]  。

中國為TDD劃分了4個頻段，分別為：2010～2025MHz，1880～1920MHz，2300～2400MHz，2496～2690MHz ^[1]  。

對於TDD系統，上下行在同一頻率完成。為了追求與FDD的幀結構FS1最大程度的融合，TD-LTE也採取了長度10ms為一個無線幀，每個無線幀包含10個1ms的子幀，且每個子幀內也有若干個符號及保護間隔 ^[6]  。

不同之處在於：TD-LTE的幀結構FS2中有半幀和特殊子幀的概念，FS2的每一個無線幀由2個長度為5ms的半幀組成，每個半幀一般包含4個普通子幀和1個特殊子幀。普通子幀由2個長度為0.5ms的時隙組成，而特殊子幀由DwPTS、GP、UpPTS這3個特殊時隙組成。DwPTS、GP和UpPTS的長度可配置，以適應不同場景下的覆蓋、容量和抗干擾等需求，但要求總長度等於1ms ^[6]  。

常用的是10：2：2的配置模式，借用特殊時隙來傳輸業務以提高下行吞吐量；而3：9：2的模式增大了上下行切換的GP時長，可以較好地適應傳輸時延，避免遠距離同頻干擾或某些TD-SCDMA配置引起的干擾，最大覆蓋範圍可達30～100km。同時，TD-LTE支持5ms和10ms的上下行子幀轉換週期，可根據業務需求靈活地完成上下行配置 ^[6]  。

(1)高速率：20MHz帶寬內實現下行峯值速率超過100Mbit/s，上行峯值速率超過50Mbit/s。

(2)低時延：TD-LTE系統要求業務傳輸的單向時延低於5ms，控制平面從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小於100ms。

(3)頻譜利用率明顯提高：支持1.25～20MHz的多種系統帶寬對稱或非對稱靈活配置。提高了頻譜利用率，是3G的2～4倍，下行鏈路5bit/s/Hz，上行鏈路2.5bit/s/Hz。

(4)全分組交換：取消電路交換域，採用基於全分組的包交換，語音由VoIP實現 ^[1]  。

多址方式：無線TD - LTE以OFDM技術為基礎，下行採用OFDMA，而上行根據鏈路特點採用單載波DFT - SOFDM作為多址方式。根據OFDM技術的子載波分配技術，TD - LTE採用15 KHz的子載波帶寬，按照不同的子載波數目可支持1. 4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz各種不同的系統帶寬。此外，還可通過載波聚合的方式，聚合5個20MHz的單元載波，實現100MHz的全系統帶寬 ^[7]  。

幀結構：TD - LTE系統採用的是無線幀結構，將長度為10ms的無限幀分為10個長度為Ims的子幀作為數據調度和傳輸的單位(TTI)。並將其中的#1和#6子幀配置為特殊子幀，這些子幀包含3個特殊時隙：Dw-PTS、GP和UpPI'S，含義和功能與TD - SCDMA系統相類似 ^[7]  。

TDD系統支持7種不同的上下行時間比例分配，時間分配比較靈活。從將大部分資源分配給下行的“下行：上行=9:1”，到上行佔用資源比例較多的“下行：上行=2:3”，系統可根據業務量靈活地選擇系統配置，提供資源使用水平 ^[7]  。

MIMO方案：MIMO是TD - LTE系統的關鍵技術，實際應用中可以根據不同的天線部署形態和實際應用情況，分別採用發射分集、空間複用和波束賦形三種不同方案。如果對數據傳輸速率要求比較高，則可在大間距非相關天線陣列採用空間複用方案同時傳輸多個數據流；若對通信質量要求高，則可在小間距相關天線陣列採用波束賦形技術，將天線波束指向接收用户，減少干擾 ^[7]  。

無線TD - LTE Release 8版本支持下行最多4天線的發送和4個數據流的並行傳輸，在20MHz帶寬的環境下，峯值速率超過300Mbps率 ^[7]  。

網絡指標是指與LTE網絡覆蓋、容量、業務質量相關的一些指標，如覆蓋率、小區吞吐量、邊緣速率、無線接通率、切換成功率等 ^[6]  。

覆蓋指標主要指覆蓋率。一般室外基站要求覆蓋率滿足RSRP>-110dBm的概率大於90%，室內覆蓋要求覆蓋率滿足RSRP>-105dBm的概率大於90% ^[6]  。

容量指標主要包括單小區吞吐量、小區邊緣用户速率等。考慮最極端的條件，在TD-LTE l司頻組網時，一般要求實際用户在50%的網絡負荷下，單小區平均吞吐量上行可達5 Mb/s，下行可達20Mb/s;小區邊緣用户上行可達150kb/s，下行可達500kb/s。特別地，在網絡空載時，小區邊緣用户上行可達250kb/s，下行可達lMb/s ^[6]  。

質量指標包括接通率、掉話率、切換成功率等。在同頻組網時，網絡負荷在50%條件下，要求TD-LTE無線接通率大於95%，掉話率小於4%，系統內切換成功率大於95%。同時要求在無線網絡覆蓋區域內的90%位置，99%的時間可以接入網絡，開展的數據業務塊差錯率小於10% ^[6]  。

能夠靈活配置頻率，使用FDD系統不易使用的零散頻段；可以通過調整上下行時隙轉換點，提高下行時隙比例，能夠很好地支持非對稱業務；具有上下行信道一致性，基站的接收和發送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；接收上下行數據時，不需要收發隔離器，只需要一個開關即可，降低了設備的複雜度；具有上下行信道互惠性，能夠更好地採用傳輸預處理技術，有效地降低移動終端的處理複雜性 ^[8]  。

此外，LTE系統支持的移動性能最高可達500km/h，它還改善了小區邊緣用户的性能，提高小區容量和降低系統延遲。LTE要求在滿足以上目標時儘可能平滑地實現技術進步。所以要求新的無線接入技術必須與現有的3G無線接人技術並存，並且能與現有無線網絡以及其替代版本兼容 ^[9]  。

(1) TD網絡覆蓋還不盡完善，平滑升級問題不小。雖然由TD-SCDMA平滑升級到TD-LTE成本很低，但關鍵是當前中國移動的TD網絡覆蓋不完善，中小城市及鄉鎮覆蓋率亟待加強 ^[10]  。

(2) TD-LTE產業鏈不成熟，難以發揮規模效應。一些業內人員認為在2G時代，技術很好的CDMA網絡發展遠不如GSM網絡主要是因為CDMA的產業鏈不及後者。TD-LTE發展的最大問題在於產業鏈的成熟度不夠，而FDD-LTE的最大優勢正是產業鏈的成熟和規模效應 ^[10]  。

(3)國內外TD-LTE運營商所使用的終端還是以MIFI（基站數據接入設備）、數據卡、CPE（家庭無線接入設備）等為主，如果有手機的話，也不能有效地實現話音通話，只能當作貓( MODEM)來使用。由於TD-LTE商用頻譜還沒有劃定，更沒有4G牌照的發放跡象，這導致通信設備廠商及手機廠商不敢大幅投入，全部持觀望態度。這也影響着海外 ^[10]  。

中國工信部於2013年12月4日向中國移動通信集團公司、中國電信集團公司和中國聯合網絡通信集團有限公司頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可。中國移動獲得130MHz頻譜資源，分別為1880 -1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz；中國聯通獲得40MHz頻譜資源，分別為2300-2320MHz、2555-2575MHz；中國電信獲得40MHz頻譜資源，分別為2370-2390MHz、2635-2655MHz ^[11]  。

截至2011年12月底，中國移動TD用户總數為5121萬，穩居國內三大3G標準第一位。但是中國移動很清楚，TD網絡在多方面均落後於中國聯通及中國電信的3G網絡，所以在短期內大量部署並商業化TD-LTE才是保持優勢的根本，否則將喪失掉大量用户，這也是中國移動不遺餘力推動TD-LTE試商用的根本原因 ^[10]  。

2012年3月30日，中國移動在杭州正式開通TD-LTE體驗，Bl快速公交乘客可免費感受4G網絡。為了讓現有的智能手機享用TD-LTE網絡，中國移動採取了這樣的方式：在公交車車尾加裝了產自華為的TDFI無線信號轉換設備，該設備借鑑之前在歐洲市場上出現的MiFi並加以改進，可將基站發出的TD-LTE信號轉換為WiFi．這樣一來所有擁有WiFi上網功能的手機、平板、筆記本電腦等都可以“曲線”接入TD-LTE網絡 ^[10]  。2012年全年中國移動在國內15個城市進行大規模試驗，共建設近20000個基地台，其中杭州、廣州、深圳達商業標準。 ^[13] 

為了快速完成TD-LTE網絡的杭州全覆蓋，浙江移動在建網過程中採用了與TD-SCDMA同頻演進的方式，即不像其他城市那樣選擇2.6MHz頻段為TD-LTF所用，而是採用與TD-SCDMA同樣的F頻段，從而實現了在原來TD-SCDMA基站上增加一些板卡就能升級為TD-LTE，使得改造進度大大加快。中國移動預計，如果將該技術推廣到全國，大約可節省數千億元的投資。但TD-LTE與TD-SCDMA在技術上有很大的不同，組網方式的差異也很大，僅靠通過對TD-SCDMA原有基站設備的軟硬件升級是不能形成大規模商用的TD-LTE網絡的 ^[10]  。

全球已有12家運營商加入TD-LTE陣營，有18家半導體企業和設備廠商已經對TD-LTE進行了投資，預計到2013年初將至少有一款可商用的TD-LTE智能手機。中國移動、印度Bharti、日本軟銀三家運營商計劃在2012年末或2013年，推出部分TD-LTE業務。高盛認為，由於這三家運營商覆蓋了全球39%的人口，所以這些市場的巨大潛力將吸引更多的研發投資進入TD-LTE領域 ^[12]  。

2011年2月中國移動與全球60餘家國際運營商、30多家主流運營商和多個重要國際通信組織共同啓動了全球TD-LTE發展倡議Global TD-LTEInitiative。據稱，當時中國移動已經與9家運營商簽署TD-LTE合作協議，推動全球建成或即將建成26個TD-LTE試驗網。英國沃達豐、法國電信、德國電信、韓國SK電信以及美國Verizon和AT&T等多家運營商均承諾支持TD-LTE。愛立信、諾基亞西門子、阿爾卡特朗訊、摩托羅拉和高通等國外廠商也表示支持TDD和FDD的同步發展 ^[8]  。

在僅次於中國的印度電信市場，2011年6月，高通競得印度4個電信區域的寬帶無線接入( BWA)非對稱2.3GHz頻譜。該頻段只適合發展TDD技術，高通承諾將組建合資公司建設LTE網絡，標誌着TD-LTE真正成為高通的戰略重點之一。摩托羅拉正致力於將TD-LTE推廣到中東、北美、南美、印度、俄羅斯等地，並已與歐洲3個頂級運營商合作開展TD-LTE的網絡測試。截至2011年2月初，中興通訊與全球運營商簽署15項LTE商用合同併合作部署近65個試驗網，擁有18個TD-LTE商用和實驗網，與歐美等高端運營商在LTE領域的合作進程進一步加深 ^[8]  。

擁有TDD頻譜的WiMAX運營商也逐漸將TD-LTE視為技術升級的選擇。許多亞太地區的WiMAX運營商，包含中國台灣、澳大利亞、馬來西亞都考慮轉移到該技術。201 1年4月馬來西亞運營商Pl又聯合中興通訊在馬來西亞波德申展示了WiMAX向TD-LTE演進的方案，現場的一套WiMAX系統經歷數十分鐘軟件升級後即成為TD-LTE系統，其間沒有更換任何硬件，升級後該TD-LTE系統的峯值速率高達130Mbps。該方案無疑為那些擁有WiMAX網絡資源又希望部署TD-LTE的運營商消除了後顧之憂 ^[8]  。