4G技術(shù)在城市無線通信網(wǎng)的應(yīng)用研究

［林陳瑩］

4G技術(shù)在城市無線通信網(wǎng)的應(yīng)用研究

［林陳瑩］

TD-LTE是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代寬帶移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)開始大規(guī)模商用。介紹了TD-LTE無線通信技術(shù)的發(fā)展背景，提出了其發(fā)展方向，對TDLTE無線通信技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、組網(wǎng)方案等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述，最后對其應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

無線通信 TD-LTE 關(guān)鍵技術(shù)

林陳瑩

中國鐵塔股份有限公司漳州市分公司。

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)革新帶來無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，使人們的生活、溝通、信息共享發(fā)生了巨大變化。我國的移動用戶數(shù)目迅猛增長，在未來的市場環(huán)境中，移動通信將成為最具發(fā)展情景與研發(fā)價(jià)值的產(chǎn)業(yè)之一［1］。TD-LTE技術(shù)是基于全 IP 化的適應(yīng)移動數(shù)據(jù)、移動計(jì)算和移動多媒體運(yùn)作的相關(guān)技術(shù)，將引領(lǐng)通信網(wǎng)絡(luò)全面進(jìn)入超高速、個(gè)性化、多樣化的新時(shí)代［2-3］。現(xiàn)在TD-LTE已經(jīng)在多領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代社會的主要通信方式。

2 TD-LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

TD-LTE系統(tǒng)可以分為核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)兩部分，如圖1所示，其中核心網(wǎng)包括移動性管理實(shí)體（MME）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)和分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；無線接入網(wǎng)包含一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即LTE基站（E-NodeB）。

圖1 TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)中各個(gè)網(wǎng)元分別承擔(dān)不同的功能。TD-LTE核心網(wǎng)的MME實(shí)體負(fù)責(zé)移動性管理相關(guān)的控制功能，包括對終端位置跟蹤區(qū)域列表的管理，接入網(wǎng)之間的移動性管理，以及網(wǎng)絡(luò)承載管理的功能。TD-LTE核心網(wǎng)的服務(wù)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)承載的相關(guān)功能，包括數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。PDN網(wǎng)關(guān)是TD-LTE核心網(wǎng)與外部因特網(wǎng)的接口，完成的主要功能包括用戶的數(shù)據(jù)包過濾，終端的IP地址分配等。

E-NodeB組成的無線接入網(wǎng)是系統(tǒng)與終端用戶進(jìn)行通信的接口，它的功能分為數(shù)據(jù)面和控制面兩個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)面負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)信息的傳輸，控制面負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制功能外以及相關(guān)的傳輸和處理。除了無線資源控制協(xié)議外，控制面和數(shù)據(jù)面采用了相同的分層協(xié)議結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的處理，包括分組數(shù)據(jù)會聚協(xié)議、無線鏈路控制、媒體接入控制和物理層。

3 TD-LTE的關(guān)鍵技術(shù)

LTE基本技術(shù)

（1）基于 TDD 的雙工技術(shù)

在TDD方式的移動通信系統(tǒng)中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。

（2）多址方式

TD-LTE采用OFDM技術(shù)為基礎(chǔ)，下行采用OFDMA，而上行根據(jù)鏈路特點(diǎn)采用單載波DFT-SOFDM作為多址方式。根據(jù)OFDM技術(shù)采用子載波分配的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用15kHz的子載波帶寬，按照不同的子載波數(shù)目，如圖2所示可以支持1.4、3、5、10、15和20MHz各種不同的系統(tǒng)帶寬。在LTE-Advanced中，還可通過載波聚合的方式，聚合5個(gè)20MHz的單元載波，實(shí)現(xiàn)100MHz的全系統(tǒng)帶寬。

圖2 OFDM技術(shù)

（3）多天線MIMO技術(shù)

MIMO是TD-LTE系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)天線部署形態(tài)和實(shí)際應(yīng)用情況可采用發(fā)射分集、空間復(fù)用和波束賦形3種實(shí)現(xiàn)方案。例如，對于大間距非相關(guān)天線陣列可采用空間復(fù)用方案同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)速率；對于小間距相關(guān)天線陣列，可采用波束賦形技術(shù)，將天線波束指向用戶，減少用戶間干擾。

如圖3所示TD-LTERelease8版本支持下行最多4天線的發(fā)送，最大可以空間復(fù)用4個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸，在20MHz帶寬情況下，可實(shí)現(xiàn)超過300Mbit/s的峰值速率。在TD-LTERelease10和TD-LTE-Advanced中，下行支持的天線數(shù)目擴(kuò)展到8，相應(yīng)最大可以空間復(fù)用8個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸，峰值速率提高一倍，峰值頻譜效率達(dá)到30Mbit/s。同時(shí)，TD-LTE-Advanced在上行也引入了MIMO功能，支持最多4天線的發(fā)送，最大可以空間復(fù)用4個(gè)數(shù)據(jù)流，達(dá)到16bit/s/Hz的上行峰值頻譜效率。

圖3 多天線MIMO技術(shù)

4 TD-LTE部署方案

中繼部署，就是采用無線信號轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行通信，通過快速、靈活地部署一些節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到改變系統(tǒng)容量和改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋的目的。在某些情況下，由于成本和施工難度等方面的因素，難以實(shí)現(xiàn)這樣的有線鏈路的架設(shè)，所以產(chǎn)生了對于中繼或者無線回傳技術(shù)的需求，如圖4所示。

圖4 中繼部署方案

室內(nèi)部署，即采用家庭基站與用戶的有線帶寬網(wǎng)絡(luò)相連接，當(dāng)用戶在使用某些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如internet訪問）時(shí)，可以直接通過有線寬帶網(wǎng)絡(luò)，而不需要經(jīng)過蜂窩網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。家庭基站又稱為毫微微蜂窩（Femtocell），是一種低功率、低成本、易操作、根據(jù)需要可自購買、自配置、自安裝的小型蜂窩移動通信基站，主要用于家庭網(wǎng)絡(luò)，也可在企業(yè)、高校以及公共熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行小范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖5所示。

異構(gòu)多基站部署是為了提供更靈活高效的通信服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)的部署將呈現(xiàn)不同的形態(tài)和層次。例如：使用宏基站提供充分的覆蓋能力，在此基礎(chǔ)上，補(bǔ)充使用微蜂窩/家庭基站等小型基站提供熱點(diǎn)大容量/私人專用接入等通信服務(wù)，由此形成立體的異構(gòu)的多層次部署網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的類型包括：無線射頻拉遠(yuǎn)（RRH），有X2接口和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的微蜂窩基站（Pico），無X2接口和無網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的家庭基站（HeNB），以及帶有回傳鏈路的無的無線中繼（Relay）。3GPP分析了各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的場景，優(yōu)先級排序是：宏蜂窩（Macro）+室內(nèi)HeNB，宏蜂窩（Macro）+室外（Pico），宏蜂窩（Macro）+室內(nèi)Pico，以及其他場景。

5 結(jié)束語

本文對TD-LTE技術(shù)的背景、關(guān)鍵技術(shù)以及部署方案的做了詳細(xì)介紹，從該技術(shù)的發(fā)展中可以得出，作為一種新型技術(shù)，它的產(chǎn)生、發(fā)展為全球的移動通信帶來了新的發(fā)展方向。為人類的現(xiàn)代化生活提供了更多的便利，它已然成為了全球移動通信發(fā)展的主流，在未來的通信技術(shù)發(fā)展中，它將是最主要的發(fā)展方向。

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.08.004