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3GPP研发TDD Power class 2以增强高频TD-LTE性能

供稿人:李远东  供稿时间:2016-7-14   关键字:TD-LTE  TDD  上行链路  Power  class  2  

我国大力发展的TD-LTE技术近几年在走向国际市场方面取得了显著成绩。在TD-LTE工作组的长期努力下,TD-LTE研发产业化与商用发展的关系日益紧密,TD-LTE产业链不断壮大。最近,移动通信国际标准组织3GPP又启动了Power class 2研发工作,这将为TD-LTE的长期国际化发展前景提供又一大有力保证。2016128日,GTITD-LTE全球发展倡议组织)发布了白皮书“TDD Power Class 2 UE”,介绍了Power class 2的优势、架构考量、技术可行性分析、终端实现等,本文介绍其中的主要内容。

 

13GPP研发Power class 2的背景

 

目前,对于绝大多数的4G LTE频段(除应用于公共安全领域的Band 14外),3GPP仅规范了一种功率等级,将上行链路的最大发射功率限制在23 dBm±2的水平(即Power class 3—功率等级3)。

 

但是,由于下行与上行链路在发射功率上存在差异、eNB基站与UEs(用户终端)中的天线数量不同等,4G LTE网络下行与上行链路的功率差异大约为5 dB

 

另外,全球范围内部署的TD-LTE网络中,大多数应用场景是:以部署于低频段的LTE FDD网络做覆盖,以部署于高频段的TD-LTE网络提供小范围的大容量覆盖。那么,如何进一步提高这种FDD/TDD LTE融合网络的性能。提高工作于高频段的上行链路的发射功率有助于增强TD-LTE网络性能(如覆盖范围)及总体用户体验(无论是在室内覆盖环境还是在室外覆盖环境),并大幅降低网络建设成本、提高上行链路的频谱效率。

 

考虑到以上问题,3GPP又准备引入TDD Power class 2(功率等级2),预期中的最大发射功率为26 dBm±2(在现有功率等级上提高了3 dB)。需着重强调的是,Power class 2仅面向Band 41单载波上行链路。另外,如果上行发射功率不受限制,则提高的3 dB功率可能不能用于系统容量增强,此时,LTE上行链路就将需采取功率控制技术,以使网络性能最佳、干扰最小。

 

目前,3GPPRAN4工作组正在进行Power class 2的研究。

 

2Power class 2有望增强TD-LTE网络覆盖及小区边缘性能

 

LTE网络覆盖受上行链路(发射功率)的限制:链路预算分析表明,上行与下行链路发射功率的最大差值约为5 dB(网络部署参数不同,具体差值也不同)。图1就直观地显示出LTE网络上行、下行链路预算的差异。增大用户终端侧的上行发射功率将可减小此种差异,从而使上/下行链路更为平衡。

 

1

1  LTE网络的上/下行链路预算[1]

 

另外,终端上行发射功率预算增大后,LTE(包括室内及室外网络)上行链路的性能及覆盖均会得到增强。定量来看,若采取3GPPUMa(城市热点区域环境)模型L=128.1+37.6×Log10R),则仿真结果如图2所示。注:“L”为路径传播损耗(dB)、“R”为用户终端到LTE基站的距离,简化的定量关系为:LR4次方成正比。

 

2

2[1]

 

从图2可以直观地看出,若把发射功率加倍(即提高3 dB),距离R的数值可提高约1.19倍,从而,小区覆盖半径将增加约19%,基站的总体覆盖范围将可增大42%

 

3GPP还进一步基于一个中型TD-LTE网络作了对比仿真,相关结果如图3所示:若把终端上行发射功率增大3dB,则上行覆盖范围可得到最大30%的增强,从而可大幅节约网络建设成本。

 

3

3  1Tx上行26 dBm发射与2Tx23 dBm发射的覆盖仿[1]

 

另一方面,虽然LTE的上行受限,但是大多数的应用均以下行链路为中心,这些下行应用(如蜂窝流媒体视频、文件下载等)都采取成熟的网络协议(如传输控制协议TCP)。用户终端通过上行链路发出请求,下行链路需向其返回确认信息,据统计,这一部分流量占到了整个下行的2.5%~5%(平均值)。而在小区边缘,由于需对用户终端的请求进行确认,下行链路的性能就受限于上行数据率。因此,增大终端上行发射功率后,LTE网络的确认信息下行就将可得到更好的支撑,进而可更高效地利用下行链路的吞吐性能(对于采取TCP协议的应用)。综上,把终端发射功率增大3 dB,可改善位于小区边缘的用户的业务体验。

 

最后,由于无线频谱资源很稀缺、宝贵,可用频谱不多,移动通信基础网络运营商就很在意LTE上行链路的频谱效率。总体上,在小区边缘区域,上行链路的频谱效率较低——这是由于,发射功率受限或不足。现行解决方案是通过采取传统的调制和编码技术以保证LTE基站可成功接收并解码用户终端发射的信号。而如果将终端发射功率提高3 dB,终端就可采取更高阶的调制与编码参数,上行链路频谱效率与容量就将可得到相应提高,而且,可减小上行链路传输小包(即TCP ACK/NACK)所用的时间,从而改善小区边缘的延迟/时延性能。

 

3Power class 2有望解决“TDD-FDD载波聚合多频LTE网络的覆盖非均匀问题

 

全球范围内,大多数的LTE网络均采取低频段(600 MHz~1 GHz)或中高频段(1.7 GHz~2.1 GHz)用于FDD LTE的宏蜂窝覆盖(相对于高频段,这两类频段的无线传播特性更优良,利于降低FDD LTE网络建设及维护成本)。但是,由于无线频谱资源是稀缺的,绝大多数的FDD LTE网络所能提供的无线接入带宽和系统总体容量均较小。而位于高频段的TDD频段则具有更大的物理信道带宽。

 

于是,移动通信基础网络运营商若要提高FDD LTE网络的容量,就只能以同站共址的方式部署高频TD-LTE网络(笔者注:这是“TDD-FDD载波聚合”解决方案的缺点之一。这种情况下是通过高速背板在TD-LTE基带板和LTE FDD基带板之间实时分解、合并数据来实现载波聚合)。

 

但是,若同部署低频、中高频、高频LTE基站,可能会造成不同频段网络的覆盖不均问题(如图4所示)。因此,为保证用户在多频网络中获得一致的业务体验,应消除低/中高频FDD LTE网络与高频TD-LTE网络在覆盖上的差距。

 

4

多频LTE网络的覆盖非均匀问题[1]

 

对此,业界所提出的一种可行的解决方案是“TDD-FDD载波聚合。于其中,高频TD-LTE基站作为SCell(次级小区)用以提高下行方向的总体系统容量,低/中高频FDD LTE基站则作为PCell(主小区),所有的上行数据流量均由FDD LTE网络承载。这样,多频LTE网络的上行与下行链路容量及性能均可得到优化。

 

但是,上述解决方案将需要移动通信基础网络运营商部署额外的基础设施并支出更多的网络部署成本。为此,即可采取Power class 2以解决这一问题。如表1所示。

 

1[1]

 

 

基站Rx

MAPLdB

距离(m

高频段(Power class 3

2.3 GHz~2.7 GHz

8

142.1

1190

高频段(Power class 2

2.3 GHz~2.7 GHz

8

145.6

1470

中高频段(Power class 3

1.7 GHz~2.1 GHz

4

142.9

1470

低频段(Power class 3

600 MHz~800 MHz

2

138.8

1800

注:采取3GPP的城市宏蜂窝模型可将MAPL转换至距离参数(用户终端到LTE基站的距离)

 

1直观地反映出:在高频段TD-LTE采取Power class 2后,多频LTE网络的覆盖非均匀问题就得到解决,而且能保证用户获得一致的业务体验(当终端工作频段切换后)。

 

另外,此类Power class 2用户终端的实现复杂度及研发成本均较小。

 

该白皮书还着重指出,采取Power class 2后,此前由FDD LTE网络提供服务的区域将改由高频TD-LTE网络负责,所空余出来的FDD LTE网络容量就将可进一步为更多用户及区域提供服务。

 

4、结论

 

4G LTE网络是一种上行受限的系统。若部署Power class 2TD-LTE网络的上行覆盖范围最大可得到30%的改善,从而可减小上行与下行链路的差距。另外,Power class 2还可改善小区边缘的总体性能(尤其是当下行链路需要对上行链路的请求作出回应而发送确认消息时),并通过采取更高阶调制与编码技术来提高小区边缘的频谱效率。除了TDD”这种部署模式,Power class 2还可用于解决“TDD-FDD载波聚合多频LTE网络的低、中高、高覆盖非均匀问题,减小“TDD-FDD载波聚合系统的总体研发及部署成本。

 

 

参考文献

 

[1] GTI. TDD Power Class 2 UE[EB/OL].

http://www.lte-tdd.org/d/file/Resources/rep/2016-02-04/bdc1a39456228ba965eb4542316fd336.pdf, 2016-01-28.

 


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