4G无线网络原理及优化
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1.3 无线帧结构

LTE分TDD和FDD两种不同的双工方式,分别对应不同的无线帧结构。FDD采用频率来区分上、下行,其单方向的资源在时间上连续;而TDD则采用时间来区分上、下行,其单方向的资源在时间上不连续,而且需要保护时间间隔,避免两个方向之间的收发干扰,所以LTE分别为FDD和TDD设计了各自的帧结构。

FDD-LTE帧是长度为10ms的无线帧,由10个长度为1ms的子帧组成,每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成,每个时隙内含有7个OFDM符号(常规CP)或6个OFDM符号(扩展CP),时域的基本单位Ts=1/(15000×2048)s=32.55μs,基带采样率fs=1/Ts=30.72MHz, LTE的采样率分别是WCDMA的采用率(3.84MHz)和TD-SCDMA的采样率(1.28MHz)的8倍和24倍,简化了WCDMA/TD-SCDMA/LTE多模终端的设计,因为多模终端可以直接使用同一个时钟电路实现,降低了系统的复杂度。FDD-LTE帧结构如图1-4所示。

图1-4 FDD-LTE帧结构

LTE时隙(0.5ms)的详细结构如图1-5所示。每个时隙由一定数量的OFDM符号加上相应的循环前缀(CP)组成,OFDM的符号时间定义为可用符号时间和循环前缀的长度之和。LTE系统定义了两种循环前缀(CP),即常规CP和扩展CP,分别相当于每个时隙有7个和6个OFDM符号。在常规CP中,每个时隙的第一个OFDM符号的CP比其余OFDM符号的CP长,这样做是为了将0.5ms的时隙完全填充,因为一个时隙的时间单位Ts数(15360)不能被7整除。

图1-5 LTE时隙结构

LTE系统定义了两种CP,主要有以下两个方面的原因。第一,虽然从总体的开销上来说扩展CP的效率更低,但在具有很大时延扩展的环境中,例如,在覆盖范围很大的小区中,长的CP对信道的估计更为准确;第二,在基于MBSFN的多播/广播传输中,CP不仅应覆盖传输信道的大部分时延扩展,还应能够屏蔽由于不同基站传输所带来的时间差异,因此,在MBSFN系统的实际操作中,也需要额外的CP。因此, LTE系统的扩展CP主要用于MBSFN的传输,而不同的CP可以用在一帧内不同的子帧中。

在系统设计时,要求CP长度大于无线信道的最大时延扩展,而时延扩展与小区半径和无线信道传播环境相关。通常用均方根(Root Mean Square, RMS)多径延迟扩展τrms来描述功率延迟分布情况,τrms公式定义如下。

τrms=T1dεy

其中T1表示1公里距离RMS时延扩展值,d表示小区半径,y表示阴影衰落余量,多径时延扩展τrms随着小区半径的增加而增加。表1-8给出了不同小区半径d,在4种传播环境下,包含90%能量的RMS时延扩展值(μs)。

表1-8 RMS时延扩展

注:σy表示阴影衰落标准差。

正常CP:正常CP有7个OFDM符号,第1个OFDM符号的CP长度是5.21μs,第2个到第7个OFDM符号的CP长度是4.69μs,正常CP可以在1.4km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力,适合于市区、郊区、农村以及小区半径低于5km的山区环境。

扩展CP:扩展CP有6个OFDM符号,每个OFDM符号的CP长度均是16.67μs,扩展CP可以在5km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力,适合于覆盖距离大于5km的山区环境及需要超远距离覆盖的海面和沙漠等环境。

TDD-LTE帧结构也是一个长度为10ms的无线帧,由两个5ms的半帧构成,每个半帧由5个1ms的子帧组成。子帧又分为常规子帧(由两个0.5ms的时隙构成)和特殊子帧,特殊子帧由DwPTS、GP以及UpPTS构成。TDD支持5ms和10ms两种上下行切换点周期。TDD-LTE帧结构如图1-6所示。

图1-6 TDD-LTE帧结构

TDD帧结构有7种时隙配置,其中子帧0和子帧5固定为下行传输,其他子帧可以灵活配置,既可以用于上行传输也可以用于下行传输。之所以将子帧0和子帧5设置为下行传输是因为它们通常包含了LTE系统的同步信号,这些同步信息在每个小区的下行连续重复传输,用于初始小区搜索和邻小区搜索。

TDD子帧配置的灵活性使其上下行子帧数具有很大的不对称性,为了避免相邻小区间上下行传输之间的严重干扰,上下行子帧分配不建议经常性地剧烈变化,但是可以较为缓慢地改变,以适应不同流量的特点,比如上下行数据量非对称性地改变。TDD帧结构配置如表1-9所示。

表1-9中D代表此子帧用于下行传输,U代表此子帧用于上行传输,S代表特殊时隙,特殊时隙由DwPTS、GP、UpPTS组成,其时隙长度有9种形式配置,如表1-10所示。

表1-9 TDD-LTE上行子帧配置

表1-10 TDD-LTE特殊子帧配置

特殊时隙中的DwPTS可用于发送下行数据,其中主同步信道位于DwPTS第3个OFDM符号;UpPTS可以传输随机接入、上行探测信号等,UpPTS可用来专门放置物理随机接入信道(PRACH),这是TDD-LTE系统特有的一种短RACH结构(只有两个符号长); GP是保护间隔,无法用来传输有效信息。

TDD-LTE系统利用时间上的间隔完成双工转换,但为避免干扰,需预留一定的保护间隔(G P ) ,保护间隔的大小与系统覆盖距离有关,GP越大,覆盖距离就越大。

GP主要由“传输时延”和“设备收发转换时延”构成,即

GP=2×传输时延+TRx-Tx, UE

最大覆盖距离=传输时延×c

其中传输时延是指eNodeB和UE之间单向传输时间长度;c是光速,TRx-Tx, UE为UE从下行接收到上行发送的转换时间,该值与输出功率的精确度有关,典型值是10~40μs,在本书中,假定TRx-Tx,UE为20μs。TDD-LTE覆盖距离如表1-11所示。

表1-11 TDD-LTE特殊子帧配置及覆盖距离

DwPTS可用于传输下行链路控制信令和下行数据,因此GP越大,则DwPTS越小,会造成系统容量下降。在系统设计中,特殊子帧的典型配置通常选用模式7,即10∶2∶2,该配置下理论覆盖距离达到18.4km,既能保证足够的覆盖距离,同时下行容量损失有限。扩展CP的特殊子帧典型配置为模式0,即3∶8∶1,覆盖距离可以达到97km,适合于海面和沙漠等超远距离覆盖场景。

TDD-LTE和TD-SCDMA之间存在着密切联系。当TDD-LTE和TD-SCDMA共享站点和使用同一频段时,系统需要对上行链路/下行链路间隔进行排列,以避免不同基站收发信机之间产生干扰。由于TD-SCDMA持续时间与TDD-LTE子帧持续时间不匹配,因而LTE子帧参数需特殊设计用于满足共存要求。根据上行链路/下行链路相对分离的事实,当基站之间不存在干扰的情况下,可以对TD-SCDMA和TDD-LTE的相对定时进行调整,以支持共存,如图1-7所示。

图1-7 TDD-LTE与TD-SCDMA上下行对齐

除了定时排列之外,当支持TD-SCDMA和LTE共存时,特殊子帧的准确配置也起着非常重要的作用。表1-12给出了一些具有较好匹配效果的配置。

表1-12 TD-SCDMA和TDD-LTE之间的共存模式实例(采用常规CP)