TD-LTE系统为何需要时间同步的整理20140804

1、TD-LTE系统为何需要时间同步的整理一、LTE系统模式及帧结构LTE系统有两种模式，即FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）和TDD（Time Division Duplexing，时分双工），一般用LTE FDD（写法不一，FDD LTE，FDD-LTE都代表频分模式）和TD-LTE来区别两种不同的系统模式。1、TDD和FDD的工作原理频分双工（FDD） 和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。如下图1所示，FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源

2、在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。TDD用时间来分离接收和发送信道。在TDD 方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。图12、LTE FDD和TD-LTE的帧结构（1）帧结构Type1：FDD（全双工和半双工）每一个无线帧长度为10ms，由20个时隙构成，每一个时隙长度为Tslot = 15360 x Ts =

3、0.5ms。FDD其特点为：上下行数据在不同的频带里传输，使用成对频谱；对于FDD，在每一个10ms中，有10个子帧可以用于下行传输，并且有10个子帧可以用于上行传输，上下行传输在频域上进行分开。（2）帧结构Type2：TDD一个无线帧10ms，每个无线帧由两个半帧构成，每个半帧长度为5ms。每一个半帧由5个子帧构成，可划分为8个常规时隙(每一个时隙长度为Tslot = 15630 x Ts = 0.5ms)和DwPTS、GP和UpPTS三个特殊时隙构成，DwPTS和UpPTS的长度可配置，要求DwPTS、GP以及UpPTS的总长度为1ms。TDD其特点为：上下行数据可以在同一频带内传输，可使

4、用非成对频谱；对于TDD，在每一个10ms中，除2个特殊子帧外的8个子帧可以按规则进行上下行的灵活配置，上下行传输在同一频域上进行。由于TDD与FDD技术的不同，导致LTE FDD系统和TD-LTE系统在同步的需求和实现上也存在差异，LTE FDD只需要载波同步，TD-LTE需要载波同步时间同步，时间同步对于TDD系统来说是必须的。二、TDD系统同步方式由于TD-LTE与TD-SCDMA均为TDD系统，帧结构相近（以下讨论均以同频组网为基础进行论述），对同步的需求是一致的，且TD-SCDMA资料较为详细，以下为使描述更简单，就选用了TD-SCDMA系统作为模型进行分析描述。1、TD基站之间为什

5、么必须时间同步？ TD作为一个时分系统，是非常讲究时间同步的，它要求所有基站之间都必须同步，这是为什么呢？为什么同作为时分系统的GSM没有这么苛刻的要求呢？我们不妨举个例子来说明。  如下图2所示，有2个相邻的基站和1个手机，其中手机处于基站1的覆盖范围内。由于TD-SCDMA系统是一个“时分双工”的移动通信系统，所以基站1在某个时刻是在向手机发射信号，还是在接收信号完全是靠时隙来区分的，而且基站和手机之间的上下行信号都会使用相同的频率来发射。如果相邻基站没有精确同步，那它们的收发时隙可能就会有错位。那么假设基站1此时正在接收来自手机的上行信号，而此时与其相邻的基

6、站2由于和基站1并不是同步的，时间不一样，那么基站2此时可能正在发射下行信号。由于手机和基站2都是用相同的频率发射的信号，那么基站1就分辨不清楚收到的信号到底是不是来自于手机，因为它很容易把来自基站2的同频信号当成是来自手机的信号。也就是说如果失步基站在下行信号的发射时隙如果刚好落在正常基站的接收时隙里，正常基站就无法接收手机发出的上行信号，这样就会造成强干扰。由此可见，在TD-SCDMA系统中，失步基站很容易对附近所有基站造成很大的干扰。  为了避免相邻基站的收发时隙交叉，减少干扰， TD-SCDMA系统要求所有网内基站之间必须同步。图2   

7、;TD系统基站1和基站2不同步，出现干扰大家可以想想为什么GSM也是一个时分系统，也是通过时隙来工作，怎么就不会有这样的情况？我们不妨先看看图3图3   GSM系统基站2的下行和基站1上行频段不同，无法干扰在GSM里面，即使基站1和基站2时间不同步，出现了时隙交错，基站2也无法对手机的上行进行干扰，因为它们处于不同的频段。上下行处于不同的频段，通过频段来对上下行信号进行区隔叫做“频分双工”，比如GSM、WCDMA、CDMA2000；上下行处于同一个频段，通过不同的时间来进行区隔叫做“时分双工”，比如TD-LTE、TD-SCDMA、PHS。GSM和TD虽然都采用时分

8、复用，但是其双工方式不同，也就是说区隔上下行信号的方式不同，从而导致了对基站同步的要求的不同。我们看到，为了时分双工TD是付出了一定代价的，那么时分双工又有什么好处呢？  （1）频谱的灵活性 采用频分双工的话，上下行需要成对的频谱，在2GHZ以下，已经是比较难了。而时分双工不需要成对的频谱，相对而言分配频谱起来要简单不少。（2）对不对称业务的支持 对于时分双工而言，上下行工作于同一个频段，只是不同的时隙，这样就可以通过调整上下行的时隙数目来适应上下行的业务量。我们知道，对于上互联网数据业务而言，上下行的流量一般而言是不对称的，下行流量一般要远大于上行流量

9、。既然如此，那么上下行分配相等的带宽是不是显得有点浪费呢？  （3）上下行链路的相关性 由于时分双工系统上下行工作于同一个频率，所以上下行的传播特性比较相近。基站端的发射机就可以根据在上行链路上得到的接收信号来了解下行链路的多径信道的特性，从而 可以非常方便使用我们后文将说到的智能天线。频分双工系统由于上下行工作于不同的频段，而不同频段的电磁波其传播特性各不相同，因此很难根据上行的情况判断下行的情况，用起智能天线来就没那么方便了。  （4）设备成本较低 由于上下行工作于相同的频段，其发射机和接收机就比较简单，从而可以使得设备

10、成本比频分双工的要低20%40%。2、 TD-SCDMA的同步需求移动通信技术的发展离不开同步技术的支持，载波频率的稳定、上下行时隙的对准、可靠高质量的传送、基站之间的切换、漫游等都需要精确的同步控制。我国提出的TD-SCDMATime Division- Synchronous Code Division Multiple Access (时分同步的码分多址技术)标准，由于采用了TDD模式对时钟和时间同步提出了更高的要求。TD-SCDMA系统相邻基站之间空口对时间同步的精度要求是3s。表1       各种无线通

11、信系统的同步性能指标要求StandardFrequency AccuracyPhase AccuracyGSM50ppbNoneUMTS/WCDMA50ppbNoneCDMA200050ppb目标小于3s必须小于10sTD-SCDMA50ppb相邻基站间相差小于3sFemtocell (UMTS)100ppb, 200 (NSN), 250(Samsung)NoneFemtocell (TDD)50ppb相邻基站间相差小于3sLTE（FDD）50ppbNoneLTE（TDD）50ppb相邻基站间相差小于3sLTE MBMS50ppb相邻cell间相差小于5sWiMax 802.16e (TDD

12、)绝对偏差2ppm；相邻基站间 50ppb1.4s (SOFDMA, G = 1/8) (相邻基站间)Backhaul N/W16ppbN/A 各种无线通信系统的同步性能指标要求如表1所示。其中，TD-SCDMA的同步需求主要来源于无线系统同步、物理帧同步和载波频率的同步需求。无线系统同步主要是要实现基站和终端的帧同步，以及接入网设备RNC和NodeB的节点同步，是通过各个网元通过PP2S或1PPS时刻获取原子时，通过原子时计算SFN（系统帧号）来最终实现的。TD的物理层帧同步原理是NodeB通过获取授时系统1PPS相位、通过本地高稳晶振产生与1PPS无相差的5ms子帧时刻

13、（观测点为天线口），实现空口同步（即相邻基站间空口时刻或时间同步）。                                            &#

14、160;              图4      TD-SCDMA系统的同步需求TD的载波频率同步原理是各个网元的时频单元在相同时频产生算法通过授时系统得到1PPS长期稳定度高于1×10-10；NodeB通过获取授时系统1PPS长期稳定度高，来调整本地高稳晶振，使本地高稳晶振满足±0.05ppm，就可满足终端250km/h的移动速度。如图4所示，当TD-SCDMA同频组网时，如果相邻N

15、ode B之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰。时隙干扰是指前一个时隙的信号落在下一个时隙中，破坏了这两个时隙内的正交码的正交性，使这两个时隙内的基站或手机都无法正常解调。上下行时隙干扰是指一个基站发射的信号直接对另一个基站的接收造成强大的干扰，严重影响第二个基站的正常接收。TD-SCDMA 基站的时间同步需求描述见技术规范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理层（码、帧、时隙）同步，保证所有NodeB同时发送同时接收，相位精度为<1.5s；提供NodeB的SFN（系统帧号）同步，现在的TD系统要求做到所有NodeB的SFN同步，SFN = ( ti

16、me * 100) mod 4096，其中time为从1980.1.6 00:00:00开始计数的秒时间，SFN号每隔1024秒循环一遍；提供TOD信息（年月日时分秒）；提供1pps，通过锁相技术使NodeB保证输出频率稳定度高于5×10-8。即要求：TD-SCDMA 基站要求频率准确度满足±50ppb，同时要求相邻基站间时间误差小于3s。【补充内容】补充点1基站的同步是靠GPS/北斗/1588V2来实现的，GPS/北斗/1588V2的作用是实现基站的时间同步，时间同步的作用是在距离较近的周围基站实现“大家一起发，大家一起收”这样可以增加频谱的利用率（不像G网那样，一个频段发，一个频段收），这也就是TD典型的“同步技术”。TD在这种同