LTE TDD與LTE FDD技術比較

摘要：UTRA 的長期演進(Long Term Evolution ,LTE) 技術存在LTE FDD和LTE TDD兩大陣營，本文在比較分析TDD和FDD技術特點的基礎上，對LTE TDD（即TD-LTE）的特有技術進行了總結，并結合中國移動現(xiàn)有的網(wǎng)絡部署和TDD頻段資源情況，對LTE TDD和LTE FDD的應用前景進行了初步分析。

1、引言

????????隨著移動通信技術的蓬勃發(fā)展，無線通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出移動化、寬帶化和IP 化的趨勢，移動通信市場的競爭也日趨激烈。為應對來自WiMAX ，Wi-Fi 等傳統(tǒng)和新興無線寬帶接入技術的挑戰(zhàn)，提高3G在寬帶無線接入市場的競爭力，3GPP 開展UTRA長期演進(Long Term Evolution ,LTE) 技術的研究，以實現(xiàn)3G技術向B3G和4G的平滑過渡。LTE的改進目標是實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更短的時延、更低的成本，更高的系統(tǒng)容量以及改進的覆蓋范圍。

????????LTE系統(tǒng)同時定義了頻分雙工(Frequency Division Duplexing, FDD) 和時分雙工(Time Division Duplexing, TDD) 兩種方式，但由于無線技術的差異、使用頻段的不同以及各個廠家的利益等因素，LTE FDD支持陣營更加強大，標準化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領先于LTE TDD。2007年11月，3GPP RAN1會議通過了27家公司聯(lián)署的LTE TDD融合幀結構的建議，統(tǒng)一了LTE TDD的兩種幀結構。融合后的LTE TDD幀結構是以TD-SCDMA的幀結構為基礎的，這就為TD-SCDMA成功演進到LTE乃至4G標準奠定了基礎。

????????TDD幀結構的融合使更多的廠商參與到TDD的標準化進程中，LTE TDD技術受到了廣泛的重視，其產(chǎn)業(yè)化進程也有了顯著的發(fā)展。本文在比較分析TDD和FDD技術特點的基礎上，總結了TD-LTE系統(tǒng)的特有技術，并結合中國移動現(xiàn)有的網(wǎng)絡部署和TDD頻段資源情況，對LTE TDD和LTE FDD的應用前景進行了分析。

2、FDD與TDD工作原理

????????頻分雙工(FDD) 和時分雙工(TDD) 是兩種不同的雙工方式。如圖1所示，F(xiàn)DD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，用保護頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時間上是連續(xù)的。FDD在支持對稱業(yè)務時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業(yè)務時，頻譜利用率將大大降低。

????????TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。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隙作為信道的承載, 其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。

圖1：FDD和TDD的工作原理

????????TDD 雙工方式的工作特點使TDD具有如下優(yōu)勢：

（1）能夠靈活配置頻率，使用FDD 系統(tǒng)不易使用的零散頻段；
（2）可以通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，提高下行時隙比例，能夠很好的支持非對稱業(yè)務；
（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；
（4）接收上下行數(shù)據(jù)時，不需要收發(fā)隔離器，只需要一個開關即可，降低了設備的復雜度；
（5）具有上下行信道互惠性，能夠更好的采用傳輸預處理技術，如預RAKE 技術、聯(lián)合傳輸(JT)技術、智能天線技術等, 能有效地降低移動終端的處理復雜性。

????????但是，TDD雙工方式相較于FDD，也存在明顯的不足：

（1）由于TDD方式的時間資源分別分給了上行和下行，因此TDD方式的發(fā)射時間大約只有FDD的一半，如果TDD要發(fā)送和FDD同樣多的數(shù)據(jù)，就要增大TDD的發(fā)送功率；
（2）TDD系統(tǒng)上行受限，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；
（3）TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間存在干擾；
（4）為了避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率。

3、TD-LTE系統(tǒng)特有技術

????????LTE系統(tǒng)同時定義了頻分雙工(FDD) 和時分雙工(TDD) 兩種雙工方式，并分別設計了FDD和TDD的幀結構[1]。FDD模式下，10ms的無線幀被分為10個子幀,每個子幀包含兩個時隙，每時隙長0.5ms。TDD模式下，每個10ms無線幀包括2個長度為5ms的半幀，每個半幀由4個數(shù)據(jù)子幀和1個特殊子幀組成，如圖2所示。特殊子幀包括3個特殊時隙：DwPTS，GP和UpPTS，總長度為1ms。DwPTS和UpPTS的長度可配置，DwPTS的長度為3～12個OFDM符號，UpPTS的長度為1～2個OFDM符號，相應的GP長度為1～10個OFDM符號。

????????LTE支持5ms和10ms上下行切換點。對于5ms上下行切換周期，子幀2和7總是用作上行。對于10ms上下行切換周期，每個半幀都有DwPTS；只在第1個半幀內(nèi)有GP和UpPTS，第2個半幀的DwPTS長度為1ms。UpPTS和子幀2用作上行，子幀7和9用作下行。

圖2：LTE TDD幀結構

????????由于TDD幀結構與FDD幀結構不同，TD-LTE系統(tǒng)具有一些特有技術。

（1）上下行配比

????????LTE TDD中支持不同的上下行時間配比，上下行時間比不總是“1:1”（見表1），可以根據(jù)不同的業(yè)務類型，調(diào)整上下行時間配比，以滿足上下行非對稱的業(yè)務需求。

表1：不同幀周期的上下行配比

（2）特殊時隙的應用

????????為了節(jié)省網(wǎng)絡開銷，TD-LTE允許利用特殊時隙DwPTS和UpPTS傳輸系統(tǒng)控制信息。LTE FDD中用普通數(shù)據(jù)子幀傳輸上行sounding導頻，而TDD系統(tǒng)中，上行sounding導頻可以在UpPTS上發(fā)送。另外，DwPTS也可用于傳輸PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息。其中，DwPTS時隙中下行控制信道的最大長度為兩個符號，且主同步信道固定位于DwPTS的第三個符號。

（3）多子幀調(diào)度/反饋

????????和FDD不同，TDD系統(tǒng)不總是存在1:1的上下行比例。當下行多于上行時，存在一個上行子幀反饋多個下行子幀，TD-LTE提出的解決方案有：multi-ACK/NAK，ACK/NAK捆綁（bundling）等。當上行子幀多于下行子幀時，存在一個下行子幀調(diào)度多個上行子幀（多子幀調(diào)度）的情況。

（4）同步信號設計

????????除了TDD固有的特性之外（上下行轉(zhuǎn)換、特殊時隙等），TDD幀結構與FDD幀結構的主要區(qū)別在于同步信號的設計。LTE 同步信號的周期是5ms，分為主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）。LTE TDD和FDD幀結構中，同步信號的位置/相對位置不同，如圖3所示。在TDD幀結構中，PSS位于DwPTS的第三個符號，SSS位于5ms第一個子幀的最后一個符號；在FDD幀結構中，主同步信號和輔同步信號位于5ms第一個子幀內(nèi)前一個時隙的最后兩個符號。利用主、輔同步信號相對位置的不同，終端可以在小區(qū)搜索的初始階段識別系統(tǒng)是TDD還是FDD。

圖3：FDD和TDD的同步信號設計

（5）HARQ的設計

????????LTE FDD 系統(tǒng)中，HARQ的RTT（Round Trip Time）固定為8ms，且ACK/NACK位置固定，如圖4所示。TD-LTE系統(tǒng)中HARQ的設計原理與LTE FDD相同，但是實現(xiàn)過程卻比LTE FDD復雜，由于TDD上下行鏈路在時間上是不連續(xù)的，UE發(fā)送ACK/NACK的位置不固定，而且同一種上下行配置的HARQ的RTT長度都有可能不一樣，這樣增加了信令交互的過程和設備的復雜度。

????????如圖4所示，LTE FDD系統(tǒng)中，UE發(fā)送數(shù)據(jù)后，經(jīng)過3ms的處理時間，系統(tǒng)發(fā)送ACK/NACK，UE再經(jīng)過3ms的處理時間確認，此后，一個完整的HARQ處理過程結束，整個過程耗費8ms。在LTE TDD系統(tǒng)中，UE發(fā)送數(shù)據(jù)，3ms處理時間后，系統(tǒng)本來應該發(fā)送ACK/NACK，但是經(jīng)過3ms處理時間的時隙為上行，必須等到下行才能發(fā)送ACK/NACK。系統(tǒng)發(fā)送ACK/NACK后，UE再經(jīng)過3ms處理時間確認，整個HARQ處理過程耗費11ms。類似的道理，UE如果在第2個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，同樣，系統(tǒng)必須等到DL時隙時才能發(fā)送ACK/NACK，此時，HARQ的一個處理過程耗費10ms。可見，LTE TDD系統(tǒng)HARQ的過程復雜，處理時間長度不固定，發(fā)送ACK/NACK的時隙也不固定，給系統(tǒng)的設計增加了難度。

圖4：FDD和TDD 的HARQ 設計

4、LTE TDD與LTE FDD的比較

????????LTE TDD在幀結構、物理層技術、無線資源配置等方面具有自己獨特的技術特點，與LTE FDD相比，具有特有的優(yōu)勢，但也存在一些不足。

4.1、LTE TDD的優(yōu)勢

（1）頻譜配置

????????頻段資源是無線通信中最寶貴的資源，隨著移動通信的發(fā)展，多媒體業(yè)務對于頻譜的需求日益增加。現(xiàn)有的通信系統(tǒng)GSM900和GSM1800均采用FDD雙工方式，F(xiàn)DD雙工方式占用了大量的頻段資源，同時，一些零散頻譜資源由于FDD不能使用而閑置，造成了頻譜浪費。由于LTE TDD系統(tǒng)無需成對的頻率, 可以方便的配置在LTE FDD 系統(tǒng)所不易使用的零散頻段上, 具有一定的頻譜靈活性，能有效的提高頻譜利用率。
????????另外，中國已經(jīng)為TDD 劃分了155 MHz 的頻段(如圖5所示) ,為LTE TDD的應用創(chuàng)造了條件。因此，在頻段資源方面，LTE TDD系統(tǒng)和LTE FDD系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。中國移動可以針對不同的頻段資源，分別部署LTE TDD系統(tǒng)和LTE FDD系統(tǒng)，充分利用頻譜資源。

?

圖5：中國為TDD劃分的頻段

（2）支持非對稱業(yè)務

????????在第三代移動通信系統(tǒng)以及未來的移動通信系統(tǒng)中,除了提供語音業(yè)務之外，數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務將成為主要內(nèi)容，且上網(wǎng)、文件傳輸和多媒體業(yè)務通常具有上下行不對稱特性。LTE TDD系統(tǒng)在支持不對稱業(yè)務方面具有一定的靈活性。根據(jù)LTE TDD幀結構的特點，LTE TDD系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務類型靈活配置LTE TDD幀的上下行配比。如瀏覽網(wǎng)頁、視頻點播等業(yè)務，下行數(shù)據(jù)量明顯大于上行數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務量的分析，配置下行幀多于上行幀情況，如 6DL:3UL ，7DL:2UL，8DL:1UL，3DL:1UL等。而在提供傳統(tǒng)的語音業(yè)務時，系統(tǒng)可以配置下行幀等于上行幀，如2DL:2UL。

????????在LTE FDD系統(tǒng)中, 非對稱業(yè)務的實現(xiàn)對上行信道資源存在一定的浪費, 必須采用高速分組接入(HSPA) 、EV-DO 和廣播/組播等技術。相對于LTE FDD系統(tǒng)，LTE TDD系統(tǒng)能夠更好的支持不同類型的業(yè)務，不會造成資源的浪費。

（3）智能天線的使用

????????智能天線技術是未來無線技術的發(fā)展方向，它能降低多址干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量。在LTE TDD系統(tǒng)中, 上下行鏈路使用相同頻率, 且間隔時間較短, 小于信道相干時間，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，在使用賦形算法時，上下行鏈路可以使用相同的權值。與之不同的是, 由于FDD 系統(tǒng)上下行鏈路信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同, 根據(jù)上行鏈路計算得到的權值不能直接應用于下行鏈路。因而, LTE TDD系統(tǒng)能有效地降低移動終端的處理復雜性。

????????另外，在LTE TDD系統(tǒng)中，由于上下行信道一致, 基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元, 從而在一定程度上降低了基站的制造成本。

（4）與TD-SCDMA的共存

????????LTE TDD系統(tǒng)還有一個LTE FDD無法比擬的優(yōu)勢，就是LTE TDD系統(tǒng)能夠與TD-SCDMA系統(tǒng)共存。對現(xiàn)有通信系統(tǒng)來說，目前的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)無法滿足用戶日益增長的需求，運營商必須提前規(guī)劃現(xiàn)有通信系統(tǒng)向B3G/4G系統(tǒng)的平滑演進。由于LTE TDD幀結構基于我國TD-SCDMA的幀結構，能夠方便的實現(xiàn)TD-LTE系統(tǒng)與TD-SCDMA系統(tǒng)的共存和融合。如圖6所示，以5ms 的子幀為基準，TD-SCDMA有7個子幀，且特殊時隙是固定的，TD-LTE通過調(diào)整特殊時隙的長度，就能夠保證兩個系統(tǒng)的GP時隙重合（上下行切換點），從而實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的融合。

圖6：TD-SCDMA與TD-LTE融合

4.1、LTE TDD的不足
????????由于LTE TDD在同一幀中傳輸上下行兩個鏈路，系統(tǒng)設計更加復雜，對設備的要求較高，存在一些不足：

（1）由于保護間隔的使用降低了頻譜利用率，特別是提供廣覆蓋的時候，使用長CP，對頻譜資源造成了浪費。
（2）使用HARQ技術時，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更復雜，且平均RTT 稍長于LTE FDD的8ms。
（3）由于上下行信道占用同一頻段的不同時隙，為了保證上下行幀的準確接收，系統(tǒng)對終端和基站的同步要求很高。

????????為了補償LTE TDD系統(tǒng)的不足，LTE TDD 系統(tǒng)采用了一些新技術，如：TDD支持在微小區(qū)使用更短的PRACH，以提高頻譜利用率；采用multi-ACK/NACK的方式，反饋多個子幀，節(jié)約信令開銷等。

5、結束語

????????TDD雙工方式具有頻譜配置靈活，頻譜利用率高，上下行信道互惠性等特點，能夠滿足下一代移動通信系統(tǒng)對帶寬的要求以及頻率分配零散化的趨勢，在B3G/4G移動通信系統(tǒng)中具有較強的優(yōu)勢。LTE TDD在頻譜利用、非對稱業(yè)務支持、智能天線技術支持、與TD-SCDMA系統(tǒng)共存等方面，有很大的優(yōu)勢，在未來的通信系統(tǒng)中具有很強的競爭力。隨著LTE TDD技術研究的深入和國際市場的推廣，將成為未來無線通信系統(tǒng)中的主流技術。??????????????????????????????