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，并結合中國移動現有的網絡部署和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展，無線通信系統呈現出移動化、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 等傳統和新興無線寬帶接入技術的挑戰，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3G技術向B3G和4G的平滑過渡。LTE的改進目標是實現更高的數據速率、更短的時延、更低的成本，更高的系統容量以及改進的覆蓋范圍。

????????LTE系統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，標準化與產業發展都領先于LTE TDD。2007年11月，3GPP RAN1會議通過了27家公司聯署的LTE TDD融合幀結構的建議，統一了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，其產業化進程也有了顯著的發展。本文在比較分析TDD和FDD技術特點的基礎上，總結了TD-LTE系統的特有技術，并結合中國移動現有的網絡部署和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，FDD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發送，用保護頻段來分離接收和發送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區分上下行鏈路，其單方向的資源在時間上是連續的。FDD在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業務時，頻譜利用率將大大降低。

????????TDD用時間來分離接收和發送信道。在TDD 方式的移動通信系統中, 接收和發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送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發送信號給基站，基站和移動臺之間必須協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具有如下優勢：

（1）能夠靈活配置頻率，使用FDD 系統不易使用的零散頻段；
（2）可以通過調整上下行時隙轉換點，提高下行時隙比例，能夠很好的支持非對稱業務；
（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；
（4）接收上下行數據時，不需要收發隔離器，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方式的發射時間大約只有FDD的一半，如果TDD要發送和FDD同樣多的數據，就要增大TDD的發送功率；
（2）TDD系統上行受限，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；
（3）TDD系統收發信道同頻，無法進行干擾隔離，系統內和系統間存在干擾；
（4）為了避免與其他無線系統之間的干擾，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系統特有技術

????????LTE系統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個數據子幀和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），可以根據不同的業務類型，調整上下行時間配比，以滿足上下行非對稱的業務需求。

表1：不同幀周期的上下行配比

（2）特殊時隙的應用

????????為了節省網絡開銷，TD-LTE允許利用特殊時隙DwPTS和UpPTS傳輸系統控制信息。LTE FDD中用普通數據子幀傳輸上行sounding導頻，而TDD系統中，上行sounding導頻可以在UpPTS上發送。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）多子幀調度/反饋

????????和FDD不同，TDD系統不總是存在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度多個上行子幀（多子幀調度）的情況。

（4）同步信號設計

????????除了TDD固有的特性之外（上下行轉換、特殊時隙等），TDD幀結構與FDD幀結構的主要區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，終端可以在小區搜索的初始階段識別系統是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系統中HARQ的設計原理與LTE FDD相同，但是實現過程卻比LTE FDD復雜，由于TDD上下行鏈路在時間上是不連續的，UE發送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系統中，UE發送數據后，經過3ms的處理時間，系統發送ACK/NACK，UE再經過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系統中，UE發送數據，3ms處理時間后，系統本來應該發送ACK/NACK，但是經過3ms處理時間的時隙為上行，必須等到下行才能發送ACK/NACK。系統發送ACK/NACK后，UE再經過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個時隙發送數據，同樣，系統必須等到DL時隙時才能發送ACK/NACK，此時，HARQ的一個處理過程耗費10ms。可見，LTE TDD系統HARQ的過程復雜，處理時間長度不固定，發送ACK/NACK的時隙也不固定，給系統的設計增加了難度。

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，具有特有的優勢，但也存在一些不足。

4.1、LTE TDD的優勢

（1）頻譜配置

????????頻段資源是無線通信中最寶貴的資源，隨著移動通信的發展，多媒體業務對于頻譜的需求日益增加。現有的通信系統GSM900和GSM1800均采用FDD雙工方式，FDD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系統無需成對的頻率, 可以方便的配置在LTE FDD 系統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，中國已經為TDD 劃分了155 MHz 的頻段(如圖5所示) ,為LTE TDD的應用創造了條件。因此，在頻段資源方面，LTE TDD系統和LTE FDD系統具有更大的優勢。中國移動可以針對不同的頻段資源，分別部署LTE TDD系統和LTE FDD系統，充分利用頻譜資源。

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圖5：中國為TDD劃分的頻段

（2）支持非對稱業務

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

????????在LTE FDD系統中, 非對稱業務的實現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，LTE TDD系統能夠更好的支持不同類型的業務，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展方向，它能降低多址干擾，增加系統的吞吐量。在LTE TDD系統中, 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 系統上下行鏈路信號傳播的無線環境受頻率選擇性衰落影響不同, 根據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系統能有效地降低移動終端的處理復雜性。

????????另外，在LTE TDD系統中，由于上下行信道一致, 基站的接收和發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系統還有一個LTE FDD無法比擬的優勢，就是LTE TDD系統能夠與TD-SCDMA系統共存。對現有通信系統來說，目前的數據傳輸速率已經無法滿足用戶日益增長的需求，運營商必須提前規劃現有通信系統向B3G/4G系統的平滑演進。由于LTE TDD幀結構基于我國TD-SCDMA的幀結構，能夠方便的實現TD-LTE系統與TD-SCDMA系統的共存和融合。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通過調整特殊時隙的長度，就能夠保證兩個系統的GP時隙重合（上下行切換點），從而實現兩個系統的融合。

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，系統對終端和基站的同步要求很高。

????????為了補償LTE TDD系統的不足，LTE TDD 系統采用了一些新技術，如：TDD支持在微小區使用更短的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移動通信系統中具有較強的優勢。LTE TDD在頻譜利用、非對稱業務支持、智能天線技術支持、與TD-SCDMA系統共存等方面，有很大的優勢，在未來的通信系統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中的主流技術。??????????????????????????????