LTE TDD與LTE FDD技術(shù)比較

LTE TDD與LTE FDD技術(shù)比較

摘要：UTRA 的長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution ,LTE) 技術(shù)存在LTE FDD和LTE TDD兩大陣營(yíng)，本文在比較分析TDD和FDD技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)LTE TDD（即TD-LTE）的特有技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)部署和TDD頻段資源情況，對(duì)LTE TDD和LTE FDD的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步分析。

1、引言

????????隨著移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化和IP 化的趨勢(shì)，移動(dòng)通信市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。為應(yīng)對(duì)來(lái)自WiMAX ，Wi-Fi 等傳統(tǒng)和新興無(wú)線寬帶接入技術(shù)的挑戰(zhàn)，提高3G在寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，3GPP 開(kāi)展UTRA長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution ,LTE) 技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過(guò)渡。LTE的改進(jìn)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更短的時(shí)延、更低的成本，更高的系統(tǒng)容量以及改進(jìn)的覆蓋范圍。

????????LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工(Frequency Division Duplexing, FDD) 和時(shí)分雙工(Time Division Duplexing, TDD) 兩種方式，但由于無(wú)線技術(shù)的差異、使用頻段的不同以及各個(gè)廠家的利益等因素，LTE FDD支持陣營(yíng)更加強(qiáng)大，標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)發(fā)展都領(lǐng)先于LTE TDD。2007年11月，3GPP RAN1會(huì)議通過(guò)了27家公司聯(lián)署的LTE TDD融合幀結(jié)構(gòu)的建議，統(tǒng)一了LTE TDD的兩種幀結(jié)構(gòu)。融合后的LTE TDD幀結(jié)構(gòu)是以TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，這就為T(mén)D-SCDMA成功演進(jìn)到LTE乃至4G標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

????????TDD幀結(jié)構(gòu)的融合使更多的廠商參與到TDD的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，LTE TDD技術(shù)受到了廣泛的重視，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也有了顯著的發(fā)展。本文在比較分析TDD和FDD技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了TD-LTE系統(tǒng)的特有技術(shù)，并結(jié)合中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)部署和TDD頻段資源情況，對(duì)LTE TDD和LTE FDD的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

2、FDD與TDD工作原理

????????頻分雙工(FDD) 和時(shí)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(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)行接收和發(fā)送，用保護(hù)頻段來(lái)分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對(duì)的頻率，依靠頻率來(lái)區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的。FDD在支持對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)時(shí)，頻譜利用率將大大降低。

????????TDD用時(shí)間來(lái)分離接收和發(fā)送信道。在TDD 方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)中, 接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載, 其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。某個(gè)時(shí)間段由基站發(fā)送信號(hào)給移動(dòng)臺(tái)，另外的時(shí)間由移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)給基站，基站和移動(dòng)臺(tái)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(diǎn)使TDD具有如下優(yōu)勢(shì)：

（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(guò)調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，提高下行時(shí)隙比例，能夠很好的支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；
（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(shè)備成本；
（4）接收上下行數(shù)據(jù)時(shí)，不需要收發(fā)隔離器，只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)即可，降低了設(shè)備的復(fù)雜度；
（5）具有上下行信道互惠性，能夠更好的采用傳輸預(yù)處理技術(shù)，如預(yù)RAKE 技術(shù)、聯(lián)合傳輸(JT)技術(shù)、智能天線技術(shù)等, 能有效地降低移動(dòng)終端的處理復(fù)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(shí)間資源分別分給了上行和下行，因此TDD方式的發(fā)射時(shí)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(wú)法進(jìn)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(wú)線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預(yù)留較大的保護(hù)帶，影響了整體頻譜利用效率。

3、TD-LTE系統(tǒng)特有技術(shù)

????????LTE系統(tǒng)同時(shí)定義了頻分雙工(FDD) 和時(shí)分雙工(TDD) 兩種雙工方式，并分別設(shè)計(jì)了FDD和TDD的幀結(jié)構(gòu)[1]。FDD模式下，10ms的無(wú)線幀被分為10個(gè)子幀,每個(gè)子幀包含兩個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙長(zhǎng)0.5ms。TDD模式下，每個(gè)10ms無(wú)線幀包括2個(gè)長(zhǎng)度為5ms的半幀，每個(gè)半幀由4個(gè)數(shù)據(jù)子幀和1個(gè)特殊子幀組成，如圖2所示。特殊子幀包括3個(gè)特殊時(shí)隙：DwPTS，GP和UpPTS，總長(zhǎng)度為1ms。DwPTS和UpPTS的長(zhǎng)度可配置，DwPTS的長(zhǎng)度為3～12個(gè)OFDM符號(hào)，UpPTS的長(zhǎng)度為1～2個(gè)OFDM符號(hào)，相應(yīng)的GP長(zhǎng)度為1～10個(gè)OFDM符號(hào)。

????????LTE支持5ms和10ms上下行切換點(diǎn)。對(duì)于5ms上下行切換周期，子幀2和7總是用作上行。對(duì)于10ms上下行切換周期，每個(gè)半幀都有DwPTS；只在第1個(gè)半幀內(nèi)有GP和UpPTS，第2個(gè)半幀的DwPTS長(zhǎng)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(jié)構(gòu)

????????由于TDD幀結(jié)構(gòu)與FDD幀結(jié)構(gòu)不同，TD-LTE系統(tǒng)具有一些特有技術(shù)。

（1）上下行配比

????????LTE TDD中支持不同的上下行時(shí)間配比，上下行時(shí)間比不總是“1:1”（見(jiàn)表1），可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，調(diào)整上下行時(shí)間配比，以滿足上下行非對(duì)稱的業(yè)務(wù)需求。

表1：不同幀周期的上下行配比

（2）特殊時(shí)隙的應(yīng)用

????????為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，TD-LTE允許利用特殊時(shí)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(dǎo)頻，而TDD系統(tǒng)中，上行sounding導(dǎo)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(shí)隙中下行控制信道的最大長(zhǎng)度為兩個(gè)符號(hào)，且主同步信道固定位于DwPTS的第三個(gè)符號(hào)。

（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(dāng)下行多于上行時(shí)，存在一個(gè)上行子幀反饋多個(gè)下行子幀，TD-LTE提出的解決方案有：multi-ACK/NAK，ACK/NAK捆綁（bundling）等。當(dāng)上行子幀多于下行子幀時(shí)，存在一個(gè)下行子幀調(diào)度多個(gè)上行子幀（多子幀調(diào)度）的情況。

（4）同步信號(hào)設(shè)計(jì)

????????除了TDD固有的特性之外（上下行轉(zhuǎn)換、特殊時(shí)隙等），TDD幀結(jié)構(gòu)與FDD幀結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于同步信號(hào)的設(shè)計(jì)。LTE 同步信號(hào)的周期是5ms，分為主同步信號(hào)（PSS）和輔同步信號(hào)（SSS）。LTE TDD和FDD幀結(jié)構(gòu)中，同步信號(hào)的位置/相對(duì)位置不同，如圖3所示。在TDD幀結(jié)構(gòu)中，PSS位于DwPTS的第三個(gè)符號(hào)，SSS位于5ms第一個(gè)子幀的最后一個(gè)符號(hào)；在FDD幀結(jié)構(gòu)中，主同步信號(hào)和輔同步信號(hào)位于5ms第一個(gè)子幀內(nèi)前一個(gè)時(shí)隙的最后兩個(gè)符號(hào)。利用主、輔同步信號(hào)相對(duì)位置的不同，終端可以在小區(qū)搜索的初始階段識(shí)別系統(tǒng)是TDD還是FDD。

圖3：FDD和TDD的同步信號(hào)設(shè)計(jì)

（5）HARQ的設(shè)計(jì)

????????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(shè)計(jì)原理與LTE FDD相同，但是實(shí)現(xiàn)過(guò)程卻比LTE FDD復(fù)雜，由于TDD上下行鏈路在時(shí)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(zhǎng)度都有可能不一樣，這樣增加了信令交互的過(guò)程和設(shè)備的復(fù)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(guò)3ms的處理時(shí)間，系統(tǒng)發(fā)送ACK/NACK，UE再經(jīng)過(guò)3ms的處理時(shí)間確認(rèn)，此后，一個(gè)完整的HARQ處理過(guò)程結(jié)束，整個(gè)過(guò)程耗費(fèi)8ms。在LTE TDD系統(tǒng)中，UE發(fā)送數(shù)據(jù)，3ms處理時(shí)間后，系統(tǒng)本來(lái)應(yīng)該發(fā)送ACK/NACK，但是經(jīng)過(guò)3ms處理時(shí)間的時(shí)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(guò)3ms處理時(shí)間確認(rèn)，整個(gè)HARQ處理過(guò)程耗費(fèi)11ms。類(lèi)似的道理，UE如果在第2個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，同樣，系統(tǒng)必須等到DL時(shí)隙時(shí)才能發(fā)送ACK/NACK，此時(shí)，HARQ的一個(gè)處理過(guò)程耗費(fèi)10ms?？梢?jiàn)，LTE TDD系統(tǒng)HARQ的過(guò)程復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)度不固定，發(fā)送ACK/NACK的時(shí)隙也不固定，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度。

圖4：FDD和TDD 的HARQ 設(shè)計(jì)

4、LTE TDD與LTE FDD的比較

????????LTE TDD在幀結(jié)構(gòu)、物理層技術(shù)、無(wú)線資源配置等方面具有自己獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，與LTE FDD相比，具有特有的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足。

4.1、LTE TDD的優(yōu)勢(shì)

（1）頻譜配置

????????頻段資源是無(wú)線通信中最寶貴的資源，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，多媒體業(yè)務(wù)對(duì)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(shí)，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(fèi)。由于LTE TDD系統(tǒng)無(wú)需成對(duì)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(guó)已經(jīng)為T(mén)DD 劃分了155 MHz 的頻段(如圖5所示) ,為L(zhǎng)TE TDD的應(yīng)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(shì)。中國(guó)移動(dòng)可以針對(duì)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。

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圖5：中國(guó)為T(mén)DD劃分的頻段

（2）支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)

????????在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)以及未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中,除了提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)之外，數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)將成為主要內(nèi)容，且上網(wǎng)、文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)通常具有上下行不對(duì)稱特性。LTE TDD系統(tǒng)在支持不對(duì)稱業(yè)務(wù)方面具有一定的靈活性。根據(jù)LTE TDD幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，LTE TDD系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型靈活配置LTE TDD幀的上下行配比。如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)，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(wù)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(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，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(duì)稱業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)上行信道資源存在一定的浪費(fèi), 必須采用高速分組接入(HSPA) 、EV-DO 和廣播/組播等技術(shù)。相對(duì)于LTE FDD系統(tǒng)，LTE TDD系統(tǒng)能夠更好的支持不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)，不會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

（3）智能天線的使用

????????智能天線技術(shù)是未來(lái)無(wú)線技術(shù)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(shí)間較短, 小于信道相干時(shí)間，鏈路無(wú)線傳播環(huán)境差異不大，在使用賦形算法時(shí)，上下行鏈路可以使用相同的權(quán)值。與之不同的是, 由于FDD 系統(tǒng)上下行鏈路信號(hào)傳播的無(wú)線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同, 根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路。因而, LTE TDD系統(tǒng)能有效地降低移動(dòng)終端的處理復(fù)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(gè)LTE FDD無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，就是LTE TDD系統(tǒng)能夠與TD-SCDMA系統(tǒng)共存。對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目前的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)無(wú)法滿足用戶日益增長(zhǎng)的需求，運(yùn)營(yíng)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(jìn)。由于LTE TDD幀結(jié)構(gòu)基于我國(guó)TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)，能夠方便的實(shí)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(zhǔn)，TD-SCDMA有7個(gè)子幀，且特殊時(shí)隙是固定的，TD-LTE通過(guò)調(diào)整特殊時(shí)隙的長(zhǎng)度，就能夠保證兩個(gè)系統(tǒng)的GP時(shí)隙重合（上下行切換點(diǎn)），從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(gè)鏈路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的要求較高，存在一些不足：

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

????????為了補(bǔ)償LTE TDD系統(tǒng)的不足，LTE TDD 系統(tǒng)采用了一些新技術(shù)，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(gè)子幀，節(jié)約信令開(kāi)銷(xiāo)等。

5、結(jié)束語(yǔ)

????????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(diǎn)，能夠滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)帶寬的要求以及頻率分配零散化的趨勢(shì)，在B3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。LTE TDD在頻譜利用、非對(duì)稱業(yè)務(wù)支持、智能天線技術(shù)支持、與TD-SCDMA系統(tǒng)共存等方面，有很大的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的通信系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著LTE TDD技術(shù)研究的深入和國(guó)際市場(chǎng)的推廣，將成為未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中的主流技術(shù)。??????????????????????????????