FDD LTE與TDD LTE技術(shù)的性能對比于區(qū)別

隨著通訊業(yè)的迅猛發(fā)展，4G技術(shù)即LTE 時代呼之欲出,文章基于3GPP R8 LTE協(xié)議，從頻段、性能、關(guān)鍵 技術(shù)、具體實現(xiàn)、工程實施等方面，對FDD LTE 和TDD LTE 系統(tǒng)進(jìn)行簡單的比較分析，供大家了解并參考。

1 、FDD LTE 與TDD LTE 的區(qū)別

FDD LTE 與TDD LTE 的區(qū)別在于雙工方式的不同，以及由此帶來一些系統(tǒng)設(shè)計上的差異。

1.1 雙工方式比較

FDD 與TDD 是兩種截然不同的雙工方式。FDD 采用兩個對稱的頻率信道進(jìn)行發(fā)送和接收，這兩個信道之間存在著一定的頻段保護(hù)間隔。LTE 由于其頻段的多樣化，不同頻段的收發(fā)間隔是不同的。TDD 的發(fā)送和接收信號在同一頻率信道的不同時隙中進(jìn)行，彼此之間采用一定的保護(hù)時間予以分離。它不需要分配對稱頻段的頻率，可以充分利用零散的頻譜資源。TDD 通過調(diào)整上下行時隙配比，可以靈活地支持不對稱業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

TDD 的優(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，調(diào)整上下行時隙配比，能夠很好地支持非對稱業(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)基站和終端都不需要收發(fā)隔離器，只需要一個開關(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，能夠更好地采用傳輸預(yù)處理技術(shù)，如智能天線技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)等，能有效地降低移動終端的處理復(fù)雜度;

(6)TDD 采用Beamforming 天線技術(shù)，所以TDD 的下行業(yè)務(wù)覆蓋先天優(yōu)勢明顯。

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，TDD 方式的發(fā)射時間比FDD 方式少;

(2)TDD 系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，系統(tǒng)間干擾更加復(fù)雜;

(3)上下行時隙轉(zhuǎn)換點的存在使得對時間同步的要求更加嚴(yán)格。目前通常是整個網(wǎng)絡(luò)中使用相同的時隙配比，否則上下行之間會存在同頻干擾。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計比較

PHY 處理、MAC 處理、RRM 處理等方面都有一些共性，但是由于子幀結(jié)構(gòu)的不同，也帶來了些細(xì)微的差別。

LTE 系統(tǒng)在FDD 和TDD 兩種雙工方式下，系統(tǒng)的大部分設(shè)計，尤其是高層協(xié)議方面是一致的。另一方面，在系統(tǒng)底層設(shè)計，尤其是物理層的設(shè)計上，由于FDD 和TDD 兩種雙工方式在物理特性上所固有的不同，LTE 系統(tǒng)為TDD 的工作方式進(jìn)行了一系列專門的設(shè)計，這些設(shè)計在一定程度上參考和繼承了3G TD-SCDMA 的設(shè)計思想。

1.2.1 子幀結(jié)構(gòu)

FDD LTE 是從WCDMA 演進(jìn)而來，TDD LTE 從TDSCDMA演進(jìn)而來，所以LTE 系統(tǒng)在子幀結(jié)構(gòu)上，順從了以前3G 系統(tǒng)的特性。

FDD LTE 采用包含10 個子幀的10ms 無線幀，其中每個子幀又包含2 個時隙，共20 個時隙的結(jié)構(gòu)，見圖1;TDD LTE采用的也是包含10 個子幀的10ms 無線幀的結(jié)構(gòu)，但是為了繼承TD-SCDMA 的特性，在TDD LTE 幀結(jié)構(gòu)中存在1ms 的特殊子幀，該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP 和Up-PTS，其中DwPTS 始終用于下行發(fā)送，UpPTS 始終用于上行發(fā)送，而GP 作為TDD中下行至上行轉(zhuǎn)換的保護(hù)時間間隔，見圖2。對于TDD LTE 幀結(jié)構(gòu)，有兩個周期切換點：

(1)5ms 上下行切換周期：位于兩個半幀中，在這兩個半幀中各有一個特殊子幀來放特殊時隙，它們分別是子幀1 和子幀6;

(2)10ms 上下行切換周期：位于第一個半幀中，在子幀1來放特殊時隙。

其中子幀0 和5 以及DwPTS 總是用于下行發(fā)射，UpPTS和緊鄰其后的子幀總是用于上行發(fā)射。其余的子幀遵循的規(guī)律同F(xiàn)DD。

三個特殊時隙的總長度固定為1 ms，而其各自的長度可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際需要進(jìn)行配置，在技術(shù)規(guī)范中支持如表1 所示的9 種配置選項。

DwPTS 中包含物理下行控制信道和數(shù)據(jù)信道，實現(xiàn)與其它下行子幀相同的下行數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。而UpPTS 不再發(fā)送上行數(shù)據(jù)信道，用于上行Sounding 導(dǎo)頻的發(fā)送，這樣的導(dǎo)頻可以用于上行信道的測量。UpPTS 還可以 用于PRACH format4 的發(fā)送。

表1 TDD LTE 特殊子幀配置

對于FDD LTE，不存在上下行配比的問題，TDD LTE 則要對一個10ms 的無線幀進(jìn)行上下行分配，一些用來傳上行數(shù)據(jù)，一些用來傳下行數(shù)據(jù)。協(xié)議中規(guī)定的上下行配比，如表2所示。

表2 上下行時隙配比

1.2.2 同步信號

由于幀結(jié)構(gòu)的不同，引起了主同步信號(PSS)和輔同步信號(SSS)設(shè)計上的不同。主、輔同步信號的相對位置不同：在FDD中兩個信號連接在一起，而在TDD中兩個信號之間有兩個符號的時間間隔，具體如下：

主同步信號在一個無線幀中有兩個，這兩個是完全相同的，用于小區(qū)搜索時的5ms 幀同步。對于FDD，主同步信號位于時隙0 和時隙10 的最后一個OFDM 符號上。對TDD，主同步信號位于子幀1 和子幀6 的第3 個OFDM 符號上即DwPTS 時隙上。

輔同步信號在一個無線幀中也有兩個，但這兩個略有差別，用于小區(qū)搜索時的10ms 幀同步。對于FDD，輔同步信號位于時隙0 和時隙10 的倒數(shù)第二個OFDM符號上。對TDD，輔同步信號位于時隙1 和時隙11 的倒數(shù)第一個OFDM 符號上。

1.2.3 參考信號

對于下行參考信號，F(xiàn)DD 和TDD LTE都支持cell-specificRS。同時TDD LTE 還針對一種用于Beamforming 天線模式的UE-specific RS。

對于上行參考信號，F(xiàn)DD 和TDD LTE 都支持DMRS 和SRS。FDD 中SRS 是在數(shù)據(jù)子幀上傳輸?shù)?TDD 中SRS 是在特殊子幀中的UpPTS 上傳輸?shù)摹?/p>

1.2.4 RACH

RACH 的作用有二：(1)探測UE 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入請求;(2)進(jìn)行定時提前量的估計。

FDD RACH 信號在時域上占據(jù)1 ～ 3 個子幀，由CP +PreambleSequence + GT 構(gòu)成。TDD RACH 信號除與FDD 相同的子幀外，還可以在其特殊子幀的UpPTS 上發(fā)射和接收。長RACH 信號在頻域占據(jù)6 個RB 大小的資源 ，其位置由高層配置。短RACH 信號在頻域占據(jù)6~36 個RB 資源塊。一個RB 由12 個數(shù)據(jù)子載波(15KHz) 組成，一個數(shù)據(jù)子載波由12 個RACH 子載波(1.25KHz)構(gòu)成;TDD 支持的format 4 的RACH 子載波間距為15KHz。

采用短RACH 的原因也是與TDD 關(guān)于特殊時隙的設(shè)計相關(guān)的，短RACH 在特殊時隙的最后部分(即UpPTS)進(jìn)行發(fā)送，利用這一部分的資源完成上行隨機(jī)接入的操作，避免占用正常子幀的資源。采用短RACH 時，需要注意的一個主要問題是其鏈路預(yù)算所能夠支持的覆蓋半徑，由于其時間長度小于其它格式的RACH 序列，因此其鏈路預(yù)算比其他格式的要低，相應(yīng)的適用于覆蓋半徑較小的場景。

允許同一時間上存在多個隨機(jī)接入信道(頻分)是TDD上下行時分的結(jié)構(gòu)形成的又一設(shè)計結(jié)果。在LTE FDD 的設(shè)計中，同一時刻只允許一個隨機(jī)接入信道的存在，即僅在時間域上改變隨機(jī)接入信道的數(shù)量。而在TDD 中，時間資源已經(jīng)在上下行進(jìn)行了分配，同時由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子幀數(shù)目很少的情況(如DL:UL=9:1)，因此在TDD中需要支持頻分的隨機(jī)接入信道，即在同一時間位置上采用不同頻率的區(qū)分提供多個隨機(jī)接入信道，以為系統(tǒng)提供足夠的隨機(jī)接入的容量。

1.2.5 PCFICH

PCFICH 攜帶的是PDCCH 所占的OFDM 符號數(shù)信息，eNodeB 通過PCFICH 將一個子幀中PDCCH 占用的OFDM符號數(shù)通知給UE，這個OFDM 符號數(shù)由CFI 來指示。每個子幀中都發(fā)射PCFICH。

TDD LTE存在特殊子幀，當(dāng)在特殊子幀傳輸下行數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的PDCCH 最大占用的OFDM 符號數(shù)會小一些。如表3所示，TDD除了子幀1 和6 的所提供的PDCCH占用的OFDM符號數(shù)不同外，其他子幀情況同F(xiàn)DD LTE。

表3 PDCCH 所占OFDM 符號數(shù)

1.2.6 PHICH

PHICH 承載eNodeB 對上行發(fā)射信號做出的NAK/ACK響應(yīng)信息。在一個子幀中，PHICH 持續(xù)時間主要有兩種，一是短PHICH，另一種是長PHICH。這個持續(xù)時間在PBCH 中利用1bit 來指示。在下行的每個子幀中，都需要發(fā)射PHICH，而且可以同時發(fā)射多個PHICH 組。

對于FDD，PHICH 組的數(shù)量在所有子幀中是固定的。對于TDD，PHICH 組的數(shù)量在下行子幀間是可變的，在不同的上下行時隙配比下有所不同，如表4 所示。

表4 TDD 的PHICH 組的數(shù)量

1.2.7 HARQ

在FDD 和TDD 情況下，數(shù)據(jù)與ACK/NAK 反饋之間具有不同的時間對應(yīng)關(guān)系(即HARQ Timing)。

對于FDD，下行HARQ 進(jìn)程數(shù)最大為8。對于TDD，下行HARQ 進(jìn)程數(shù)由上下行時隙配比確定，如表5 所示。

表5 TDD 的下行HARQ 進(jìn)程數(shù)

對于TDD，上行HARQ 進(jìn)程數(shù)由上下行時隙配比和子幀類型決定，如表6 所示。

表6 TDD 的上行HARQ 進(jìn)程數(shù)

1.2.8 多天線技術(shù)

LTE 支持7 種天線發(fā)射模式。

Mode-1: Single Antenna port (Port 0);

Mode-2: Transmit diversity (Port 0, 1, 2, 3);

Mode-3: Open-loop spatial multiplexing (Port 0, 1, 2, 3);

Mode-4: Closed-loop spatial multiplexing (Port 0, 1, 2, 3);

Mode-5: Multi-user MIMO (Port 4);

Mode-6: Closed-loop Rank =1 precoding (Port 0, 1, 2, 3);

Mode-7: Single Antenna port (Port 5)。

FDD LTE 支持Mode-1 ～Mode-6，TDD LTE 支持Mode-1～ Mode-7，其中的Mode-7 是Beamforming 模式，針對TDDLTE 的。在TDD LTE R9 對模式7 進(jìn)行了增強，引入雙流Beamforming，稱為Mode-8。

1.3 天線性能比較

1.3.1 理論峰值速率比較

表7 下行理論峰值速率比較(20MHz)

注 意：配置5的上下行配比是1:8，配置0的上下行配比是6:2。

在3GPP TS25.913 中規(guī)定，對于FDD LTE 其下行瞬時峰值速率要達(dá)到100Mbps，上行要達(dá)到50Mbps。但是對于上下行帶寬共享的情況，則無此要求。由于TDD 是上下行共用帶寬，所以通過瞬時峰值速率來比較FDD 與TDD 的性能是不合理的。通常采用一種折中的辦法，用頻譜效率來評估性能。

在TS25.913 以及NGMN 的需求中規(guī)定：在20MHz 帶寬下，天線配置為下行2×2MIMO的情況下，下行頻譜效率要達(dá)到5bps/Hz, 上行1×2 SIMO 的情況下，上行頻譜效率要達(dá)到2.5bps/Hz。表7，表8 是在20MHz 帶寬下給出的結(jié)果，從中可以看出，TDD 和FDD 都能滿足需求。而且TDD 和FDD 的峰值頻譜效率接近。

1.3.2 系統(tǒng)仿真的吞吐率和頻譜效率比較

表9 為在低速移動場景下，系統(tǒng)帶寬為10MHz ，天線配置為2×2 閉環(huán)預(yù)編碼MIMO 的情況下給出的評估結(jié)果。表10為在低速移動場景下，系統(tǒng)帶寬為10MHz，采用1 發(fā)2 收接收分集的情況下給出的評估結(jié)果。

從吞吐率來看，TDD 由于發(fā)射時間少于FDD，所以其吞吐率明顯小于FDD;從頻譜效率來看，TDD 和FDD 還是比較接近的。

表9 下行吞吐率及頻譜效率

1.3.3 天線選擇

TDD LTE 最大支持8 天線，除了FDD LTE 支持的多天線技術(shù)，下行還支持8x BF，4x BF，上行還支持8 天線接收分集，雙流BF 將在R9 中考慮。通常采用8 通道板狀天線。

FDD LTE 最大支持4 天線，最大支持下行4*4 MIMO 和上行2*4 MIMO，通常采用雙化天線。

TDD主打的BF技術(shù)要求安裝時空間隔離度低，所以TDD適合采用多通道板狀天線。FDD 主打的空分復(fù)用和發(fā)射分集技術(shù)要求安裝時空間隔離度較高，但對通道數(shù)要求并不像TDD那么多，所以FDD 可以采用雙極化天線。

1.3.4 組網(wǎng)方式

TDD LTE 和FDD LTE 都支持同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)。同頻組網(wǎng)和當(dāng)前UMTS 的同頻組網(wǎng)相似，頻率復(fù)用系數(shù)為1。所有的小區(qū)使用的頻率相同。

目前TDD和FDD的小區(qū)間同頻干擾抑制支持靜態(tài)ICIC，半靜態(tài)ICIC 和動態(tài)ICIC 三種。ICIC 基于分?jǐn)?shù)頻率復(fù)用技術(shù)，其目標(biāo)是相鄰小區(qū)的邊緣區(qū)域使用的頻率不同，而小區(qū)中心區(qū)域使用的頻率可以相同。

異頻組網(wǎng)和當(dāng)前GSM的異頻組網(wǎng)相似，只是LTE的異頻組網(wǎng)復(fù)用系數(shù)為3。相鄰的三個小區(qū)使用的頻率不同。

2 、結(jié)語

綜上分析可以看出，TDD LTE 和FDD LTE 由于雙工方式的不同存在一些系統(tǒng)設(shè)計上的差別，使得RRU只能分開設(shè)計，但得益于SDR 平臺的特性使得BBU 可以共 平臺開發(fā)。

從頻段劃分上看，TDD LTE 與FDD LTE 是一種互補而非競爭的關(guān)系。只要滿足標(biāo)準(zhǔn)對兩者的系統(tǒng)間干擾的規(guī)定，兩者共同組網(wǎng)是可行的。

從技術(shù)上看，TDD的優(yōu)勢在于：(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，調(diào)整上下行時隙配比，能夠很好地支持非對稱業(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)基站和終端都不需要收發(fā)隔離器，只需要一個開關(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，能夠更好地采用傳輸預(yù)處理技術(shù)，如智能天線技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)等，能有效地降低移動終端的處理復(fù)雜度。(6)TDD 采用Beamforming 天線技術(shù)，所以TDD 的下行業(yè)務(wù)覆蓋先天優(yōu)勢明顯。

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，TDD 方式的發(fā)射時間比FDD 方式少。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)射頻率帶寬。(2)TDD 系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，系統(tǒng)間干擾更加復(fù)雜。(3)上下行時隙轉(zhuǎn)換點的存在使得對時間同步的要求更加嚴(yán)格，常是整個網(wǎng)絡(luò)中使用相同的時隙配比，否則上下行之間會存在同頻干擾。

責(zé)任編輯：gt