1、LTE TDD與LTE FDD技術簡介和比較 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。在這兩種雙工方式下，系統的大部分設計，尤其是高層協議方面是一致的。另一方面，在系統底層設計，尤其是物理層的設計上，由于FDD和TDD兩種雙工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系統為TDD的工作方式進行了一系列專門的設計，這些設計在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設計思想。本文在比較分析TDD和FDD技術特點和幀結構的基礎上，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

2、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。關鍵詞 LTE TDD LTE FDD LET 幀結構 頻段第一章 緒論是定義的下一個移動寬帶。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

3、量以及改進的覆蓋范圍。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。第二章 FDD與TDD工作原理2.1原理概述頻分雙工(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

4、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2.1：FDD和TDD的工作原理2.2優缺點比較1、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

5、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。2、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

6、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。ITU要求TDD系統移動速度達到120km/h，要求FDD系統移動速度達到500km/h。FDD是連續控制的系統，TDD是時間分隔控制的系統。在高速移動時，多普勒效應會導致快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深。在目前芯片處理速度和算法的基礎上，當數據率為144kb/s時，TDD的最大移動速度可達250km/h，與FDD系統相比，還有一定差距。3、根據FDD、TDD模式

7、以上不同的特點，在3G移動網絡中，它們各自有著不同的適用范圍： （1）采用FDD系統多是連續控制，適應于大區制的國家和國際間覆蓋漫游，適合于對稱業務（如話音、交互式適時數據等）。 （2）采用TDD系統多是時間分隔控制，適用于城市及近郊等高密度地區的局部覆蓋和對稱及不對稱數據業務。特別是它的不對稱傳輸數據的功能，尤為適合接入基于IP的各種數據業務。因為，在Internet的數據傳輸過程中，往往要求下行速率遠大于上行速率。在4G網絡時代，視頻流媒體、交互Web等下行流占據絕對優勢，也因此人們對TDD在4G的應用充滿了期待，TDD受到了下一代無線系統WiMAX和IEEE 802.20的關注。 然而在

8、目前，TDD模式在運營中還面臨一系列技術問題，如交叉時隙干擾、操作干擾、轉接時延以及發送信道狀態信息超時，所以使用單一模式的TDD還是不現實的。 TDD和FDD在技術特點上各有各的優勢，中國是世界第一移動大國，頻譜資源日益短缺是移動網絡建設迫切需要解決的第一問題。對頻譜資源，每一個人都會明白：FDD頻譜資源緊張，TDD頻譜資源豐富。在這一點上，TDD的優勢更明顯一些，所以在中國，從TDSCDMA 3G到4G的各個階段，都將更傾向于使用TDD技術。第三章TD-LTE系統特有技術3.1、幀結構 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

9、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312個OFDM符號，UpPTS的長度為12個OFDM符號，相應的GP長度為110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

10、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。如圖3.1的無線幀結構圖所示，在LTE中TDD與FDD幀結構最顯著的區別在于：在TDDType2幀結構中存在1ms的特殊子幀（Subframe），該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP和UpPTS，其含義和功能與TD-SCDMA系統相類似，其中DwPTS始終用于下行發送，UpPTS始終用于上行發送，而GP作為TDD中下行至上行轉換的保護時間間隔。圖3.1：LTE TDD幀結構由于TDD幀結構與FDD幀結構不同，所以TD-LTE系統具有一些特有技術。3.2、多子幀調度/反饋和FDD不同，TD

11、D系統不總是存在1:1的上下行比例（見表3.1），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。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。表3.1：不同幀周期的上下行配比3.3、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。DwPTS中包含物理下行控制信道和數據信道，實現與其它下行子幀相同的下行數據發送的功能。而UpPTS不再

12、發送上行數據，決定將UpPTS的上行符號用于上行Sounding導頻的發送，這樣的導頻可以用于上行信道的測量，在TDD的模式下由于上下行信道的對稱性，還可以相應的獲得關于下行信道的信息。 從圖3.2中可以看到，三個特殊時隙的總長度固定為1ms，而其各自的長度可以根據網絡的實際需要進行配置（例如，不同的小區覆蓋半徑），在技術規范中支持如表2.1所示的9種配置選項。從表3.2中可以看出UpPTS的長度為12個符號；DwPTS的長度為312個符號；相應的GP長度為110個符號，時間長度為70700s，對應的支持1100km的小區覆蓋半徑。圖3.2Type2TDD特殊時隙的設計 表3.2支持的9種配置

13、選項DwPTS中包含物理下行控制信道和數據信道，實現與其它下行子幀相同的下行數據發送的功能。而UpPTS不再發送上行數據，決定將UpPTS的上行符號用于上行Sounding導頻的發送，這樣的導頻可以用于上行信道的測量，在TDD的模式下由于上下行信道的對稱性，還可以相應的獲得關于下行信道的信息。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

14、位于DwPTS的第三個符號。3.4、同步信號設計同步信道是另一項體現不同雙工方式的設計。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中用于小區搜索的同步信道包括“主同步信號”（PSS）和“輔同步信號”（SSS）,周期是5ms。如圖（圖3.3）是LTE同步信號的位置結構，在兩種幀結構中，同步信號具有不同的位置：在FDDType1中兩個同步信號連接在一起，位于子幀0和5的中間位置；而TDDType2中，輔同步信號位于子幀0的末尾，主同步信號位于特殊子幀，即DwPTS的第三個符號。 圖3.3LTE下行同步信號這樣，在兩種幀結構中，

15、同步信號在無線幀中的絕對位置不相同，更為重要的是，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。由于同步信號是終端進行小區搜索時最先檢測的信號，這樣不同的相對位置的設計使得終端在接入網絡的最開始階段就可以檢測出網絡的雙工方式，即FDD或者TDD。3.5HARQ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3.4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

16、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3.4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

17、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3.4：FDD和TDD 的HARQ 設計3.6 上下行的時間分配前面內容，我們描述了LTE中與TDD特殊時隙相關的，針對TDD進行的設計。而在特殊時隙之外，TDD還有另外一個顯著區別于FDD的物理特征，即FDD依靠頻率區分上下行，因此其單方向的資源在時間上是連續的；而TDD依靠時間來區分上下行，所以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

18、分配。 圖3.5是LTETDD中支持的7種不同的上、下行時間配比，從將大部分資源分配給下行的“9:1”到上行占用資源較多的“2:3”，在實際使用時，網絡可以根據業務量的特性靈活的選擇配置。這樣，在資源組成上TDD與FDD所固有的不同，成為了LTE中另一部分為TDD所進行的專門設計的原因。這一部分設計主要包括“物理層HARQ的相關機制”，以及“采用頻分的隨機接入信道”。 圖3.5LTETDD上下行配比3.7 頻分的隨機接入信道 允許同一時間上存在多個隨機接入信道（頻分）是TDD上下行時分的結構形成的又一設計結果。在LTEFDD的設計中，同一時刻只允許一個隨機接入信道的存在，即僅在時間域上改變隨機

19、接入信道的數量。而在TDD中，時間資源已經在上下行進行了分配，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接入信道，即在同一時間位置上采用不同頻率的區分提供多個隨機接入信道，以為系統提供足夠的隨機接入的容量。為了能在兩種雙工方式下都實現最優化的系統性能，同時成為有競爭力的FDD和TDD系統，LTE在系統設計中，根據TDD固有的物理特性對LTETDD系統，尤其是物理層進行了一系列專門的設計，包括幀結構、特殊時隙、同步信道、上下行時間的分配、HARQ機制以及隨機接入信道的頻分等。這些設計在一定程度上參考和繼承了3GTD-S

20、CDMA的設計思想。通過這些設計，有效地保證了LTE在TDD模式下實現合理、高效的運行。38、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。第四章 LTE TDD的優勢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

21、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系統比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。 圖4.1：中國為TDD劃分的頻段（2）支持非對稱業務

22、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

23、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。

24、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4.2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4.2：TD-SCDMA與TD-LTE融合4.2、LTE TDD的不足由于LTE TDD在同一幀