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LTE TDD 与FDD区别


LTE TDD 与 LTE FDD 技术简介和比较
摘要: 摘要:UTRA 的长期演进(Long Term Evolution ,LTE) 技术存在 LTE FDD 和 LTE TDD 两大 阵营,本文在比较分析 TDD 和 FDD 技术特点的基础上,对 LTE TDD(即 TD-LTE)的特有 技术进行了总结,并结合中国移动现有的网络部署和 TDD 频段资源情况,对

LTE TDD 和 LTE FDD 的应用前景进行了初步分析。 1、引言 、 随着移动通信技术的蓬勃发展, 无线通信系统呈现出移动化、 宽带化和 IP 化的趋势, 移动通信市场的竞争也日趋激烈。为应对来自 WiMAX ,Wi-Fi 等传统和新兴无线宽带接入 技术的挑战, 提高 3G 在宽带无线接入市场的竞争力, 3GPP 开展 UTRA 长期演进(Long Term Evolution ,LTE) 技术的研究,以实现 3G 技术向 B3G 和 4G 的平滑过渡。LTE 的改进目标 是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本,更高的系统容量以及改进的覆盖范围。 LTE 系统同时定义了频分双工(Frequency Division Duplexing, FDD) 和时分双工 (Time Division Duplexing, TDD) 两种方式,但由于无线技术的差异、使用频段的不同以及 各个厂家的利益等因素,LTE FDD 支持阵营更加强大,标准化与产业发展都领先于 LTE TDD。2007 年 11 月,3GPP RAN1 会议通过了 27 家公司联署的 LTE TDD 融合帧结构 的建议,统一了 LTE TDD 的两种帧结构。融合后的 LTE TDD 帧结构是以 TD-SCDMA 的帧 结构为基础的,这就为 TD-SCDMA 成功演进到 LTE 乃至 4G 标准奠定了基础。 TDD 帧结构的融合使更多的厂商参与到 TDD 的标准化进程中, LTE TDD 技术受到了 广泛的重视,其产业化进程也有了显著的发展。本文在比较分析 TDD 和 FDD 技术特点的基 础上,总结了 TD-LTE 系统的特有技术,并结合中国移动现有的网络部署和 TDD 频段资源 情况,对 LTE TDD 和 LTE FDD 的应用前景进行了分析。 2、FDD 与 TDD 工作原理 、 频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 是两种不同的双工方式。如图 1 所示,FDD 是在 分离的两个对称频率信道上进行接收和发送,用保护频段来分离接收和发送信道。FDD 必 须采用成对的频率,依靠频率来区分上下行链路,其单方向的资源在时间上是连续的。FDD 在支持对称业务时,能充分利用上下行的频谱,但在支持非对称业务时,频谱利用率将大大 降低。 TDD 用时间来分离接收和发送信道。在 TDD 方式的移动通信系统中, 接收和发送使 用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载, 其单方向的资源在时间上是不连续的, 时间资 源在两个方向上进行了分配。 某个时间段由基站发送信号给移动台, 另外的时间由移动台发 送信号给基站,基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。
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图 1:FDD 和 TDD 的工作原理 :

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TDD 双工方式的工作特点使 TDD 具有如下优势: (1)能够灵活配置频率,使用 FDD 系统不易使用的零散频段; (2)可以通过调整上下行时隙转换点,提高下行时隙比例,能够很好的支持非对称业务; (3)具有上下行信道一致性,基站的接收和发送可以共用部分射频单元,降低了设备成本; (4)接收上下行数据时,不需要收发隔离器,只需要一个开关即可,降低了设备的复杂度; (5)具有上下行信道互惠性,能够更好的采用传输预处理技术,如预 RAKE 技术、联合传 输(JT)技术、智能天线技术等, 能有效地降低移动终端的处理复杂性。 但是,TDD 双工方式相较于 FDD,也存在明显的不足: (1)由于 TDD 方式的时间资源分别分给了上行和下行,因此 TDD 方式的发射时间大约只 有 FDD 的一半,如果 TDD 要发送和 FDD 同样多的数据,就要增大 TDD 的发送功率; (2)TDD 系统上行受限,因此 TDD 基站的覆盖范围明显小于 FDD 基站; (3)TDD 系统收发信道同频,无法进行干扰隔离,系统内和系统间存在干扰; (4)为了避免与其他无线系统之间的干扰,TDD 需要预留较大的保护带,影响了整体频谱 利用效率。 3、TD-LTE 系统特有技术 、 LTE 系统同时定义了频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 两种双工方式,并分别设计 了 FDD 和 TDD 的帧结构[1]。FDD 模式下,10ms 的无线帧被分为 10 个子帧,每个子帧包含 两个时隙,每时隙长 0.5ms。TDD 模式下,每个 10ms 无线帧包括 2 个长度为 5ms 的半帧, 每个半帧由 4 个数据子帧和 1 个特殊子帧组成,如图 2 所示。特殊子帧包括 3 个特殊时隙: DwPTS,GP 和 UpPTS,总长度为 1ms。DwPTS 和 UpPTS 的长度可配置,DwPTS 的长度为 3~12 个 OFDM 符号,UpPTS 的长度为 1~2 个 OFDM 符号,相应的 GP 长度为 1~10 个 OFDM 符号。 LTE 支持 5ms 和 10ms 上下行切换点。对于 5ms 上下行切换周期,子帧 2 和 7 总是 用作上行。对于 10ms 上下行切换周期,每个半帧都有 DwPTS;只在第 1 个半帧内有 GP 和 UpPTS,第 2 个半帧的 DwPTS 长度为 1ms。UpPTS 和子帧 2 用作上行,子帧 7 和 9 用 作下行。
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图 2:LTE TDD 帧结构 : 由于 TDD 帧结构与 FDD 帧结构不同,TD-LTE 系统具有一些特有技术。 (1)上下行配比 LTE TDD 中支持不同的上下行时间配比,上下行时间比不总是“1:1”(见表 1),可
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以根据不同的业务类型,调整上下行时间配比,以满足上下行非对称的业务需求。 表 1:不同帧周期的上下行配比 :

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(2)特殊时隙的应用 为了节省网络开销, TD-LTE 允许利用特殊时隙 DwPTS 和 UpPTS 传输系统控制信息。 LTE FDD 中用普通数据子帧传输上行 sounding 导频,而 TDD 系统中,上行 sounding 导频 可以在 UpPTS 上发送。另外,DwPTS 也可用于传输 PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH 和 P-SCH 等控制信道和控制信息。其中,DwPTS 时隙中下行控制信道的最大长度为两个符号, 且主同步信道固定位于 DwPTS 的第三个符号。 (3)多子帧调度/反馈 和 FDD 不同,TDD 系统不总是存在 1:1 的上下行比例。当下行多于上行时,存在一 个上行子帧反馈多个下行子帧,TD-LTE 提出的解决方案有:multi-ACK/NAK,ACK/NAK 捆 绑(bundling)等。当上行子帧多于下行子帧时,存在一个下行子帧调度多个上行子帧(多 子帧调度)的情况。 (4)同步信号设计 除了 TDD 固有的特性之外(上下行转换、特殊时隙等),TDD 帧结构与 FDD 帧结构 的主要区别在于同步信号的设计。LTE 同步信号的周期是 5ms,分为主同步信号(PSS)和 辅同步信号(SSS)。LTE TDD 和 FDD 帧结构中,同步信号的位置/相对位置不同,如图 3 所示。在 TDD 帧结构中,PSS 位于 DwPTS 的第三个符号,SSS 位于 5ms 第一个子帧的最 后一个符号;在 FDD 帧结构中,主同步信号和辅同步信号位于 5ms 第一个子帧内前一个时 隙的最后两个符号。利用主、辅同步信号相对位置的不同,终端可以在小区搜索的初始阶段 识别系统是 TDD 还是 FDD。
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图 3:FDD 和 TDD 的同步信号设计 : (5)HARQ 的设计 LTE FDD 系统中,HARQ 的 RTT(Round Trip Time)固定为 8ms,且 ACK/NACK 位 置固定,如图 4 所示。TD-LTE 系统中 HARQ 的设计原理与 LTE FDD 相同,但是实现过程 却比 LTE FDD 复杂,由于 TDD 上下行链路在时间上是不连续的,UE 发送 ACK/NACK 的位 置不固定,而且同一种上下行配置的 HARQ 的 RTT 长度都有可能不一样,这样增加了信令 交互的过程和设备的复杂度。 如图 4 所示,LTE FDD 系统中,UE 发送数据后,经过 3ms 的处理时间,系统发送 ACK/NACK,UE 再经过 3ms 的处理时间确认,此后,一个完整的 HARQ 处理过程结束,整

个过程耗费 8ms。在 LTE TDD 系统中,UE 发送数据,3ms 处理时间后,系统本来应该发 送 ACK/NACK,但是经过 3ms 处理时间的时隙为上行,必须等到下行才能发送 ACK/NACK。 系统发送 ACK/NACK 后,UE 再经过 3ms 处理时间确认,整个 HARQ 处理过程耗费 11ms。 类似的道理,UE 如果在第 2 个时隙发送数据,同样,系统必须等到 DL 时隙时才能发送 ACK/NACK,此时,HARQ 的一个处理过程耗费 10ms。可见,LTE TDD 系统 HARQ 的过程 复杂,处理时间长度不固定,发送 ACK/NACK 的时隙也不固定,给系统的设计增加了难度。
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图 4:FDD 和 TDD 的 HARQ 设计 : 4、LTE TDD 与 LTE FDD 的比较 、 LTE TDD 在帧结构、物理层技术、无线资源配置等方面具有自己独特的技术特点, 与 LTE FDD 相比,具有特有的优势,但也存在一些不足。 4.1、LTE TDD 的优势 、 (1)频谱配置 频段资源是无线通信中最宝贵的资源,随着移动通信的发展,多媒体业务对于频谱的 需求日益增加。现有的通信系统 GSM900 和 GSM1800 均采用 FDD 双工方式,FDD 双工方 式占用了大量的频段资源,同时,一些零散频谱资源由于 FDD 不能使用而闲置,造成了频 谱浪费。由于 LTE TDD 系统无需成对的频率, 可以方便的配置在 LTE FDD 系统所不易使 用的零散频段上, 具有一定的频谱灵活性,能有效的提高频谱利用率。 另外,中国已经为 TDD 划分了 155 MHz 的频段(如图 5 所示) ,为 LTE TDD 的应用 创造了条件。因此,在频段资源方面,LTE TDD 系统和 LTE FDD 系统具有更大的优势。中 国移动可以针对不同的频段资源, 分别部署 LTE TDD 系统和 LTE FDD 系统, 充分利用频谱 资源。
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图 5:中国为 TDD 划分的频段 : (2)支持非对称业务 在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中,除了提供语音业务之外,数据和 多媒体业务将成为主要内容,且上网、文件传输和多媒体业务通常具有上下行不对称特性。 LTE TDD 系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。根据 LTETDD 帧结构的特点,

LTE TDD 系统可以根据业务类型灵活配置 LTE TDD 帧的上下行配比。如浏览网页、视频点 播等业务,下行数据量明显大于上行数据量,系统可以根据业务量的分析,配置下行帧多于 上行帧情况,如 6DL:3UL ,7DL:2UL,8DL:1UL,3DL:1UL 等。而在提供传统的语音业务 时,系统可以配置下行帧等于上行帧,如 2DL:2UL。 在 LTE FDD 系统中, 非对称业务的实现对上行信道资源存在一定的浪费, 必须采用 高速分组接入(HSPA) 、EV-DO 和广播/组播等技术。相对于 LTE FDD 系统,LTE TDD 系 统能够更好的支持不同类型的业务,不会造成资源的浪费。 (3)智能天线的使用 智能天线技术是未来无线技术的发展方向,它能降低多址干扰,增加系统的吞吐量。 在 LTE TDD 系统中, 上下行链路使用相同频率, 且间隔时间较短, 小于信道相干时间, 链路 无线传播环境差异不大,在使用赋形算法时,上下行链路可以使用相同的权值。与之不同的 是, 由于 FDD 系统上下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不同, 根据上行 链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。 因而, LTE TDD 系统能有效地降低移动终端 的处理复杂性。 另外,在 LTE TDD 系统中,由于上下行信道一致, 基站的接收和发送可以共用部分 射频单元, 从而在一定程度上降低了基站的制造成本。 (4)与 TD-SCDMA 的共存 LTE TDD 系统还有一个 LTE FDD 无法比拟的优势,就是 LTE TDD 系统能够与 TD-SCDMA 系统共存。对现有通信系统来说,目前的数据传输速率已经无法满足用户日益 增长的需求, 运营商必须提前规划现有通信系统向 B3G/4G 系统的平滑演进。 由于 LTE TDD 帧结构基于我国 TD-SCDMA 的帧结构,能够方便的实现 TD-LTE 系统与 TD-SCDMA 系统的 共存和融合。如图 6 所示,以 5ms 的子帧为基准,TD-SCDMA 有 7 个子帧,且特殊时隙是 固定的,TD-LTE 通过调整特殊时隙的长度,就能够保证两个系统的 GP 时隙重合(上下行 切换点),从而实现两个系统的融合。
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图 6:TD-SCDMA 与 TD-LTE 融合 : 4.1、LTE TDD 的不足 、 由于 LTE TDD 在同一帧中传输上下行两个链路,系统设计更加复杂,对设备的要求 较高,存在一些不足: (1)由于保护间隔的使用降低了频谱利用率,特别是提供广覆盖的时候,使用长 CP,对频 谱资源造成了浪费。 (2)使用 HARQ 技术时,LTE TDD 使用的控制信令比 LTE FDD 更复杂,且平均 RTT 稍长
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于 LTE FDD 的 8ms。 (3)由于上下行信道占用同一频段的不同时隙,为了保证上下行帧的准确接收,系统对终 端和基站的同步要求很高。 为了补偿 LTE TDD 系统的不足,LTE TDD 系统采用了一些新技术,如:TDD 支持 在微小区使用更短的 PRACH,以提高频谱利用率;采用 multi-ACK/NACK 的方式,反馈多个 子帧,节约信令开销等。 5、结束语 、 TDD 双工方式具有频谱配置灵活,频谱利用率高,上下行信道互惠性等特点,能够 满足下一代移动通信系统对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势, B3G/4G 移动通信系 在 统中具有较强的优势。LTE TDD 在频谱利用、非对称业务支持、智能天线技术支持、与 TD-SCDMA 系统共存等方面,有很大的优势,在未来的通信系统中具有很强的竞争力。随 着 LTE TDD 技术研究的深入和国际市场的推广,将成为未来无线通信系统中的主流技术。
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