淺談無線移動通信LTE TDD與LTE FDD技術(shù)簡介和比較

李偉

【摘要】 UTRA的長期演進(jìn)（Long Term Evolution，ITE）技術(shù)存在LTE FDD和LTE TDD兩大陣營，在比較分析TDD和FDD技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對LTE TDD（即TD LTE）的進(jìn)行了總結(jié)，并對LTE TDD和LTE FDD的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步分析。

【關(guān)鍵詞】 頻分雙工 LTE（FDD LTE） 時分雙工LTE（TDD LTE）

上世紀(jì)九十年代以來，隨著通信技術(shù)的的飛速發(fā)展，移動通信技術(shù)的發(fā)展也日新月異，寬帶化、移動化、IP 化是無線通信系統(tǒng)未來的趨勢。目前，無線移動通信市場有 WiMAX、WiFi、新興無線寬帶接入技術(shù)等展開激烈的競爭，3G 也必須在寬帶無線中發(fā)展新的技術(shù)，才能滿足市場需要和提高競爭力。3GPP 早已開始對 UTRA 長期演進(jìn)（又稱 Long Term Evolution，以下簡稱 LTE）技術(shù)進(jìn)行研究，把 3G技術(shù)過渡到4G與B3G，研究目的是為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，減少時延、降低成本、擴(kuò)展兼容性和覆蓋范圍。LTE 系 統(tǒng) 有 FDD（ 稱 為 頻 分 雙 工，F(xiàn)requency Division Duplexing）、TDD（稱為時分雙工，Time Division Duplexing）兩種方式，兩種無線技術(shù)有一定的差異。

一、LTE的基本原理

LTE 使用子信道方式，每 12 個連續(xù)的子載波段分成一組，開用一個最小單元（Resource Block，以下簡稱 RB），它同時針對不同的寬帶有不同的子載波數(shù)，也對應(yīng)不同的 RB。LTE 的通信系統(tǒng)采用 OFDM 方式，即 DFT-S-OFDM 方式，也稱單載波 OFDM 方式，這是基于 OFDM 基礎(chǔ)上的進(jìn)化技術(shù)，它不對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接調(diào)制，而是先進(jìn)行 DFT，將每個正在使用的子載波DFT 由時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后再將頻域信號輸入到 IFFT 模塊，最后將信號插入循環(huán)前級后又一起被轉(zhuǎn)換到時域再進(jìn)行發(fā)送。

與傳統(tǒng)的OFDM 技術(shù)相比，這種模式的 PAPR 大幅降度。傳統(tǒng)的 OFDM 技術(shù)在頻域上的包絡(luò)比較平，而單載波 OFDM 技術(shù)在頻域上是包絡(luò)性的，雖然它很像單載波，但實(shí)際上它擁有所有多載波的特性。LTE 的的功能，在 LTE-FDD 與 LTE-TDD 中得到體現(xiàn)。

二、TDD 與 FDD 的工作原理

TDD 與 FDD 雙工的方式不同，TDD 以時間來分離接收與發(fā)送信道，當(dāng)移動通信以 TDD 的方式進(jìn)行時，接受和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙來當(dāng)信道的承載，單方向的資源在時間上不連續(xù)，時間資源在兩個方向上進(jìn)行了分配，一個時間段內(nèi)基站發(fā)送信號給移動臺，另一個時間段內(nèi)移動臺發(fā)送信號給基站，基站與移動臺要順利工作必須協(xié)同一致。FDD 是分離的兩個對稱頻率信道上進(jìn)行收發(fā)，用保護(hù)頻段來分離接收與發(fā)送的信道，F(xiàn)DD 必須采用成對的頻率，依靠頻率上行、下行兩個鏈路，因此在單方向上的資源時間上是連續(xù)的，F(xiàn)DD 在做對稱的業(yè)務(wù)時，能使上行下行兩條鏈路的資源都能充份利用，而在做不對稱業(yè)務(wù)時，頻譜利用率則會大幅度降低。

三、幀結(jié)構(gòu)比較

3.1 FDD 幀結(jié)構(gòu)

FDD 技術(shù)的幀結(jié)構(gòu)同時支持全雙工與半雙工，支持半雙工主要是為了 PTT 之類的結(jié)構(gòu)而節(jié)省 UE 成本，并使高質(zhì)量信號的要求得到滿足。LTE-FDD 每個無線幀性能如下：

每個無線幀長度包含 20 個時隙，每個連續(xù)時隙 2i 及 2i+1 構(gòu)成一個子幀，它能在 10ms 的間隙中 10 個子幀作上行傳輸，10 個子幀作下行傳輸。

3.2 TDD 幀結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在提到的 LTE TDD 幀結(jié)構(gòu)不是基于 TD SCDMA 特性的幀頻，而是在 2007 年會議之后，提出的接近于 FDD 類似結(jié)構(gòu)的幀。TDD 的無線幀長度是 Tf=307200×Ts=10ms，與 FDD 相同，同時它分為 2 個半幀頻，每個長度為 5ms，每個半幀又包含 5 個子幀，每個長度 1ms，TDD 模式的上下行使用要分開來，它共有 7 種組合。標(biāo)示“U”預(yù)留給上行傳輸，標(biāo)示“D”表明預(yù)留給下行傳輸，標(biāo)示“S”表明是特殊的子幀。ITU規(guī)定 LTE 除了新劃分的頻段可以使用，還可以使用原本的 3G 頻段，因此 LTE TDD 的 GP 位置與長度一定要和 TD SCDMA 匹配才能避免系統(tǒng)之間的干擾。

四、LTE TDD與LTE FDD的比較

LTE TDD在幀結(jié)構(gòu)、物理層技術(shù)、無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，但也存在一些不足。

4.1 LTE TDD的優(yōu)勢

（1）頻譜配置

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，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)無需成對的頻率，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。

（2）支持非對稱業(yè)務(wù)

在第三代移動通信系統(tǒng)以及未來的移動通信系統(tǒng)中，除了提供語音業(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稱特性。LTE TDD系統(tǒng)在支持不對稱業(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)類型靈活配置LTE TDD幀的上下行配比。

相對于LTE FDD系統(tǒng)，LTE TDD系統(tǒng)能夠更好的支持不同類型的業(yè)務(wù)，不會造成資源的浪費(fèi)。

（3）智能天線的使用

智能天線技術(shù)是未來無線技術(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，且間隔時間較短，小于信道相干時伺，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，在使用賦形算法時，上下行終端的處理復(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。

4.2 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(tǒng)設(shè)計更加復(fù)雜，對設(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候，使用長CP對頻譜資源造成了浪費(fèi)。

（2）使用HARQ技術(shù)時，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更復(fù)雜，且平均RTT稍長于LTE FDD的sms。

（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(zhǔn)確接收，系統(tǒng)對終端和基站的同步要求很高。高速移動物體中性能下降較LTE FDD嚴(yán)重。

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支持微小區(qū)使用更短的PRACH，以提高頻譜利用率；在D- BCH中傳輸DL：UL配置情況，以保證上下行幀的準(zhǔn)確接收等。

五、融合與發(fā)展的趨勢

5.1 共用平臺

作為 LTE 的兩種制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理層上，而在媒質(zhì)接入控制層（MAC）、無線鏈路控制層（RLC）的差別不大，在高層協(xié)議上基本沒什么不同。它們都是無線幀為 10ms，半幀為 5ms，子幀為 1ms，它們的特點(diǎn)也很一致，只有層一的幀結(jié)構(gòu)有區(qū)別，而在 2007 年通過整合以后，幀長也接近一致，目前，在技術(shù)上也希望通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使 FDD 與 TDD 無線系統(tǒng)的技術(shù)都得到優(yōu)化，使兩者的頻譜利用率相同。

5.2 存在的問題

雖然 LTE TDD 的幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變，使 LTE TDD 與 LTE FDD 融合發(fā)展的實(shí)現(xiàn)成為可能，但是，這項技術(shù)也存在一些問題，主要是因?yàn)?LTE TDD 的結(jié)構(gòu)改變了原來的 TD SCDMA 的模式，而沒有考慮在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行兼容，因此，LTE TDD 與 TD SCDMA 系統(tǒng)有可能出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計不當(dāng)而使系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相干擾的問題。TD SCDMA 幀結(jié)構(gòu)主要使用 10ms 無線幀與 5ms 子幀，它分為7 個時隙（以 0-6 作為序號進(jìn)行區(qū)別）與三個特定的子幀（DwPTS、GP、UpPTS），而特定幀是不占時隙的，因此時隙 0 與 DwPTS 之間永遠(yuǎn)固定留給下行傳輸，而時隙 1 與 UpPTS 永遠(yuǎn)固定留給上行傳輸，在這兩者之間存在一個轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其它時隙可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分，它意味著上下行之間存在著轉(zhuǎn)換問題，而 DwPTS 又要占 96 碼片，GP 占 96 碼片，UpPTS 占 160 碼片，這些長度都是為了保護(hù)上下行之間不被干擾進(jìn)行設(shè)計，而現(xiàn)在 LTE TDD 幀結(jié)構(gòu)中，對這種特定區(qū)域分出 9 種組合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三種參數(shù)配置上出現(xiàn)不一致，就會產(chǎn)生系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。

六、展望

過去 LTE FDD 與 LTE TDD 不能進(jìn)行共享與統(tǒng)一是因?yàn)閹Y(jié)構(gòu)區(qū)別太大，而在 2007 年 3GPP 對 TDD 技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以后，兩者之間已經(jīng)傾向于一致。

這種一致性，使系統(tǒng)和終端都有可能在低成本下實(shí)現(xiàn)對兩種模式的同時支持，對運(yùn)營商來說，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠同時支持 FDD 與 TDD，那么只需要搭建一個平臺就能實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的功能，這對設(shè)備商與運(yùn)營商來說都是一個極大的福音，因?yàn)檫@可以極大的降低成本，擴(kuò)大使用規(guī)模，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而這種雙模式實(shí)現(xiàn)對 TDD 技術(shù)來說優(yōu)勢更大，如果運(yùn)營商可以選擇兩種技術(shù)的話，在頻率資源不夠的時候，采用不對稱頻段是更理想的。因此，可以確定， FDD LTE與TDD LTE 在4G移動通信領(lǐng)域必然會有著共同而可觀的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3

[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3

4.2 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(tǒng)設(shè)計更加復(fù)雜，對設(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候，使用長CP對頻譜資源造成了浪費(fèi)。

（2）使用HARQ技術(shù)時，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更復(fù)雜，且平均RTT稍長于LTE FDD的sms。

（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(zhǔn)確接收，系統(tǒng)對終端和基站的同步要求很高。高速移動物體中性能下降較LTE FDD嚴(yán)重。

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支持微小區(qū)使用更短的PRACH，以提高頻譜利用率；在D- BCH中傳輸DL：UL配置情況，以保證上下行幀的準(zhǔn)確接收等。

五、融合與發(fā)展的趨勢

5.1 共用平臺

作為 LTE 的兩種制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理層上，而在媒質(zhì)接入控制層（MAC）、無線鏈路控制層（RLC）的差別不大，在高層協(xié)議上基本沒什么不同。它們都是無線幀為 10ms，半幀為 5ms，子幀為 1ms，它們的特點(diǎn)也很一致，只有層一的幀結(jié)構(gòu)有區(qū)別，而在 2007 年通過整合以后，幀長也接近一致，目前，在技術(shù)上也希望通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使 FDD 與 TDD 無線系統(tǒng)的技術(shù)都得到優(yōu)化，使兩者的頻譜利用率相同。

5.2 存在的問題

雖然 LTE TDD 的幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變，使 LTE TDD 與 LTE FDD 融合發(fā)展的實(shí)現(xiàn)成為可能，但是，這項技術(shù)也存在一些問題，主要是因?yàn)?LTE TDD 的結(jié)構(gòu)改變了原來的 TD SCDMA 的模式，而沒有考慮在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行兼容，因此，LTE TDD 與 TD SCDMA 系統(tǒng)有可能出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計不當(dāng)而使系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相干擾的問題。TD SCDMA 幀結(jié)構(gòu)主要使用 10ms 無線幀與 5ms 子幀，它分為7 個時隙（以 0-6 作為序號進(jìn)行區(qū)別）與三個特定的子幀（DwPTS、GP、UpPTS），而特定幀是不占時隙的，因此時隙 0 與 DwPTS 之間永遠(yuǎn)固定留給下行傳輸，而時隙 1 與 UpPTS 永遠(yuǎn)固定留給上行傳輸，在這兩者之間存在一個轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其它時隙可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分，它意味著上下行之間存在著轉(zhuǎn)換問題，而 DwPTS 又要占 96 碼片，GP 占 96 碼片，UpPTS 占 160 碼片，這些長度都是為了保護(hù)上下行之間不被干擾進(jìn)行設(shè)計，而現(xiàn)在 LTE TDD 幀結(jié)構(gòu)中，對這種特定區(qū)域分出 9 種組合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三種參數(shù)配置上出現(xiàn)不一致，就會產(chǎn)生系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。

六、展望

過去 LTE FDD 與 LTE TDD 不能進(jìn)行共享與統(tǒng)一是因?yàn)閹Y(jié)構(gòu)區(qū)別太大，而在 2007 年 3GPP 對 TDD 技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以后，兩者之間已經(jīng)傾向于一致。

這種一致性，使系統(tǒng)和終端都有可能在低成本下實(shí)現(xiàn)對兩種模式的同時支持，對運(yùn)營商來說，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠同時支持 FDD 與 TDD，那么只需要搭建一個平臺就能實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的功能，這對設(shè)備商與運(yùn)營商來說都是一個極大的福音，因?yàn)檫@可以極大的降低成本，擴(kuò)大使用規(guī)模，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而這種雙模式實(shí)現(xiàn)對 TDD 技術(shù)來說優(yōu)勢更大，如果運(yùn)營商可以選擇兩種技術(shù)的話，在頻率資源不夠的時候，采用不對稱頻段是更理想的。因此，可以確定， FDD LTE與TDD LTE 在4G移動通信領(lǐng)域必然會有著共同而可觀的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3

[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3

4.2 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(tǒng)設(shè)計更加復(fù)雜，對設(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候，使用長CP對頻譜資源造成了浪費(fèi)。

（2）使用HARQ技術(shù)時，LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更復(fù)雜，且平均RTT稍長于LTE FDD的sms。

（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(zhǔn)確接收，系統(tǒng)對終端和基站的同步要求很高。高速移動物體中性能下降較LTE FDD嚴(yán)重。

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支持微小區(qū)使用更短的PRACH，以提高頻譜利用率；在D- BCH中傳輸DL：UL配置情況，以保證上下行幀的準(zhǔn)確接收等。

五、融合與發(fā)展的趨勢

5.1 共用平臺

作為 LTE 的兩種制式，LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理層上，而在媒質(zhì)接入控制層（MAC）、無線鏈路控制層（RLC）的差別不大，在高層協(xié)議上基本沒什么不同。它們都是無線幀為 10ms，半幀為 5ms，子幀為 1ms，它們的特點(diǎn)也很一致，只有層一的幀結(jié)構(gòu)有區(qū)別，而在 2007 年通過整合以后，幀長也接近一致，目前，在技術(shù)上也希望通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使 FDD 與 TDD 無線系統(tǒng)的技術(shù)都得到優(yōu)化，使兩者的頻譜利用率相同。

5.2 存在的問題

雖然 LTE TDD 的幀結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變，使 LTE TDD 與 LTE FDD 融合發(fā)展的實(shí)現(xiàn)成為可能，但是，這項技術(shù)也存在一些問題，主要是因?yàn)?LTE TDD 的結(jié)構(gòu)改變了原來的 TD SCDMA 的模式，而沒有考慮在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行兼容，因此，LTE TDD 與 TD SCDMA 系統(tǒng)有可能出現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計不當(dāng)而使系統(tǒng)之間產(chǎn)生互相干擾的問題。TD SCDMA 幀結(jié)構(gòu)主要使用 10ms 無線幀與 5ms 子幀，它分為7 個時隙（以 0-6 作為序號進(jìn)行區(qū)別）與三個特定的子幀（DwPTS、GP、UpPTS），而特定幀是不占時隙的，因此時隙 0 與 DwPTS 之間永遠(yuǎn)固定留給下行傳輸，而時隙 1 與 UpPTS 永遠(yuǎn)固定留給上行傳輸，在這兩者之間存在一個轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其它時隙可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行劃分，它意味著上下行之間存在著轉(zhuǎn)換問題，而 DwPTS 又要占 96 碼片，GP 占 96 碼片，UpPTS 占 160 碼片，這些長度都是為了保護(hù)上下行之間不被干擾進(jìn)行設(shè)計，而現(xiàn)在 LTE TDD 幀結(jié)構(gòu)中，對這種特定區(qū)域分出 9 種組合，如果 LTE TDD 和 TD SCDMA 在三種參數(shù)配置上出現(xiàn)不一致，就會產(chǎn)生系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。

六、展望

過去 LTE FDD 與 LTE TDD 不能進(jìn)行共享與統(tǒng)一是因?yàn)閹Y(jié)構(gòu)區(qū)別太大，而在 2007 年 3GPP 對 TDD 技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以后，兩者之間已經(jīng)傾向于一致。

這種一致性，使系統(tǒng)和終端都有可能在低成本下實(shí)現(xiàn)對兩種模式的同時支持，對運(yùn)營商來說，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠同時支持 FDD 與 TDD，那么只需要搭建一個平臺就能實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的功能，這對設(shè)備商與運(yùn)營商來說都是一個極大的福音，因?yàn)檫@可以極大的降低成本，擴(kuò)大使用規(guī)模，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，而這種雙模式實(shí)現(xiàn)對 TDD 技術(shù)來說優(yōu)勢更大，如果運(yùn)營商可以選擇兩種技術(shù)的話，在頻率資源不夠的時候，采用不對稱頻段是更理想的。因此，可以確定， FDD LTE與TDD LTE 在4G移動通信領(lǐng)域必然會有著共同而可觀的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 3GPP TR 36.211，Physical Channels and Modulation（Releases 8）[S].2008.3

[2] 3GPP TR 36.213，Physical Layer and Procedures（Releases 8）[S].2008.3