LTE两种帧结构

       上、下行信息如何复用有限的无线资源，这是所有无线制式必须考虑的双工技术问题。以往的无线制式要么支持时分双工（TDD）要么支持频分双工（FDD），而LTE标准即支持TDD，又支持FDD，分别对应着不同的帧结构设计。

1.两种双工模式

       LTE支持两种双工模式：TDD和FDD，于是LTE定义了两种帧结构：TDD帧结构和FDD帧结构。LTE标准制定之初就充分考虑了TDD和FDD双工方式在实现中的异同，增大两者共同点、减少两者差异点。两种帧结构设计的差别，会导致系统实现方面的不同，但主要的不同集中在物理层（PHY）的实现上，而在媒介接入控制层（MAC）、无线链路控制（RLC）层的差别不大，在更高层的设计上几乎没有什么不同。

       从设备实现的角度来讲，差别仅在于物理层软件和射频模块硬件（如滤波器），网络侧绝大多数网元可以共用，TDD相关厂家可以共享FDD成熟的产业链带来的便利。但终端射频模块存在差异，这样终端的成熟度决定了LTE TDD和LTE FDD各自网络的竞争力。

1.1 FDD和TDD

       FDD的关键词是“共同的时间、不同的频率”。FDD在两个分离的、对称的频率信道上分别进行接收和发送。FDD必须采用成对的频率区分上行和下行链路，上下行频率间必须有保护频段。FDD的上、下行在时间上是连续的，可以同时接收和发送数据。

       TDD的关键词是“共同的频率、不同的时间”。TDD的接收和发送是使用同一频率的不同时隙来区分上、下行信道，在时间上不连续。一个时间段由移动台发送给基站（UL），另一个时间段由基站发送给移动台（DL）。因此基站和终端间对时间同步的要求比较苛刻。

FDD和TDD的上、下行复用原理如图所示。

TDD与FDD相比有以下优点

• FDD上、下行需要成对的频率，而TDD无须成对频率，这使得TDD可以灵活地配置频率，使用FDD不能使用的零散频段。
• TDD的上下行时隙配比可以灵活调整，这使得TDD在支持非对称带宽业务时，频谱效率有明显优势。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上、下行频率是一样的，这样上、下行无线传播特性一样，能够很好地支持联合检测、智能天线等技术。TDD的基站接收和发送可以共用部分射频单元，不需要收/发隔离器，只需要一个开关即可，降低设备复杂度和成本。

TDD与FDD相比存在以下不足：

• TDD上下行分配的时间资源是不连续的，分别给了上行和下行。TDD发射功率的时间大约只有FDD的一半。TDD和FDD具有同样的峰值功率情况下，TDD的平均功率仅为FDD的一半。尤其在上行方向上，终端侧难以使用智能天线，所以TDD的上行覆盖会受限。也就是说同样的覆盖面积，同样的终端发射功率，TDD需要更多的基站。如果TDD要覆盖FDD同样大的范围，就要增大TDD的发射功率。
• TDD上、下行信道同频，无法进行干扰隔离，抗干扰性差。
• FDD对移动性的支持能力更强，能较好地对抗多普勒频移，而TDD则对频偏较敏感，对移动性的支持较差。

1.2 频段分配

       LTE不仅支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽配置，还支持从700MHz到2.6GHz等多种频段。根据协议规定，LTE系统定义的工作频段有40个，使用的频段考虑了对现有无线制式频段的再利用。每个频段都有一个编号和一定的范围，部分工作频段间会有重叠。

编号为1~32为FDD频段，33~40为TDD频段，其中FDD的15、16、18到32编号还未分配具体频点。如下图所示：

2.LTE帧结构

       LTE采用OFDM技术，子载波间隔为△f=15kHz，每个子载波为2048阶IFFT采样，则LTE采样周期Ts=1/（2048×15 000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

2.1 FDD帧结构

       LTE FDD类型的无线帧长为10ms，每帧含10个子帧，每个子帧有2个时隙slot，每个时隙为0.5ms，每个时隙即个资源块（RB）,每个RB含有84个RE，每一个RE资源单位都可以根据无线环境选择QPSK、16QAM或64QAM的调制方式。调制方式为QPSK时，一个RE携带2bits信息，16QAM时则为4bits，64QAM时为6bits。

PRB：LTE的空中接口资源分配的基本单位。一个PRB在频域上包括12个连续的子载波，在时域上包括7个连续的常规OFDM符号周期。LTE的一个PRB对应的带宽是180KHz，时长为0.5ms的无线资源。

RE：把常规OFDM符号周期和一个子载波组成的资源称为1个RE（Resource Element）。

TTI,Transmission Time Interval，传输时间间隔，代表最小数据传送时间,可以根据不同业务有很大范围的变化.具体是指无线链路一个能够独立解调的传输块的长度，当多个subframe也能够解调，譬如接收完整个10ms无线帧再进行解调，那么TTI就是10ms。TTI 是指在无线链路中的一个独立解码传输的长度。
       在3GPP LTE与LTE-A的标准中，一般认为 1 TTI = 1ms 。即一个Subframe（子帧=2slot）的大小，它是无线资源管理所管辖时间的基本单位。LTE的时隙长度为0.5ms，但对0.5ms这一个调度的话，信令开销太大，对器件要求高。因此一般调度周期TTI设为1ms，包括两个资源块RB的时间长度。所以一个调度周期内，资源块RB都是成对出现的。

       FDD帧结构不但支持半双工FDD技术，还支持全双工FDD技术。我们知道，一个常规时隙包含7个连续的OFDM符号。为了克服符号间干扰（ISI），需要加入CP。CP长度与覆盖半径有关，要求的覆盖半径越大需要配置的CP长度就越长，但过长的CP也会导致系统开销太大。

       普通CP配置下的时隙结构如图所示。在第一个时隙中，第0个OFDM符号CP长度为160Ts，约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts，约为4.7us；每个OFDM周期内有用符号长度为2048Ts，约为66.7us。7个OFDM符号周期，有用符号长度和CP长度之和正好为15360Ts，约合为0.5ms。

扩展CP配置下的时隙结构如图，每个时隙的OFDM符号数不再是7个，而是6个。而且一个时隙内每个OFDM符号周期长度都是512Ts。

2.2 TDD帧结构

       LTE TDD帧结构最初提案有两个版本：一个是和FDD帧结构类似的帧结构FS1（Frame Structure 1），一个是兼有现有TD-SCDMA帧结构FS2，最后标准中形成了融合二者特色的帧结构：与LTE FDD帧长度一致，但保留了TD-SCDMA的一些特色元素。如图所示：

最终形成的帧结构不但兼容了TDD的两个版本，也完成了TDD和FDD的统一。这个统一促使TD-LTE成为国际认可的主流标准，促进了TD-LTE的产业链形成。

       TDD采用的也是OFDM技术，子载波间隔和时间单位均与FDD相同，帧结构与FDD类似，如图所示。每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，每个子帧包含2个0.5ms的时隙。

LTE的TDD帧结构和FDD不一样的地方有两个：

• 一是存在特殊子帧，由DwPTS、GP以及UpPTS构成，总长度为1ms；
• 二是存在上、下行转换点。

       TD-LTE和传统TD-SCDMA的TDD帧结构相比，相同的是：每帧长度是10ms，每半帧长度是5ms，也分常规时隙和特殊时隙，也存在上、下行时隙转化点，上、下行时隙转换点可调。但两者不同的有以下几点：

• 一是每半帧包含的时隙数目不同；
• 二是两者时隙的长度不一样；
• 三是LTE特殊时隙的长度是可调的。

       TD-SCDMA的TDD子帧有7个常规时隙（TS0-TS6），每个时隙的长度为0.675ms；TD-LTE的TDD每个常规时隙长度为0.5ms，但每两个时隙组成一组进行调度。

       TD-SCDMA有3个特殊时隙：DwPTS（下行导频时隙，长为75us）、GP（保护间隔，长为75us）和UpPTS（上行导频时隙，长为125us）。特殊时隙总长度为0.275ms；TD-LTE的TDD也有这三个特殊时隙，总长度为1ms，DwPTS/GP/UpPTS的长度是可调的。

TD-LTE的TDD帧结构可以通过两个途径来保证与已有的TD-SCDMA的共存：

• 一是配置不同的上下行时隙比例；
• 二是配置不同的特殊时隙DwPTS、GP、UpPTS的长度。

       在TD-LTE的10ms帧结构中，上、下行子帧的分配策略是可以设置的。每个帧的第一个子帧固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，第二个子帧固定地用作特殊时隙，第三个子帧固定地用作上行时隙；后半帧的各子帧的上、下行属性是可变的，常规时隙和特殊时隙的属性也是可以调的。

协议规定了0~6共7种TD-LTE帧结构 上、下行配置策略，如表所示。

D代表下行、S代表特殊时隙（也算下行），U代表上行。

       不同的特殊时隙DwPTS、GP、DwPTS的长度，在LTE-TDD帧中可配置，如下表所示。TDD的一个子帧长度包括2个时隙，普通CP配置情况下，TDD的一个子帧长度是14个OFDM符号周期；而在扩展CP配置情况下，TDD的一个子帧长度 为12个OFDM符号周期。

3.LTE与UMTS帧结构对比

       无线制式的物理信道分配的无线资源一般采用四层结构进行标识：系统帧号、无线帧、子帧（或短帧）、时隙×码道（CDMA）/资源块RB（LTE，时隙×子载波），如图所示。

       在WCDMA和TD-SCDMA中采用CDMA技术，资源调度除了指明时隙外，还需标明码道号。而在LTE中，资源调度除了给出时隙号，还需指出子载波号，也就是说，要指明RB序号。
       时隙的大小决定了资源调度的颗粒度。在WCDMA/TD_SCDMA中，时隙的长度单位除了用毫秒（ms）外，还可以用码片（chip）来标识，因为码片就对应着时间。而在LTE中，不存在码片的概念，但有OFDM符号周期的概念，还可以用采样周期Ts的数目来表示时隙的长度。

       WCDMA中码片速率为3.84Mcps，每chip的时间长度为Tchip=1/3.84×10^6=0.26us。在TD-SCDMA中码片速率为1.28Mcps，每个chip的时间长度为Tchip=0.78us。
       LTE采用的是OFDM技术，子载波间隔△f=15KHz，每个子载波用2048阶IFFT采样，则LTE的采样周期Ts=1/（2048×15000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。
       WCDMA、TD-SCDMA、LTE帧的时间长度Tf都为10ms。用它们各自的时间单位来表示：WCDMA中，Tf=38400Tchip；TD-SCDMA中，Tf=12800Tchip；LTE中，Tf=307200Ts。
       WCDMA每个长10ms的帧被分为15个时隙（slot），每个时隙长为Tslot=2560chip，对应一个快速功率控制周期。WCDMA的R99版本中资源调度的最小单位是10ms，WCDMA的HSDPA中资源调度的最小单位是短帧，为2ms。
       LTE每帧分为10子帧，共20个时隙，每个时隙的长度要短于WCDMA时隙，资源调度的单位是子帧，即两个时隙的时间长度为1ms。
       TD-SCDMA每个长尾10ms的帧被分为2个5ms的子帧，资源调度的时间单位就是子帧的长度5ms。每个子帧包括7个常规时隙和3个特殊时隙，也就是说10ms的帧中特殊时隙会出现两次。
       TD-LTE每个长为10ms的帧的特殊时隙可以出现1次，也可以出现2次，取决于上、下行转换周期的配置策略。3个特殊时隙占用1ms的子帧。每个半帧包括5个1ms的子帧。

LTE、WCDMA、TD-SCDMA时隙结构对比如下表。