LTE TDD与LTE FDD技术简介和比较
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。
图1：FDD和TDD的工作原理
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。
注：对（1）的理解：
仅仅从理论上说，相同的数据发射时间短，需要更高的速率，那么对应发射功率就大；发射功率越大，手机上传的速率会越快，那么相同时间发送的数据量就越大。
但是不管TDD还是FDD，上行功率最大都是23dBm，两者是相同的。所以说“TDD要发送和FDD同样多的数据，但发射时间只有FDD的大约一半，这要求TDD的发送功率要大”这句话严格上来说是不对的。不管fdd还是tdd，调度的单位都是RB，差不多的条件下，fdd/tdd系统每个RB的承载能力和所需发射功率都是差不多的。
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。
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
（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。
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。
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。
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LTE TDD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。
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，在B3G/4G移动通信系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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