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隨著通訊業的迅猛發展，4G技術即LTE 時代呼之欲出,文章基于3GPP R8 LTE協議，從頻段、性能、關鍵 技術、具體實現、工程實施等方面，對FDD LTE 和TDD LTE 系統進行簡單的比較分析，供大家了解并參考。 1 FDD LTE 與TDD LTE 的區別 FDD LTE 與TDD LTE 的區別在于雙工方式的不同，以及由此帶來一些系統設計上的差異。 1.1 雙工方式比較 FDD 與TDD 是兩種截然不同的雙工方式。FDD 采用兩個對稱的頻率信道進行發送和接收，這兩個信道之間存在著一定的頻段保護間隔。LTE 由于其頻段的多樣化，不同頻段的收發間隔是不同的。TDD 的發送和接收信號在同一頻率信道的不同時隙中進行，彼此之間采用一定的保護時間予以分離。它不需要分配對稱頻段的頻率，可以充分利用零散的頻譜資源。TDD 通過調整上下行時隙配比，可以靈活地支持不對稱業務數據傳輸。 TDD 的優勢： （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換點，調整上下行時隙配比，能夠很好地支持非對稱業務； （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）基站和終端都不需要收發隔離器，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，能夠更好地采用傳輸預處理技術，如智能天線技術、預編碼技術等，能有效地降低移動終端的處理復雜度； （6）TDD 采用Beamforming 天線技術，所以TDD 的下行業務覆蓋先天優勢明顯。 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，TDD 方式的發射時間比FDD 方式少； （2）TDD 系統收發信道同頻，系統間干擾更加復雜； （3）上下行時隙轉換點的存在使得對時間同步的要求更加嚴格。目前通常是整個網絡中使用相同的時隙配比，否則上下行之間會存在同頻干擾。 1.2 系統設計比較 PHY 處理、MAC 處理、RRM 處理等方面都有一些共性，但是由于子幀結構的不同，也帶來了些細微的差別。 LTE 系統在FDD 和TDD 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3G TD-SCDMA 的設計思想。 1.2.1 子幀結構 FDD LTE 是從WCDMA 演進而來，TDD LTE 從TDSCDMA演進而來，所以LTE 系統在子幀結構上，順從了以前3G 系統的特性。 FDD LTE 采用包含10 個子幀的10ms 無線幀，其中每個子幀又包含2 個時隙，共20 個時隙的結構，見圖1；TDD LTE采用的也是包含10 個子幀的10ms 無線幀的結構，但是為了繼承TD-SCDMA 的特性，在TDD LTE 幀結構中存在1ms 的特殊子幀，該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP 和Up-PTS，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，見圖2。對于TDD LTE 幀結構，有兩個周期切換點： （1）5ms 上下行切換周期：位于兩個半幀中，在這兩個半幀中各有一個特殊子幀來放特殊時隙，它們分別是子幀1 和子幀6； （2）10ms 上下行切換周期：位于第一個半幀中，在子幀1來放特殊時隙。 其中子幀0 和5 以及DwPTS 總是用于下行發射，UpPTS和緊鄰其后的子幀總是用于上行發射。其余的子幀遵循的規律同FDD。 圖1 FDD LTE 幀結構 圖2 TDD LTE 幀結構 三個特殊時隙的總長度固定為1 ms，而其各自的長度可以根據網絡的實際需要進行配置，在技術規范中支持如表1 所示的9 種配置選項。 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 不再發送上行數據信道，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。UpPTS 還可以 用于PRACH format4 的發送。 表1 TDD LTE 特殊子幀配置 對于FDD LTE，不存在上下行配比的問題，TDD LTE 則要對一個10ms 的無線幀進行上下行分配，一些用來傳上行數據，一些用來傳下行數據。協議中規定的上下行配比，如表2所示。 表2 上下行時隙配比 1.2.2 同步信號 由于幀結構的不同，引起了主同步信號（PSS）和輔同步信號（SSS）設計上的不同。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，具體如下： 主同步信號在一個無線幀中有兩個，這兩個是完全相同的，用于小區搜索時的5ms 幀同步。對于FDD，主同步信號位于時隙0 和時隙10 的最后一個OFDM 符號上。對TDD，主同步信號位于子幀1 和子幀6 的第3 個OFDM 符號上即DwPTS 時隙上。 輔同步信號在一個無線幀中也有兩個，但這兩個略有差別，用于小區搜索時的10ms 幀同步。對于FDD，輔同步信號位于時隙0 和時隙10 的倒數第二個OFDM符號上。對TDD，輔同步信號位于時隙1 和時隙11 的倒數第一個OFDM 符號上。 1.2.3 參考信號 對于下行參考信號，FDD 和TDD LTE都支持cell-specificRS。同時TDD LTE 還針對一種用于Beamforming 天線模式的UE-specific RS。 對于上行參考信號，FDD 和TDD LTE 都支持DMRS 和SRS。FDD 中SRS 是在數據子幀上傳輸的；TDD 中SRS 是在特殊子幀中的UpPTS 上傳輸的。 1.2.4 RACH RACH 的作用有二：（1）探測UE 進行網絡接入請求；（2）進行定時提前量的估計。 FDD RACH 信號在時域上占據1 ～ 3 個子幀，由CP ＋PreambleSequence ＋ GT 構成。TDD RACH 信號除與FDD 相同的子幀外，還可以在其特殊子幀的UpPTS 上發射和接收。長RACH 信號在頻域占據6 個RB 大小的資源 ，其位置由高層配置。短RACH 信號在頻域占據6~36 個RB 資源塊。一個RB 由12 個數據子載波(15KHz) 組成，一個數據子載波由12 個RACH 子載波(1.25KHz)構成；TDD 支持的format 4 的RACH 子載波間距為15KHz。 采用短RACH 的原因也是與TDD 關于特殊時隙的設計相關的，短RACH 在特殊時隙的最后部分（即UpPTS）進行發送，利用這一部分的資源完成上行隨機接入的操作，避免占用正常子幀的資源。采用短RACH 時，需要注意的一個主要問題是其鏈路預算所能夠支持的覆蓋半徑，由于其時間長度小于其它格式的RACH 序列，因此其鏈路預算比其他格式的要低，相應的適用于覆蓋半徑較小的場景。 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LTE FDD 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。 1.2.5 PCFICH PCFICH 攜帶的是PDCCH 所占的OFDM 符號數信息，eNodeB 通過PCFICH 將一個子幀中PDCCH 占用的OFDM符號數通知給UE，這個OFDM 符號數由CFI 來指示。每個子幀中都發射PCFICH。 TDD LTE存在特殊子幀，當在特殊子幀傳輸下行數據，其對應的PDCCH 最大占用的OFDM 符號數會小一些。如表3所示，TDD除了子幀1 和6 的所提供的PDCCH占用的OFDM符號數不同外，其他子幀情況同FDD LTE。 表3 PDCCH 所占OFDM 符號數 1.2.6 PHICH PHICH 承載eNodeB 對上行發射信號做出的NAK/ACK響應信息。在一個子幀中，PHICH 持續時間主要有兩種，一是短PHICH，另一種是長PHICH。這個持續時間在PBCH 中利用1bit 來指示。在下行的每個子幀中，都需要發射PHICH，而且可以同時發射多個PHICH 組。 對于FDD，PHICH 組的數量在所有子幀中是固定的。對于TDD，PHICH 組的數量在下行子幀間是可變的，在不同的上下行時隙配比下有所不同，如表4 所示。 表4 TDD 的PHICH 組的數量 1.2.7 HARQ 在FDD 和TDD 情況下，數據與ACK/NAK 反饋之間具有不同的時間對應關系（即HARQ Timing）。 對于FDD，下行HARQ 進程數最大為8。對于TDD，下行HARQ 進程數由上下行時隙配比確定，如表5 所示。 表5 TDD 的下行HARQ 進程數 對于TDD，上行HARQ 進程數由上下行時隙配比和子幀類型決定，如表6 所示。 表6 TDD 的上行HARQ 進程數 1.2.8 多天線技術 LTE 支持7 種天線發射模式。 Mode-1: Single Antenna port (Port 0); Mode-2: Transmit diversity (Port 0, 1, 2, 3); Mode-3: Open-loop spatial multiplexing (Port 0, 1, 2, 3); Mode-4: Closed-loop spatial multiplexing (Port 0, 1, 2, 3); Mode-5: Multi-user MIMO (Port 4); Mode-6: Closed-loop Rank =1 precoding (Port 0, 1, 2, 3); Mode-7: Single Antenna port (Port 5)。 FDD LTE 支持Mode-1 ～Mode-6，TDD LTE 支持Mode-1～ Mode-7，其中的Mode-7 是Beamforming 模式，針對TDDLTE 的。在TDD LTE R9 對模式7 進行了增強，引入雙流Beamforming，稱為Mode-8。 1.3 天線性能比較 1.3.1 理論峰值速率比較 表7 下行理論峰值速率比較(20MHz) 表8 上行理論峰值速率比較(20MHz) 注 意：配置5的上下行配比是1:8，配置0的上下行配比是6:2。 在3GPP TS25.913 中規定，對于FDD LTE 其下行瞬時峰值速率要達到100Mbps，上行要達到50Mbps。但是對于上下行帶寬共享的情況，則無此要求。由于TDD 是上下行共用帶寬，所以通過瞬時峰值速率來比較FDD 與TDD 的性能是不合理的。通常采用一種折中的辦法，用頻譜效率來評估性能。 在TS25.913 以及NGMN 的需求中規定：在20MHz 帶寬下，天線配置為下行2×2MIMO的情況下，下行頻譜效率要達到5bps/Hz, 上行1×2 SIMO 的情況下，上行頻譜效率要達到2.5bps/Hz。表7，表8 是在20MHz 帶寬下給出的結果，從中可以看出，TDD 和FDD 都能滿足需求。而且TDD 和FDD 的峰值頻譜效率接近。 1.3.2 系統仿真的吞吐率和頻譜效率比較 表9 為在低速移動場景下，系統帶寬為10MHz ，天線配置為2×2 閉環預編碼MIMO 的情況下給出的評估結果。表10為在低速移動場景下，系統帶寬為10MHz，采用1 發2 收接收分集的情況下給出的評估結果。 從吞吐率來看，TDD 由于發射時間少于FDD，所以其吞吐率明顯小于FDD；從頻譜效率來看，TDD 和FDD 還是比較接近的。 表9 下行吞吐率及頻譜效率 表10 上行吞吐率及頻譜效率 1.3.3 天線選擇 TDD LTE 最大支持8 天線，除了FDD LTE 支持的多天線技術，下行還支持8x BF，4x BF，上行還支持8 天線接收分集，雙流BF 將在R9 中考慮。通常采用8 通道板狀天線。 FDD LTE 最大支持4 天線，最大支持下行4*4 MIMO 和上行2*4 MIMO，通常采用雙化天線。 TDD主打的BF技術要求安裝時空間隔離度低，所以TDD適合采用多通道板狀天線。FDD 主打的空分復用和發射分集技術要求安裝時空間隔離度較高，但對通道數要求并不像TDD那么多，所以FDD 可以采用雙極化天線。 1.3.4 組網方式 TDD LTE 和FDD LTE 都支持同頻組網和異頻組網。同頻組網和當前UMTS 的同頻組網相似，頻率復用系數為1。所有的小區使用的頻率相同。 目前TDD和FDD的小區間同頻干擾抑制支持靜態ICIC，半靜態ICIC 和動態ICIC 三種。ICIC 基于分數頻率復用技術，其目標是相鄰小區的邊緣區域使用的頻率不同，而小區中心區域使用的頻率可以相同。 異頻組網和當前GSM的異頻組網相似，只是LTE的異頻組網復用系數為3。相鄰的三個小區使用的頻率不同。 2 結語 綜上分析可以看出，TDD LTE 和FDD LTE 由于雙工方式的不同存在一些系統設計上的差別，使得RRU只能分開設計，但得益于SDR 平臺的特性使得BBU 可以共 平臺開發。 從頻段劃分上看，TDD LTE 與FDD LTE 是一種互補而非競爭的關系。只要滿足標準對兩者的系統間干擾的規定，兩者共同組網是可行的。 從技術上看，TDD的優勢在于：（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換點，調整上下行時隙配比，能夠很好地支持非對稱業務；（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）基站和終端都不需要收發隔離器，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，能夠更好地采用傳輸預處理技術，如智能天線技術、預編碼技術等，能有效地降低移動終端的處理復雜度。（6）TDD 采用Beamforming 天線技術，所以TDD 的下行業務覆蓋先天優勢明顯。 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，TDD 方式的發射時間比FDD 方式少。如果TDD 要發送和FDD 同樣多的數據，就要增大TDD 的發射頻率帶寬。（2）TDD 系統收發信道同頻，系統間干擾更加復雜。（3）上下行時隙轉換點的存在使得對時間同步的要求更加嚴格，常是整個網絡中使用相同的時隙配比，否則上下行之間會存在同頻干擾。 |
