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LTETDD

LTE-TDD系统分析

[摘要]UTRA的长期演进（LongTermEvolution,LTE）技术存在LTEFDD和LTETDD两大阵营。

在这两种双工方式下，系统的大部分设计，尤其是高层协议方面是一致的。

另一方面，在系统底层设计，尤其是物理层的设计上，由于FDD和TDD两种双工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系统为TDD的工作方式进行了一系列专门的设计，这些设计在一定程度上参考和继承了3GTD-SCDMA的设计思想。

本文在比较分析TDD和FDD技术特点和帧结构的基础上，对LTETDD（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LTETDD和LTEFDD的应用前景进行了初步分析。

[关键词]LTETDDFDD帧结构频段

AnalysisofLTE-TDDsystem

SignalandInformationProcessing2010shenaiguoS1*******6

Abstract:

UTRAlongtermevolution（LongTermEvolution,LTE）technologiesLTEFDDandLTETDDtherearetwocamps.Inbothduplexmode,mostofthesystemdesign,especiallyhigh-levelagreementsarethesame.Ontheotherhand,thebottominthesystemdesign,especiallythedesignofphysicallayer,duetobothFDDandTDDduplexmodeinherentinthephysicalpropertiesofthedifferent,LTETDDsystemworksasaseriesofspeciallydesignedThedesignofreferenceandtosomeextentinherited3GTD-SCDMA'sdesign.Inthispaper,comparativeanalysisofTDDandFDDframestructureandtechnicalcharacteristicsonthebasisofLTETDD（ieTD-LTE）summarizedtheuniquetechnology,combinedwiththeexistingnetworkofChinaMobiletodeployandTDDfrequencybandresources,ontheLTETDDLTEFDDandtheprospectofapplyingapreliminaryanalysis.

Keywords:

LTETDDFDDFramestructurefrequenceband

引言

移动通信的高速发展，以及移动网络和互联网的加速发展融合，使得移动网络宽带化的需求日益迫切。

在这种需求的驱动下，第三代合作伙伴计划（3rdgenerationpartnershipproject，3GPP）在第三代移动通信（3rdgeneration，3G）的基础上，提出了其长期演进系统（longtermevolution，LTE），以提供更高的带宽、更低的时延，以及更好的服务质量（qualityofservice，QoS）保障。

LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（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，3GPPRAN1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。

一、FDD与TDD工作原理

1.1原理概述

   频分双工（FDD）和时分双工（TDD）是两种不同的双工方式。

如图1.1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1.1

1.2优缺点比较

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。

ITU要求TDD系统移动速度达到120km/h，要求FDD系统移动速度达到500km/h。

FDD是连续控制的系统，TDD是时间分隔控制的系统。

在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深。

在目前芯片处理速度和算法的基础上，当数据率为144kb/s时，TDD的最大移动速度可达250km/h，与FDD系统相比，还有一定差距。

根据FDD、TDD模式以上不同的特点，在3G移动网络中，它们各自有着不同的适用范围：

（1）采用FDD系统多是连续控制，适应于大区制的国家和国际间覆盖漫游，适合于对称业务（如话音、交互式适时数据等）。

（2）采用TDD系统多是时间分隔控制，适用于城市及近郊等高密度地区的局部覆盖和对称及不对称数据业务。

特别是它的不对称传输数据的功能，尤为适合接入基于IP的各种数据业务。

因为，在Internet的数据传输过程中，往往要求下行速率远大于上行速率。

在4G网络时代，视频流媒体、交互Web等下行流占据绝对优势，也因此人们对TDD在4G的应用充满了期待，TDD受到了下一代无线系统WiMAX和IEEE802.20的关注。

然而在目前，TDD模式在运营中还面临一系列技术问题，如交叉时隙干扰、操作干扰、转接时延以及发送信道状态信息超时，所以使用单一模式的TDD还是不现实的。

TDD和FDD在技术特点上各有各的优势，中国是世界第一移动大国，频谱资源日益短缺是移动网络建设迫切需要解决的第一问题。

对频谱资源，每一个人都会明白：

FDD频谱资源紧张，TDD频谱资源丰富。

在这一点上，TDD的优势更明显一些，所以在中国，从TDSCDMA3G到4G的各个阶段，都将更倾向于使用TDD技术。

二、帧结构

双工方式的不同，最直接的就是对于空中接口无线帧结构的影响，因为FDD采用频率来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD采用时间来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是不连续的，而且需要保护时间间隔来避免两个方向之间的收发干扰，所以LTE分别为FDD和TDD设计了各自的帧结构，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD的工作方式（见图1）。

图2.1LTE无线帧结构

在FDDType1中，10ms的无线帧分为10个长度为1ms的Subframe，每个Subframe由两个长度为0.5ms的slot组成。

在TDDType2中，10ms的无线帧由两个长度为5ms的Half-Frame组成，每个Half-Frame由5个长度为1ms的Subframe组成，其中有4个普通的Subframe和1个特殊Subframe。

普通Subframe由两个0.5ms的slot组成，特殊Subframe由3个特殊时隙（UpPTS，GP和DwPTS）组成。

 2.1TDD特殊时隙的设计

   如图2.1的无线帧结构图所示，在LTE中TDD与FDD帧结构最显著的区别在于：

在TDDType2帧结构中存在1ms的特殊子帧（Subframe），该子帧由三个特殊时隙组成：

DwPTS，GP和UpPTS，其含义和功能与TD-SCDMA系统相类似，其中DwPTS始终用于下行发送，UpPTS始终用于上行发送，而GP作为TDD中下行至上行转换的保护时间间隔。

　　图2.2Type2TDD特殊时隙的设计

   从图2.2中可以看到，三个特殊时隙的总长度固定为1ms，而其各自的长度可以根据网络的实际需要进行配置（例如，不同的小区覆盖半径），在技术规范中支持如表2.1所示的9种配置选项。

从表中可以看出UpPTS的长度为1～2个符号；DwPTS的长度为3～12个符号；相应的GP长度为1～10个符号，时间长度为70～700μs，对应的支持1～100km的小区覆盖半径。

 表2.1支持的9种配置选项

DwPTS中包含物理下行控制信道和数据信道，实现与其它下行子帧相同的下行数据发送的功能。

而UpPTS不再发送上行数据，决定将UpPTS的上行符号用于上行Sounding导频的发送，这样的导频可以用于上行信道的测量，在TDD的模式下由于上下行信道的对称性，还可以相应的获得关于下行信道的信息。

2.2同步信道的设计

   同步信道是另一项体现不同双工方式的设计。

LTE中用于小区搜索的同步信道包括“主同步信号”和“辅同步信号”。

图2.3是LTE同步信号的位置结构，在两种帧结构中，同步信号具有不同的位置：

在FDDType1中两个同步信号连接在一起，位于子帧0和5的中间位置；而TDDType2中，辅同步信号位于子帧0的末尾，主同步信号位于特殊子帧，即DwPTS的第三个符号。

   图2.3LTE下行同步信号

这样，在两种帧结构中，同步信号在无线帧中的绝对位置不相同，更为重要的是，主、辅同步信号的相对位置不同：

在FDD中两个信号连接在一起，而在TDD中两个信号之间有两个符号的时间间隔。

由于同步信号是终端进行小区搜索时最先检测的信号，这样不同的相对位置的设计使得终端在接入网络的最开始阶段就可以检测出网络的双工方式，即FDD或者TDD。

2.3HARQ的设计

 LTEFDD系统中，HARQ的RTT（RoundTripTime）固定为8ms，且ACK/NACK位置固定，如图2.4所示。

TD-LTE系统中HARQ的设计原理与LTEFDD相同，但是实现过程却比LTEFDD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2.4所示，LTEFDD系统中，UE发送数据后，经过3ms的处理时间，系统发送ACKNACK，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LTETDD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，LTETDD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2.4

2.4上下行的时间分配

   前面内容，我们描述了LTE中与TDD特殊时隙相关的，针对TDD进行的设计。

而在特殊时隙之外，TDD还有另外一个显著区别于FDD的物理特征，即FDD依靠频率区分上下行，因此其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD依靠时间来区分上下行，所以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。

   图2.5是LTETDD中支持的7种不同的上、下行时间配比，从将大部分资源分配给下行的“9:

1”到上行占用资源较多的“2:

3”，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置。

这样，在资源组成上TDD与FDD所固有的不同，成为了LTE中另一部分为TDD所进行的专门设计的原因。

这一部分设计主要包括“物理层HARQ的相关机制”，以及“采用频分的随机接入信道”。

   图2.5LTETDD上下行配比

2.5频分的随机接入信道

   允许同一时间上存在多个随机接入信道（频分）是TDD上下行时分的结构形成的又一设计结果。

在LTEFDD的设计中，同一时刻只允许一个随机接入信道的存在，即仅在时间域上改变随机接入信道的数量。

而在TDD中，时间资源已经在上下行进行了分配，同时由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子帧数目很少的情况（如DL:

UL=9:

1），因此在TDD中需要支持频分的随机接入信道，即在同一时间位置上采用不同频率的区分提供多个随机接入信道，以为系统提供足够的随机接入的容量。

为了能在两种双工方式下都实现最优化的系统性能，同时成为有竞争力的FDD和TDD系统，LTE在系统设计中，根据TDD固有的物理特性对LTETDD系统，尤其是物理层进行了一系列专门的设计，包括帧结构、特殊时隙、同步信道、上下行时间的分配、HARQ机制以及随机接入信道的频分等。

这些设计在一定程度上参考和继承了3GTD-SCDMA的设计思想。

通过这些设计，有效地保证了LTE在TDD模式下实现合理、高效的运行。

三、LTE-TDD的优势

 LTETDD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LTEFDD相比，具有特有的优势，但也存在一些不足。

3.1LTETDD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LTETDD系统无需成对的频率,可以方便的配置在LTEFDD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155MHz的频段（如图3.1所示）,为LTETDD的应用创造了条件。

因此，在频段资源方面，LTETDD系统和LTEFDD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LTETDD系统和LTEFDD系统，充分利用频谱资源。

图3.1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。

LTETDD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，LTETDD系统可以根据业务类型灵活配置LTETDD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LTEFDD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LTEFDD系统，LTETDD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LTETDD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,LTETDD系统能有效地降低移动终端的处理复杂性。

 另外，在LTETDD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

  LTETDD系统还有一个LTEFDD无法比拟的优势，就是LTETDD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LTETDD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3.2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3.2：

TD-SCDMA与TD-LTE融合

4.2LTETDD的不足

    由于LTETDD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，LTETDD使用的控制信令比LTEFDD更复杂，且平均RTT稍长于LTEFDD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LTETDD系统的不足，LTETDD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。

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。

LTETDD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LTETDD技术研究的深入和国际市场的推广，应该会成为未来无线通信系统中的主流技术。

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