LTE_TDD與LTE_FDD技術比較研究與分析培訓講學

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LTE_TDD與LTE_FDD技術比較研究與分析-LTETDD與LTEFDD技術簡介和比較摘要UTRA的長期演進(LongTermEvolution,LTE)技術存在LTEFDD和LTETDD兩大陣營。在這兩種雙工方式下，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HYPERLINK/3Gt_blank3GTD-HY

2、PERLINK/tech/SCDMAt_blankSCDMA的設計思想。本文在比較分析TDD和FDD技術特點和幀結構的基礎上，對LTETDD（即TD-LTE）的特有技術進行了總結，并結合中國移動現有的網絡部署和TDD頻段資源情況，對LTETDD和LTEFDD的應用前景進行了初步分析。關鍵詞LTETDDLTEFDDLET幀結構頻段第一章緒論是定義的下一個移動寬帶。隨著移動通信技術的蓬勃發(fā)展，無線通信系統呈現出移動化、寬帶化和IP化的趨勢，移動通信市場的競爭也日趨激烈。為應對來自WiMAX，Wi-Fi等傳統和新興無線寬帶接入技術的挑戰(zhàn)，提高3G在寬帶無線接入市場的競爭力，3GPP開展UTRA長期演

3、進(LongTermEvolution,LTE)技術的研究，以實現3G技術向B3G和4G的平滑過渡。LTE的改進目標是實現更高的數據速率、更短的時延、更低的成本，更高的系統容量以及改進的覆蓋范圍。TDD幀結構的融合使更多的廠商參與到TDD的標準化進程中，LTETDD技術受到了廣泛的重視，其產業(yè)化進程也有了顯著的發(fā)展。本文在比較分析TDD和FDD技術特點的基礎上，總結了TD-LTE系統的特有技術，并結合中國移動現有的網絡部署和TDD頻段資源情況，對LTETDD和LTEFDD的應用前景進行了分析。第二章FDD與TDD工作原理2.1原理概述頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)是兩種不同的雙工方式。

4、如圖1所示，FDD是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，用保護頻段來分離接收和發(fā)送信道。FDD必須采用成對的頻率，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路，其單方向的資源在時間上是連續(xù)的。FDD在支持對稱業(yè)務時，能充分利用上下行的頻譜，但在支持非對稱業(yè)務時，頻譜利用率將大大降低。TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。在TDD方式的移動通信系統中,接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載,其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進行了分配。某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站，基站和移動臺之間必須協同一致才能順利工作。圖2.1：FDD和TDD的工作原理2.

5、2優(yōu)缺點比較1、TDD雙工方式的工作特點使TDD具有如下優(yōu)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，提高下行時隙比例，能夠很好的支持非對稱業(yè)務；（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；（4）接收上下行數據時，不需要收發(fā)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，能夠更好的采用傳輸預處理技術，如預RAKE技術、聯合傳輸(JT)技術、智能天線技術等,能有效地降低移動終端的處理復雜性。2、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

6、別分給了上行和下行，因此TDD方式的發(fā)射時間大約只有FDD的一半，如果TDD要發(fā)送和FDD同樣多的數據，就要增大TDD的發(fā)送功率；（2）TDD系統上行受限，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；（3）TDD系統收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離，系統內和系統間存在干擾；（4）為了避免與其他無線系統之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率。ITU要求TDD系統移動速度達到120km/h，要求FDD系統移動速度達到500km/h。FDD是連續(xù)控制的系統，TDD是時間分隔控制的系統。在高速移動時，多普勒效應會導致快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深。在目前芯片處理

7、速度和算法的基礎上，當數據率為144kb/s時，TDD的最大移動速度可達250km/h，與FDD系統相比，還有一定差距。3、根據FDD、TDD模式以上不同的特點，在3G移動網絡中，它們各自有著不同的適用范圍：（1）采用FDD系統多是連續(xù)控制，適應于大區(qū)制的國家和國際間覆蓋HYPERLINK/view/527.htmt_blank漫游，適合于對稱業(yè)務（如話音、交互式適時數據等）。（2）采用TDD系統多是時間分隔控制，適用于城市及近郊等高密度地區(qū)的局部覆蓋和對稱及不對稱數據業(yè)務。特別是它的不對稱傳輸數據的功能，尤為適合接入基于HYPERLINK/view/8370.htmt_blankIP的各種數

8、據業(yè)務。因為，在HYPERLINK/view/11165.htmt_blankInternet的數據傳輸過程中，往往要求下行速率遠大于上行速率。在4G網絡時代，視頻流媒體、交互Web等下行流占據絕對優(yōu)勢，也因此人們對TDD在4G的應用充滿了期待，TDD受到了下一代無線系統HYPERLINK/view/26835.htmt_blankWiMAX和HYPERLINK/view/3933.htmt_blankIEEE802.20的關注。然而在目前，TDD模式在運營中還面臨一系列技術問題，如交叉時隙干擾、操作干擾、轉接時延以及發(fā)送信道狀態(tài)信息超時，所以使用單一模式的TDD還是不現實的。TDD和FDD在

9、技術特點上各有各的優(yōu)勢，HYPERLINK/view/61891.htmt_blank中國是世界第一移動大國，頻譜資源日益短缺是移動網絡建設迫切需要解決的第一問題。對頻譜資源，每一個人都會明白：FDD頻譜資源緊張，TDD頻譜資源豐富。在這一點上，TDD的優(yōu)勢更明顯一些，所以在中國，從TDSCDMA3G到4G的各個階段，都將更傾向于使用TDD技術。第三章TD-LTE系統特有技術3.1、幀結構LTE系統同時定義了頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD)兩種雙工方式，并分別設計了FDD和TDD的幀結構1。FDD模式下，10ms的無線幀被分為10個子幀,每個子幀包含兩個時隙，每時隙長0.5ms。TDD模

10、式下，每個10ms無線幀包括2個長度為5ms的半幀，每個半幀由4個數據子幀和1個特殊子幀組成，如圖2所示。特殊子幀包括3個特殊時隙：DwPTS，GP和UpPTS，總長度為1ms。DwPTS和UpPTS的長度可配置，DwPTS的長度為312個OFDM符號，UpPTS的長度為12個OFDM符號，相應的GP長度為110個OFDM符號。LTE支持5ms和10ms上下行切換點。對于5ms上下行切換周期，子幀2和7總是用作上行。對于10ms上下行切換周期，每個半幀都有DwPTS；只在第1個半幀內有GP和UpPTS，第2個半幀的DwPTS長度為1ms。UpPTS和子幀2用作上行，子幀7和9用作下行。如圖3.

11、1的無線幀結構圖所示，在LTE中TDD與FDD幀結構最顯著的區(qū)別在于：在TDDType2幀結構中存在1ms的特殊子幀（Subframe），該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP和UpPTS，其含義和功能與HYPERLINK/tech/TD%2DSCDMAt_blankTD-SCDMA系統相類似，其中DwPTS始終用于下行發(fā)送，UpPTS始終用于上行發(fā)送，而GP作為TDD中下行至上行轉換的保護時間間隔。圖3.1：LTETDD幀結構由于TDD幀結構與FDD幀結構不同，所以TD-LTE系統具有一些特有技術。3.2、多子幀調度/反饋和FDD不同，TDD系統不總是存在1:1的上下行比例（見表3.1）

12、，可以根據不同的業(yè)務類型，調整上下行時間配比，以滿足上下行非對稱的業(yè)務需求。當下行多于上行時，存在一個上行子幀反饋多個下行子幀，TD-LTE提出的解決方案有：multi-ACK/NAK，ACK/NAK捆綁（bundling）等。當上行子幀多于下行子幀時，存在一個下行子幀調度多個上行子幀（多子幀調度）的情況。表3.1：不同幀周期的上下行配比3.3、特殊時隙的應用為了節(jié)省網絡開銷，TD-LTE允許利用特殊時隙DwPTS和UpPTS傳輸系統控制信息。DwPTS中包含物理下行控制HYPERLINK/tech/%D0%C5%B5%C0t_blank信道和數據信道，實現與其它下行子幀相同的下行數據發(fā)送的功

13、能。而UpPTS不再發(fā)送上行數據，決定將UpPTS的上行符號用于上行Sounding導頻的發(fā)送，這樣的導頻可以用于上行信道的測量，在TDD的模式下由于上下行信道的對稱性，還可以相應的獲得關于下行信道的信息。從圖3.2中可以看到，三個特殊時隙的總長度固定為1ms，而其各自的長度可以根據網絡的實際需要進行配置（例如，不同的小區(qū)覆蓋半徑），在HYPERLINK/techt_blank技術規(guī)范中支持如表2.1所示的9種配置選項。從表3.2中可以看出UpPTS的長度為12個符號；DwPTS的長度為312個符號；相應的GP長度為110個符號，時間長度為70700s，對應的支持1100km的小區(qū)覆蓋半徑。圖

14、3.2Type2TDD特殊時隙的設計表3.2支持的9種配置選項DwPTS中包含物理下行控制HYPERLINK/tech/%D0%C5%B5%C0t_blank信道和數據信道，實現與其它下行子幀相同的下行數據發(fā)送的功能。而UpPTS不再發(fā)送上行數據，決定將UpPTS的上行符號用于上行Sounding導頻的發(fā)送，這樣的導頻可以用于上行信道的測量，在TDD的模式下由于上下行信道的對稱性，還可以相應的獲得關于下行信道的信息。LTEFDD中用普通數據子幀傳輸上行sounding導頻，而TDD系統中，上行sounding導頻可以在UpPTS上發(fā)送。另外，DwPTS也可用于傳輸PCFICH、PDCCH、PH

15、ICH、PDSCH和P-SCH等控制信道和控制信息。其中，DwPTS時隙中下行控制信道的最大長度為兩個符號，且主同步信道固定位于DwPTS的第三個符號。3.4、同步信號設計同步信道是另一項體現不同雙工方式的設計。除了TDD固有的特性之外（上下行轉換、特殊時隙等），TDD幀結構與FDD幀結構的主要區(qū)別在于同步信號的設計。LTE中用于小區(qū)搜索的同步信道包括“主同步信號”（PSS）和“輔同步信號”（SSS）,周期是5ms。如圖（圖3.3）是LTE同步信號的位置結構，在兩種幀結構中，同步信號具有不同的位置：在FDDType1中兩個同步信號連接在一起，位于子幀0和5的中間位置；而TDDType2中，輔同

16、步信號位于子幀0的末尾，主同步信號位于特殊子幀，即DwPTS的第三個符號。圖3.3LTE下行同步信號這樣，在兩種幀結構中，同步信號在無線幀中的絕對位置不相同，更為重要的是，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。由于同步信號是終端進行小區(qū)搜索時最先檢測的信號，這樣不同的相對位置的設計使得終端在HYPERLINK/tech/%BD%D3%C8%EB%CD%F8t_blank接入網絡的最開始階段就可以檢測出網絡的雙工方式，即FDD或者TDD。3.5HARQ的設計LTEFDD系統中，HARQ的RTT（RoundTripTime）固定為

17、8ms，且ACK/NACK位置固定，如圖3.4所示。TD-LTE系統中HARQ的設計原理與LTEFDD相同，但是實現過程卻比LTEFDD復雜，由于TDD上下行鏈路在時間上是不連續(xù)的，UE發(fā)送ACK/NACK的位置不固定，而且同一種上下行配置的HARQ的RTT長度都有可能不一樣，這樣增加了信令交互的過程和設備的復雜度。如圖3.4所示，LTEFDD系統中，UE發(fā)送數據后，經過3ms的處理時間，系統發(fā)送ACK/NACK，UE再經過3ms的處理時間確認，此后，一個完整的HARQ處理過程結束，整個過程耗費8ms。在LTETDD系統中，UE發(fā)送數據，3ms處理時間后，系統本來應該發(fā)送ACK/NACK，但是

18、經過3ms處理時間的時隙為上行，必須等到下行才能發(fā)送ACK/NACK。系統發(fā)送ACK/NACK后，UE再經過3ms處理時間確認，整個HARQ處理過程耗費11ms。類似的道理，UE如果在第2個時隙發(fā)送數據，同樣，系統必須等到DL時隙時才能發(fā)送ACK/NACK，此時，HARQ的一個處理過程耗費10ms。可見，LTETDD系統HARQ的過程復雜，處理時間長度不固定，發(fā)送ACK/NACK的時隙也不固定，給系統的設計增加了難度。圖3.4：FDD和TDD的HARQ設計3.6上下行的時間分配前面內容，我們描述了LTE中與TDD特殊時隙相關的，針對TDD進行的設計。而在特殊時隙之外，TDD還有另外一個顯著區(qū)別

19、于FDD的物理特征，即FDD依靠頻率區(qū)分上下行，因此其單方向的資源在時間上是連續(xù)的；而TDD依靠時間來區(qū)分上下行，所以其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進行了分配。圖3.5是LTETDD中支持的7種不同的上、下行時間配比，從將大部分資源分配給下行的“9:1”到上行占用資源較多的“2:3”，在實際使用時，網絡可以根據業(yè)務量的特性靈活的選擇配置。這樣，在資源組成上TDD與FDD所固有的不同，成為了LTE中另一部分為TDD所進行的專門設計的原因。這一部分設計主要包括“物理層HARQ的相關機制”，以及“采用頻分的隨機接入信道”。圖3.5LTETDD上下行配比3.7頻分的隨機接入信道

20、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LTEFDD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(qū)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。為了能在兩種雙工方式下都實現最優(yōu)化的系統性能，同時成為有競爭力的FDD和TDD系統，LTE在系統設計中，根據TDD固有的物理特性對LTETDD系統

21、，尤其是物理層進行了一系列專門的設計，包括幀結構、特殊時隙、同步信道、上下行時間的分配、HARQ機制以及隨機接入信道的頻分等。這些設計在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設計思想。通過這些設計，有效地保證了LTE在TDD模式下實現合理、高效的運行。38、LTETDD與LTEFDD的比較LTETDD在幀結構、物理層技術、無線資源配置等方面具有自己獨特的技術特點，與LTEFDD相比，具有特有的優(yōu)勢，但也存在一些不足。第四章LTETDD的優(yōu)勢LTETDD在幀結構、物理層技術、無線資源配置等方面具有自己獨特的技術特點，與LTEFDD相比，具有特有的優(yōu)勢，但也存在一些不足。4.1LTETDD的

22、優(yōu)勢（1）頻譜配置頻段資源是無線通信中最寶貴的資源，隨著移動通信的發(fā)展，多媒體業(yè)務對于頻譜的需求日益增加?，F有的通信系統GSM900和GSM1800均采用FDD雙工方式，FDD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。由于LTETDD系統無需成對的頻率,可以方便的配置在LTEFDD系統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。另外，中國已經為TDD劃分了155MHz的頻段(如圖5所示),為LTETDD的應用創(chuàng)造了條件。因此，在頻段資源方面，LTETDD系統比LTEFDD系統具有更大的優(yōu)勢。中國移動可以針對不同的頻段

23、資源，分別部署LTETDD系統和LTEFDD系統，充分利用頻譜資源。圖4.1：中國為TDD劃分的頻段（2）支持非對稱業(yè)務在第三代移動通信系統以及未來的移動通信系統中,除了提供語音業(yè)務之外，數據和多媒體業(yè)務將成為主要內容，且上網、文件傳輸和多媒體業(yè)務通常具有上下行不對稱特性。LTETDD系統在支持不對稱業(yè)務方面具有一定的靈活性。根據LTETDD幀結構的特點，LTETDD系統可以根據業(yè)務類型靈活配置LTETDD幀的上下行配比。如瀏覽網頁、視頻點播等業(yè)務，下行數據量明顯大于上行數據量，系統可以根據業(yè)務量的分析，配置下行幀多于上行幀情況，如6DL:3UL，7DL:2UL，8DL:1UL，3DL:1UL

24、等。而在提供傳統的語音業(yè)務時，系統可以配置下行幀等于上行幀，如2DL:2UL。在LTEFDD系統中,非對稱業(yè)務的實現對上行信道資源存在一定的浪費,必須采用高速分組接入(HSPA)、EV-DO和廣播/組播等技術。相對于LTEFDD系統，LTETDD系統能夠更好的支持不同類型的業(yè)務，不會造成資源的浪費。（3）智能天線的使用智能天線技術是未來無線技術的發(fā)展方向，它能降低多址干擾，增加系統的吞吐量。在LTETDD系統中,上下行鏈路使用相同頻率,且間隔時間較短,小于信道相干時間，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，在使用賦形算法時，上下行鏈路可以使用相同的權值。與之不同的是,由于FDD系統上下行鏈路信號傳播的無線

25、環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同,根據上行鏈路計算得到的權值不能直接應用于下行鏈路。因而,LTETDD系統能有效地降低移動終端的處理復雜性。另外，在LTETDD系統中，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）與TD-SCDMA的共存LTETDD系統還有一個LTEFDD無法比擬的優(yōu)勢，就是LTETDD系統能夠與TD-SCDMA系統共存。對現有通信系統來說，目前的數據傳輸速率已經無法滿足用戶日益增長的需求，運營商必須提前規(guī)劃現有通信系統向B3G/4G系統的平滑演進。由于LTETDD幀結構基于我國TD-SCDMA的幀結構，能夠方便的實現TD-LTE系統與TD-SCDMA系統的共存和融合。如圖4.2所示，以5ms的子幀為基準，TD-SCDMA有7個子幀，且特殊時隙是固定的，TD-LTE通過調整特殊時隙的長度，就能夠保證兩個系統的GP時隙重合（上下行切換點）