FDD LTE与TDD LTE的区别及系统设计差异

        随着通讯业的迅猛发展，4G技术即LTE 时代呼之欲出,文章基于3GPP R8 LTE协议，从频段、性能、关键 技术、具体实现、工程实施等方面，对FDD LTE 和TDD LTE 系统进行简单的比较分析，供大家了解并参考。
1 FDD LTE 与TDD LTE 的区别
FDD LTE 与TDD LTE 的区别在于双工方式的不同，以及由此带来一些系统设计上的差异。
1.1 双工方式比较
FDD 与TDD 是两种截然不同的双工方式。FDD 采用两个对称的频率信道进行发送和接收，这两个信道之间存在着一定的频段保护间隔。LTE 由于其频段的多样化，不同频段的收发间隔是不同的。TDD 的发送和接收信号在同一频率信道的不同时隙中进行，彼此之间采用一定的保护时间予以分离。它不需要分配对称频段的频率，可以充分利用零散的频谱资源。TDD 通过调整上下行时隙配比，可以灵活地支持不对称业务数据传输。
TDD 的优势：
（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，调整上下行时隙配比，能够很好地支持非对称业务；
（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）基站和终端都不需要收发隔离器，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，能够更好地采用传输预处理技术，如智能天线技术、预编码技术等，能有效地降低移动终端的处理复杂度；
（6）TDD 采用Beamforming 天线技术，所以TDD 的下行业务覆盖先天优势明显。
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，TDD 方式的发射时间比FDD 方式少；
（2）TDD 系统收发信道同频，系统间干扰更加复杂；
（3）上下行时隙转换点的存在使得对时间同步的要求更加严格。目前通常是整个网络中使用相同的时隙配比，否则上下行之间会存在同频干扰。
1.2 系统设计比较
PHY 处理、MAC 处理、RRM 处理等方面都有一些共性，但是由于子帧结构的不同，也带来了些细微的差别。
LTE 系统在FDD 和TDD 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3G TD-SCDMA 的设计思想。
1.2.1 子帧结构
FDD LTE 是从WCDMA 演进而来，TDD LTE 从TDSCDMA演进而来，所以LTE 系统在子帧结构上，顺从了以前3G 系统的特性。
FDD LTE 采用包含10 个子帧的10ms 无线帧，其中每个子帧又包含2 个时隙，共20 个时隙的结构，见图1；TDD LTE采用的也是包含10 个子帧的10ms 无线帧的结构，但是为了继承TD-SCDMA 的特性，在TDD LTE 帧结构中存在1ms 的特殊子帧，该子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP 和Up-PTS，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，见图2。对于TDD LTE 帧结构，有两个周期切换点：
（1）5ms 上下行切换周期：位于两个半帧中，在这两个半帧中各有一个特殊子帧来放特殊时隙，它们分别是子帧1 和子帧6；
（2）10ms 上下行切换周期：位于第一个半帧中，在子帧1来放特殊时隙。
其中子帧0 和5 以及DwPTS 总是用于下行发射，UpPTS和紧邻其后的子帧总是用于上行发射。其余的子帧遵循的规律同FDD。


图1 FDD LTE 帧结构


图2 TDD LTE 帧结构

三个特殊时隙的总长度固定为1 ms，而其各自的长度可以根据网络的实际需要进行配置，在技术规范中支持如表1 所示的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 不再发送上行数据信道，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。UpPTS 还可以 用于PRACH format4 的发送。
表1 TDD LTE 特殊子帧配置



对于FDD LTE，不存在上下行配比的问题，TDD LTE 则要对一个10ms 的无线帧进行上下行分配，一些用来传上行数据，一些用来传下行数据。协议中规定的上下行配比，如表2所示。
表2 上下行时隙配比




       
1.2.2 同步信号
由于帧结构的不同，引起了主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）设计上的不同。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，具体如下：
主同步信号在一个无线帧中有两个，这两个是完全相同的，用于小区搜索时的5ms 帧同步。对于FDD，主同步信号位于时隙0 和时隙10 的最后一个OFDM 符号上。对TDD，主同步信号位于子帧1 和子帧6 的第3 个OFDM 符号上即DwPTS 时隙上。
辅同步信号在一个无线帧中也有两个，但这两个略有差别，用于小区搜索时的10ms 帧同步。对于FDD，辅同步信号位于时隙0 和时隙10 的倒数第二个OFDM符号上。对TDD，辅同步信号位于时隙1 和时隙11 的倒数第一个OFDM 符号上。
1.2.3 参考信号
对于下行参考信号，FDD 和TDD LTE都支持cell-specificRS。同时TDD LTE 还针对一种用于Beamforming 天线模式的UE-specific RS。
对于上行参考信号，FDD 和TDD LTE 都支持DMRS 和SRS。FDD 中SRS 是在数据子帧上传输的；TDD 中SRS 是在特殊子帧中的UpPTS 上传输的。
1.2.4 RACH
RACH 的作用有二：（1）探测UE 进行网络接入请求；（2）进行定时提前量的估计。
FDD RACH 信号在时域上占据1 ～ 3 个子帧，由CP ＋PreambleSequence ＋ GT 构成。TDD RACH 信号除与FDD 相同的子帧外，还可以在其特殊子帧的UpPTS 上发射和接收。长RACH 信号在频域占据6 个RB 大小的资源 ，其位置由高层配置。短RACH 信号在频域占据6~36 个RB 资源块。一个RB 由12 个数据子载波(15KHz) 组成，一个数据子载波由12 个RACH 子载波(1.25KHz)构成；TDD 支持的format 4 的RACH 子载波间距为15KHz。
采用短RACH 的原因也是与TDD 关于特殊时隙的设计相关的，短RACH 在特殊时隙的最后部分（即UpPTS）进行发送，利用这一部分的资源完成上行随机接入的操作，避免占用正常子帧的资源。采用短RACH 时，需要注意的一个主要问题是其链路预算所能够支持的覆盖半径，由于其时间长度小于其它格式的RACH 序列，因此其链路预算比其他格式的要低，相应的适用于覆盖半径较小的场景。
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LTE FDD 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。
1.2.5 PCFICH
PCFICH 携带的是PDCCH 所占的OFDM 符号数信息，eNodeB 通过PCFICH 将一个子帧中PDCCH 占用的OFDM符号数通知给UE，这个OFDM 符号数由CFI 来指示。每个子帧中都发射PCFICH。
TDD LTE存在特殊子帧，当在特殊子帧传输下行数据，其对应的PDCCH 最大占用的OFDM 符号数会小一些。如表3所示，TDD除了子帧1 和6 的所提供的PDCCH占用的OFDM符号数不同外，其他子帧情况同FDD LTE。
表3 PDCCH 所占OFDM 符号数



1.2.6 PHICH
PHICH 承载eNodeB 对上行发射信号做出的NAK/ACK响应信息。在一个子帧中，PHICH 持续时间主要有两种，一是短PHICH，另一种是长PHICH。这个持续时间在PBCH 中利用1bit 来指示。在下行的每个子帧中，都需要发射PHICH，而且可以同时发射多个PHICH 组。
对于FDD，PHICH 组的数量在所有子帧中是固定的。对于TDD，PHICH 组的数量在下行子帧间是可变的，在不同的上下行时隙配比下有所不同，如表4 所示。
表4 TDD 的PHICH 组的数量




       
1.2.7 HARQ
在FDD 和TDD 情况下，数据与ACK/NAK 反馈之间具有不同的时间对应关系（即HARQ Timing）。
对于FDD，下行HARQ 进程数最大为8。对于TDD，下行HARQ 进程数由上下行时隙配比确定，如表5 所示。
表5 TDD 的下行HARQ 进程数



对于TDD，上行HARQ 进程数由上下行时隙配比和子帧类型决定，如表6 所示。
表6 TDD 的上行HARQ 进程数



1.2.8 多天线技术
LTE 支持7 种天线发射模式。
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，针对TDDLTE 的。在TDD LTE R9 对模式7 进行了增强，引入双流Beamforming，称为Mode-8。
1.3 天线性能比较
1.3.1 理论峰值速率比较
表7 下行理论峰值速率比较(20MHz)



表8 上行理论峰值速率比较(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 中规定，对于FDD LTE 其下行瞬时峰值速率要达到100Mbps，上行要达到50Mbps。但是对于上下行带宽共享的情况，则无此要求。由于TDD 是上下行共用带宽，所以通过瞬时峰值速率来比较FDD 与TDD 的性能是不合理的。通常采用一种折中的办法，用频谱效率来评估性能。
在TS25.913 以及NGMN 的需求中规定：在20MHz 带宽下，天线配置为下行2×2MIMO的情况下，下行频谱效率要达到5bps/Hz, 上行1×2 SIMO 的情况下，上行频谱效率要达到2.5bps/Hz。表7，表8 是在20MHz 带宽下给出的结果，从中可以看出，TDD 和FDD 都能满足需求。而且TDD 和FDD 的峰值频谱效率接近。


       
1.3.2 系统仿真的吞吐率和频谱效率比较
表9 为在低速移动场景下，系统带宽为10MHz ，天线配置为2×2 闭环预编码MIMO 的情况下给出的评估结果。表10为在低速移动场景下，系统带宽为10MHz，采用1 发2 收接收分集的情况下给出的评估结果。
从吞吐率来看，TDD 由于发射时间少于FDD，所以其吞吐率明显小于FDD；从频谱效率来看，TDD 和FDD 还是比较接近的。
表9 下行吞吐率及频谱效率



表10 上行吞吐率及频谱效率



1.3.3 天线选择
TDD LTE 最大支持8 天线，除了FDD LTE 支持的多天线技术，下行还支持8x BF，4x BF，上行还支持8  天线接收分集，双流BF 将在R9 中考虑。通常采用8 通道板状天线。
FDD LTE 最大支持4 天线，最大支持下行4*4 MIMO 和上行2*4 MIMO，通常采用双化天线。
TDD主打的BF技术要求安装时空间隔离度低，所以TDD适合采用多通道板状天线。FDD 主打的空分复用和发射分集技术要求安装时空间隔离度较高，但对通道数要求并不像TDD那么多，所以FDD 可以采用双极化天线。
1.3.4 组网方式
TDD LTE 和FDD LTE 都支持同频组网和异频组网。同频组网和当前UMTS 的同频组网相似，频率复用系数为1。所有的小区使用的频率相同。
目前TDD和FDD的小区间同频干扰抑制支持静态ICIC，半静态ICIC 和动态ICIC 三种。ICIC 基于分数频率复用技术，其目标是相邻小区的边缘区域使用的频率不同，而小区中心区域使用的频率可以相同。
异频组网和当前GSM的异频组网相似，只是LTE的异频组网复用系数为3。相邻的三个小区使用的频率不同。
2 结语
综上分析可以看出，TDD LTE 和FDD LTE 由于双工方式的不同存在一些系统设计上的差别，使得RRU只能分开设计，但得益于SDR 平台的特性使得BBU 可以共 平台开发。
从频段划分上看，TDD LTE 与FDD LTE 是一种互补而非竞争的关系。只要满足标准对两者的系统间干扰的规定，两者共同组网是可行的。
从技术上看，TDD的优势在于：（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，调整上下行时隙配比，能够很好地支持非对称业务；（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）基站和终端都不需要收发隔离器，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，能够更好地采用传输预处理技术，如智能天线技术、预编码技术等，能有效地降低移动终端的处理复杂度。（6）TDD 采用Beamforming 天线技术，所以TDD 的下行业务覆盖先天优势明显。
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，TDD 方式的发射时间比FDD 方式少。如果TDD 要发送和FDD 同样多的数据，就要增大TDD 的发射频率带宽。（2）TDD 系统收发信道同频，系统间干扰更加复杂。（3）上下行时隙转换点的存在使得对时间同步的要求更加严格，常是整个网络中使用相同的时隙配比，否则上下行之间会存在同频干扰。