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LTE TDD与LTE FDD技术简介和比较

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LTE TDD与LTE FDD技术简介和比较

标签: 频分双工(FDD) 时分双工(TDD) LTE 2008-09-02 16:44

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。 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

LTE TDD与LTE FDD技术简介和比较

LTETDD与LTEFDD技术简介和比较标签:频分双工(FDD)时分双工(TDD)LTE2008-09-0216:44摘要:UTRA的长期演进(LongTermEvolution,LTE)技术存在LTEFDD和LTETDD两大阵营,本文在比较分析TDD和FDD技术特点的基础上,对LTETDD(即TD-LTE)的特有技术进行了总结
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