LTE TDD與LTE FDD的關(guān)鍵過程差異分析*

莫宏波 ，朱新寧 ，果 敢 ，魏 然

（1.工業(yè)和信息化部電信研究院 北京100191；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京100876）

1 引言

LTE（long term evolution，長期演進）是第三代移動通信的演進性技術(shù)，依據(jù)其雙工方式的不同，可分為FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）兩種制式。與UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動通信系統(tǒng)）中FDD和TDD兩種制式的標(biāo)準(zhǔn)制定過程不同，LTE FDD和TDD從標(biāo)準(zhǔn)制定之初，就同時獲得了國際主流運營商、設(shè)備商的廣泛支持，并共同在3GPP框架內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)制定。3GPP采用“求同存異”的原則進行LTE FDD和TDD的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，將兩種制式的協(xié)議實現(xiàn)在相同的規(guī)范中描述，并盡可能保證其協(xié)議實現(xiàn)相同，如遇到無法融合的差異，則僅針對差異部分進行分別描述。標(biāo)準(zhǔn)制定的這種指導(dǎo)思想為LTE FDD和TDD技術(shù)的共同發(fā)展，為相關(guān)系統(tǒng)及終端設(shè)備共平臺、低成本的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。分析LTE TDD和FDD的差異將有助于我們更好地了解兩者的特點及其適用性，從而對兩種技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展與應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義。

2 LTE TDD設(shè)計中的不同考慮

由于TDD以時間區(qū)分上下行，F(xiàn)DD以頻率區(qū)分上下行，因此LTE TDD和FDD的差異首先體現(xiàn)在幀結(jié)構(gòu)上。LTE FDD的無線幀由10個長度為1 ms的子幀組成，每個子幀包含兩個長度為0.5 ms的時隙。TDD無線幀分為普通子幀和特殊子幀，其中普通子幀包含兩個0.5 ms的時隙，特殊子幀包含3個時隙，即DwPTS（downlink pilot time slot，下行導(dǎo)頻時隙）、GP（guard period，保護間隔）和 UpPTS（uplink pilot time slot，上行導(dǎo)頻時隙）。另外，LTE TDD 的子幀上下行比例可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)上下行業(yè)務(wù)的實際需求進行靈活配置，如表1所示[1]。表1中“D”表示下行子幀，“U”表示上行子幀，“S”表示特殊子幀。

LTE TDD與FDD在幀結(jié)構(gòu)上的不同是導(dǎo)致兩者其他差異存在的根源，使得LTE TDD和FDD在同步信號、參考信號和信道設(shè)計方面需分別考慮，主要包括如下幾點。

表1 LTE TDD子幀的上下行配置

（1）同步信號設(shè)計

同步信號用于UE對小區(qū)進行搜索時獲取時間、頻率同步和小區(qū)標(biāo)識，分為PSS（primary synchronization signal，主同步信號）和 SSS（secondary synchronization signal，輔同步信號）。LTE FDD的主同步信號在子幀0和子幀5的第一個時隙的最后一個OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）符號發(fā)送，輔同步信號在子幀0和子幀5的第一個時隙的倒數(shù)第二個OFDM符號發(fā)送。而對于TDD，主同步信號在子幀1和子幀6的第3個OFDM符號，即特殊子幀的DwPTS中發(fā)送，輔同步信號在子幀0和子幀5的最后一個OFDM符號發(fā)送。因此，LTE TDD和LTE FDD的主、輔同步信號在無線幀中的絕對位置和相對位置都不同。這種差異使得終端在接入網(wǎng)絡(luò)的初始階段就能識別出系統(tǒng)是TDD還是FDD制式。

（2）參考信號設(shè)計

上行鏈路中SRS（sounding reference signal，探測參考信號）用于eNodeB對上行信道質(zhì)量進行估計，下行鏈路中URS（UE-specific reference signal，UE 特定參考信號）可用于下行波束賦形。LTE FDD系統(tǒng)使用普通數(shù)據(jù)子幀傳輸SRS。而TDD系統(tǒng)中，SRS還可在UpPTS時隙發(fā)送，而且TDD終端在UpPTS時隙發(fā)送SRS應(yīng)為首選。另外，相比LTE FDD系統(tǒng)而言，由于TDD系統(tǒng)的上下行鏈路對稱特性，參考信號對TDD系統(tǒng)具有更加重要的作用。例如，URS可較好地與TDD的智能天線技術(shù)相結(jié)合，而TDD系統(tǒng)的eNodeB可利用SRS所得到的信道估計信息進行下行信道的選擇性調(diào)度或閉環(huán)MIMO（multiple input multiple output，多入多出）的預(yù)編碼矩陣的選擇。

（3）信道設(shè)計

在進行控制信道和數(shù)據(jù)信道的設(shè)計時，也需要考慮TDD和FDD的不同特性。以PDCCH（physical downlink control channel，物理下行控制信道）為例，PDCCH主要用于上下行資源的分配調(diào)度信息和上行功率控制消息的傳輸，在每個子幀的開始部分發(fā)送，當(dāng)下行資源塊數(shù)量時，其長度可為1、2或者3個OFDM符號，時，用于PDCCH的OFDM符號數(shù)為2、3或4個。但對于LTE TDD而言，如果PDCCH信道位于DwPTS時隙，則這兩種情況下的 PDCCH的長度分別只能為 1、2個OFDM符號和固定為2個OFDM符號。

3 LTE TDD和FDD的關(guān)鍵過程差異

由于LTE TDD與FDD在設(shè)計考慮上的差別，導(dǎo)致了其在某些關(guān)鍵過程的設(shè)計上也必須采用不同策略，下面對此進行詳細分析。

3.1 HARQ過程

HARQ（hybrid automatic repeat-request，混合式自動重傳請求）是一種降低傳輸錯誤概率的機制。LTE TDD與FDD在HARQ的ACK/NACK傳輸及其與原始發(fā)送數(shù)據(jù)的定時關(guān)系、最大并發(fā)進程數(shù)、RTT（round trip time，往返時間）等方面存在差異[2]。

3.1.1 HARQ過程的定時關(guān)系

LTE FDD系統(tǒng)中，上下行子幀數(shù)目相等，數(shù)據(jù)與反饋的ACK/NACK之間可以建立一一對應(yīng)關(guān)系，其HARQ過程簡單明了。圖1為LTE FDD中HARQ的定時關(guān)系示意。

從圖1中可看出，子幀i收到的ACK/NACK信息總是對應(yīng)于在子幀i－4發(fā)送的數(shù)據(jù)。另外，對于下行異步HARQ，收到ACK/NACK后數(shù)據(jù)的重傳或新數(shù)據(jù)的發(fā)送與之前的數(shù)據(jù)發(fā)送沒有確定的對應(yīng)關(guān)系；而對于上行同步HARQ，重傳數(shù)據(jù)或新數(shù)據(jù)總是在i+4時刻發(fā)送。

LTE TDD系統(tǒng)中，由于上下行子幀資源不連續(xù)，且配置方式有多種，造成上下行的子幀數(shù)目不相等，無法建立一一對應(yīng)的反饋關(guān)系。TDD在進行ACK/NACK位置設(shè)計時需考慮子幀的上下行方向，以上行HARQ為例，eNodeB只能等待下行子幀出現(xiàn)時才能進行ACK/NACK反饋，而UE收到反饋后也必須等待上行子幀出現(xiàn)時才能發(fā)送重傳的數(shù)據(jù)或新數(shù)據(jù)。

為此，協(xié)議中針對TDD中上下行時隙的不同上下行配置，專門為TDD系統(tǒng)定義了ACK/NACK反饋和重傳數(shù)據(jù)、新數(shù)據(jù)發(fā)送的位置對應(yīng)關(guān)系。子幀i收到的ACK/NACK反饋應(yīng)與子幀i－k發(fā)送的數(shù)據(jù)相對應(yīng)；子幀i在收到ACK/NACK后，將在子幀i+k’發(fā)送重傳數(shù)據(jù)或新數(shù)據(jù)。其中k和k’與上下行配置及子幀i的關(guān)系如表2所示。比較特殊的是，對上下行配置0，若數(shù)據(jù)在子幀4或9的PUSCH信道傳輸，則其ACK/NACK將在下一無線幀的子幀0和子幀5反饋。圖2以TDD的上下行配置2為例，給出了LTE TDD上行HARQ的定時關(guān)系。從圖2中可以看出，其RTT為10 ms。

表2 k值和k’值與上下行配置的關(guān)系（上行HARQ）

3.1.2 HARQ ACK/NACK的傳輸

TDD LTE系統(tǒng)中，當(dāng)存在上行子幀多于下行子幀時需使用一個下行子幀調(diào)度多個上行子幀，當(dāng)下行子幀多于上行子幀時需使用一個上行子幀反饋多個下行子幀。對此，協(xié)議中提供了以下兩種解決方法。

·ACK/NACK綁定：對前面多個下行子幀數(shù)據(jù)的ACK/NACK進行“與”運算，使用一個ACK/NACK完成前面多個下行子幀PDSCH數(shù)據(jù)的反饋。這是協(xié)議中默認的LTE TDD系統(tǒng)ACK/NACK反饋機制。

·ACK/NACK復(fù)用：在一個上行子幀的PUCCH資源上使用2 bit同時反饋多個傳輸數(shù)據(jù)的各自ACK/NACK。

上述兩種解決方法中，ACK/NACK綁定的缺點是出現(xiàn)NACK時，接收端無法確定具體是哪個子幀傳輸錯誤，即使只有一個子幀錯誤，也需要重傳所有被綁定的子幀，但帶來的好處是減小了控制開銷。ACK/NACK復(fù)用在接收端可定位出錯的具體數(shù)據(jù)塊，但是需要使用更多的比特進行反饋，資源利用率低。另外，ACK/NACK復(fù)用對信噪比要求更高，因此較適合非小區(qū)邊緣的用戶。并且ACK/NACK復(fù)用還不可用于上下行時隙配置5，因為在上下行配置5的情況下，10 ms無線幀配置為1個上行子幀、8個下行子幀和1個特殊子幀，而1個ACK/NACK復(fù)用最多也只能同時對4個下行子幀進行反饋。

3.1.3 HARQ的最大并發(fā)進程數(shù)

由于LTE中HARQ采用“?！取睓C制，即一個HARQ處理進程中，需等待一定時間收到ACK/NACK反饋后才能決定下一次進行新數(shù)據(jù)發(fā)送或是重傳，因此LTE采用并發(fā)多個進程的方式來提高資源的利用率。在LTE FDD中，HARQ的并發(fā)進程數(shù)最大為8個。但TDD受限于上下行子幀配置，其HARQ進程數(shù)與上下行子幀配置以及數(shù)據(jù)的發(fā)送位置有關(guān)。TDD系統(tǒng)在不同上下行子幀配置下的上下行HARQ進程最大數(shù)量如表3所示。由于TDD的HARQ進程數(shù)最大可達15個，因此TDD的HARQ進程需使用4 bit進行編號，而FDD的HARQ進程只需要3 bit即能滿足編號要求。

表3 TDD上下行HARQ進程最大可能數(shù)量

3.1.4 DRX狀態(tài)下的HARQ

DRX（discontinuous reception，非連續(xù)接收）的目的是為了減少UE的功率消耗。在DRX狀態(tài)下，UE會為每一個下行HARQ進程開啟一個HARQ RTT定時器，這個定時器長度為UE期待收到重傳數(shù)據(jù)需等待的最小子幀數(shù)。當(dāng)HARQ RTT定時器未過期時，UE不可進入睡眠狀態(tài)，以避免遺漏接收重傳數(shù)據(jù)。對于LTE FDD，HARQ RTT定時器始終為8 ms，而TDD的HARQ RTT定時器為（k+4）ms,其中k為下行數(shù)據(jù)傳輸與該傳輸?shù)腍ARQ反饋之間的時間間隔，如表4所示。需要說明的是，在使用ACK/NACK綁定或復(fù)用時會用一個ACK/NACK對前面M個下行子幀中的PDSCH數(shù)據(jù)進行反饋，由于M值不同，在同一上下行時隙配置下，會出現(xiàn)多個可能的k值[3]。

表4 TDD下行HARQ中各種上下行配置下可能的k值

3.2 半持續(xù)調(diào)度過程

LTE中存在動態(tài)調(diào)度和SPS（semi-persistent scheduling，半持續(xù)調(diào)度）兩種分組調(diào)度方式。SPS方式下，無線資源的分配在一段較長的時間內(nèi)半靜態(tài)地分配給UE，適合于如VoIP等數(shù)據(jù)分組小，時延要求高且數(shù)據(jù)傳送具有一定周期性的業(yè)務(wù)。

LTE TDD的SPS比FDD復(fù)雜。首先，SPS周期必須是上下行時隙配置周期的整數(shù)倍，以避免上下行沖突。另外，HARQ重傳與SPS之間可能產(chǎn)生沖突，例如上行SPS調(diào)度周期為20 ms，HARQ RTT為10 ms，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)重傳時，則第一個數(shù)據(jù)的重傳可能與第二個數(shù)據(jù)的首次傳輸發(fā)生沖突。針對此問題，協(xié)議中專門為TDD設(shè)計了雙間隔SPS機制。雙間隔SPS指在半持續(xù)調(diào)度中使用兩個不同的調(diào)度周期T1和T2，其中：

T1=SPS調(diào)度周期 +子幀偏置（offset）；

T2=SPS調(diào)度周期-子幀偏置（offset)

如圖3所示，在數(shù)據(jù)1的重傳與數(shù)據(jù)2的初始傳輸可能發(fā)生沖突時，先進行數(shù)據(jù)1的重傳，然后在一個偏置時間后，再開始數(shù)據(jù)2的初始傳輸[4]。

不過，雙間隔SPS雖然可以減少沖突的可能性，但并不能杜絕沖突的發(fā)生。當(dāng)依然可能出現(xiàn)沖突時，則需要使用動態(tài)調(diào)度來真正避免沖突。在SPS配置下，UE仍會監(jiān)聽在PDCCH信道上的動態(tài)調(diào)度信息。如果數(shù)據(jù)重傳和初始傳輸發(fā)生沖突，則可通過動態(tài)調(diào)度，首先傳輸重傳數(shù)據(jù)，然后在接下來的空閑子幀中傳輸初始數(shù)據(jù)。

3.3 隨機接入過程

在與網(wǎng)絡(luò)建立連接之前，UE需要通過PRACH（physical random access channel，物理隨機接入信道）發(fā)起隨機接入過程以獲得網(wǎng)絡(luò)的接入許可。PRACH在頻域上占用72個子載波，在時域上由循環(huán)前綴和接入前導(dǎo)序列兩部分組成，長度分別為TCP和TSEQ。根據(jù)這兩個長度的不同取值，可將PRACH分為5種不同的格式，如表5所示。

其中，前4種格式（格式0/1/2/3）LTE TDD和 FDD相同，分別適用于不同的應(yīng)用場景。如格式0隨機接入時隙在1個子幀中傳送，支持中小覆蓋范圍的小區(qū)；格式1和3由于CP較長，適于大的小區(qū)半徑；格式2和3采用重復(fù)的前導(dǎo)序列，可以增加PRACH的鏈路預(yù)算。格式4則為TDD特有，其前導(dǎo)序列和CP的持續(xù)時間較短，專門用于在UpPTS中發(fā)起隨機接入，叫做短RACH，且只適用于UpPTS長度為2個OFDM符號的情況。在TDD中，使用短RACH可充分利用UpPTS時隙，從而避免占用正常子幀的資源，提高資源利用率。但是，短RACH由于其序列長度較短，只適用于在半徑小于1.5 km的小區(qū)使用。

另外協(xié)議中規(guī)定，F(xiàn)DD系統(tǒng)中，每個子幀中最多傳送一個PRACH信道。但在TDD系統(tǒng)中，由于在某些上下行配置中上行子幀較少（如 DL∶UL=9∶1），為避免出現(xiàn)隨機接入資源不足，同時減少用戶接入的等待時間，降低接入失敗概率，則允許在接入資源不足時在一個子幀上最多使用6個頻分的隨機接入信道。

表5 隨機接入前導(dǎo)參數(shù)

3.4 尋呼過程

LTE中沒有專門用于尋呼的物理信道，而是在PDSCH中傳送需要的尋呼消息。LTE TDD和FDD的尋呼過程是相同的，但由于TDD中尋呼消息必須選擇下行子幀才能發(fā)送，因此其可用于尋呼的子幀不同于FDD。對于FDD，子幀 0、4、5 和 9 可用于尋呼；對 TDD，子幀 0、1、5 和 6 可用于尋呼。

4 結(jié)束語

經(jīng)上述分析，LTE TDD與FDD之間因幀結(jié)構(gòu)設(shè)計不同而使得其在信號、信道設(shè)計等方面存在差異，并導(dǎo)致其在關(guān)鍵過程實現(xiàn)上存在區(qū)別。從協(xié)議層面而言，這些差異主要集中在物理層，部分涉及到MAC（medium access control，媒體接入控制）層和 RRC（radio resource control，無線資源控制）層，兩者的 RLC（radio link control，無線鏈路控制）層、PDCP（packet data convergence protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層、NAS（non-access stratum，非接入）層并無差異。

從以上分析還可得出，LTE TDD的上下行子幀配置多樣，更適合非對稱業(yè)務(wù)，且TDD具有上下行信道互惠性等FDD不具備的優(yōu)勢，適用于更真實的場景，資源利用率更高。但是，多種不同的上下行時隙配置也造成了HARQ、SPS等過程復(fù)雜，實現(xiàn)更困難，同時造成了業(yè)務(wù)時延增加，使得TDD在傳輸時延敏感業(yè)務(wù)時不具備優(yōu)勢。

另外，從上述比較還可看出，相比于UMTS時代的TDD和FDD兩種制式，LTE時代的TDD與FDD在協(xié)議實現(xiàn)上已逐漸融合，兩者差異已大大減少，這使得LTE FDD和TDD網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的共享共存和FDD/TDD雙模終端的設(shè)計更易于實現(xiàn)。可以預(yù)計，基于TDD/FDD雙模終端的LTE TDD/FDD混合組網(wǎng)的運營模式將在未來出現(xiàn)。

1 3GPP TS 36.211 V8.6.0 3rd.Generation partnership project;technical specification group radio access network;evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA);physical channels and modulation(release 8),2009

2 3GPP TS 36.213 V8.6.0 3rd.Generation partnership project;technicalspecification group radio accessnetwork;evolved universalterrestrialradioaccess (E-UTRA);physicallayer procedures(release 8),2009

3 3GPP TS 36.321 V8.5.0 3rd.Generation partnership project;technicalspecification group radio accessnetwork;evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)medium access control(MAC)protocol specification(release 8),2009

4 Harri Holma,Antti Toskala.LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA based radio access.John Wiley&Sons Ltd,London,2009