FDD LTE與TDD LTE技術對標研究

楊健，李方村

（中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，濟南 250001）

1 前言

2013年底，工信部下發(fā)了TD-LTE網(wǎng)絡建設的牌照。2014年6約27日，工信部正式批復中國電信和中國聯(lián)通分別在16個城市開展LTE混合組網(wǎng)試驗。FDD與TDD LTE系統(tǒng)有什么差異，差異有多大，是LTE組網(wǎng)中面臨的問題?；诖?，本文從技術層面展開了分析。

2 FDD與TDD LTE物理層協(xié)議對比

FDD與TDD LTE具有相同的網(wǎng)絡架構。同UTRAN等前代系統(tǒng)相比最大的區(qū)別在于取消了RNC，eNB與EPC間通過S1接口直接相連，eNB與EPC節(jié)點多對多連接，形成網(wǎng)格網(wǎng)絡，而eNB之間通過X2接口直接相連。

FDD與TDD LTE內(nèi)部協(xié)議基本相同，僅在物理層有部分差異，主要差別在雙工方式上。下面分別介紹二者的具體差異。

2.1 雙工方式

LTE系統(tǒng)同時定義了頻分雙工（FDD) 和時分雙工（TDD) 兩種方式，如圖1所示。

圖1 雙工方式

TDD用時間來分離接收和發(fā)送信道。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(xié)同一致才能順利工作。

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。

2.2 幀結構與同步信號

FDD LTE系統(tǒng)中，每個無線幀被分為10個子幀，每個子幀包含兩個時隙，每時隙長0.5 ms。上行、下行相同的幀結構。

TDD LTE系統(tǒng)中，每個10 ms無線幀包括2個長度為5 ms的半幀，每個半幀由4個普通子幀和1個特殊子幀組成。特殊子幀包括3個特殊時隙：下行導頻時隙（DwPTS），保護間隔（GP）和上行導頻時隙（UpPTS），總長度為1ms。

FDD 與TDD LTE相比，沒有特殊子幀。為了提高頻譜效率，TDD LTE利用特殊時隙傳輸控制信息，但是保護間隔（GP）不傳送任何數(shù)據(jù)。另外，TDD LTE支持7種子幀配比，以便靈活的支持不同配置的上下行業(yè)務。特殊子幀支持9種配置，用以改變DwPTS，GP和UpPTS的長度。

同步信號用來使UE實現(xiàn)下行同步，同時識別物理小區(qū)ID（PCI），從而對小區(qū)信號進行解擾。LTE的同步信號周期是5 ms，分為主同步信號PSS和輔同步信號SSS。在TDD和FDD的幀結構中，同步信號的位置是不同的。FDD LTE中，同步信號位于第0號子幀第一個時隙的最后兩個OFDM符號上。TDD LTE系統(tǒng)中，輔同步信號SSS位于第0號子幀最后一個OFDM符號上，而主同步信號位于第1號子幀第三個OFDMA符號上。根據(jù)PSS與SSS相對位置的差異，終端可以在小區(qū)搜索時區(qū)分出TDD和FDD系統(tǒng)。

2.2.1 下行傳輸模式

3GPP R8 and R9定義了8種下行傳輸模式：

TM1：單天線端口傳輸，主要應用于單天線傳輸?shù)膱龊稀?/p>

TM2：發(fā)送分集模式，適合于小區(qū)邊緣信道情況復雜，分集能夠提供分集增益。

TM3：開環(huán)空間復用，只上報RI、CQI，不上報PMI，更加穩(wěn)健，用于高速場景。

TM4：閉環(huán)空間復用，適合于信道條件較好的場合，用于提供高的數(shù)據(jù)率傳輸。

TM5：MU-MIMO傳輸模式，主要用來提高小區(qū)的上行容量。

TM6：Rank1的傳輸，主要適合于小區(qū)邊緣的情況。

TM7：單流Beamforming模式，主要適于小區(qū)邊緣，能夠有效對抗干擾。

TM8：雙流Beamforming模式。

FDD LTE系統(tǒng)因不支持BF，所以適用模式為TM1-6。TDD LTE系統(tǒng)支持全部傳輸模式。

2.2.2 隨機接入前導格式

UE通過上行PRACH來達到與LTE系統(tǒng)之間的上行接入和同步。如圖2所示， 為了適應不同的小區(qū)大小，LTE系統(tǒng)中的PRACH定義了5種類型。FDD支持格式0～3，TDD支持全部格式，其中：格式4隨機接入序列長度較短，可以在特殊時隙的UpPTS中進行發(fā)送，以提高頻譜利用率。

3 FDD與TDD LTE網(wǎng)絡性能對比

3.1 時延對比

如圖3所示，TDD LTE系統(tǒng)的時分雙工模式以及子幀配比使得某些信息反饋的延時大于FDD LTE相應的延時，因此TDD LTE的RTT（Round-Trip Time）比FDD LTE略大。

3.2 頻譜效率對比

由于TDD LTE中保護間隔GP，不能傳送數(shù)據(jù)，因此TDD LTE的頻譜效率比FDD LTE略低。特別是提供廣覆蓋的時候，使用長CP，對頻譜資源造成了浪費。

圖2 PRACH格式

圖3 FDD與TDD LTE時延對比

圖4給出了FDD與TDD LTE的仿真結果，其中：FDD LTE系統(tǒng)帶寬為上、下行各10 MHz，TDD LTE上下行共10 MHz帶寬，DL:UL=2:2，特殊子幀10:2:2。

3.2.1 覆蓋能力對比

以正在進行的FDD LTE試驗網(wǎng)與移動D頻段TDLTE進行對比，因頻段差異，所以覆蓋能力有所差異。

傳播模型采用COST231-Hata模型：

PL（dB)=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+（44.9-6.55×lgH)×lgD+C

其中：PL：路徑損耗；

F：頻率，單位MHz（1 500～2 000 MHz);

D：距離，單位km；

H：基站天線有效高度，單位m；

C：環(huán)境校正因子，取值：密集城區(qū)-2 dB，城區(qū)-5 dB，郊區(qū)-8 dB，農(nóng)村-10 dB，開闊地-26 dB。

天線有效掛高均為30 m，未考慮天線增益差異，2.6 GHz一般城區(qū)室外電平門限-101 dBm，郊區(qū)農(nóng)村-103 dBm；1 865 MHz一般城區(qū)室外電平-103 dBm，郊區(qū)農(nóng)村-105 dBm。經(jīng)鏈路預算，2.6 GHz一般城區(qū)覆蓋半徑約359 m，郊區(qū)農(nóng)村覆蓋半徑534 m；1 865 MHz一般城區(qū)覆蓋半徑561 m，郊區(qū)農(nóng)村覆蓋半徑834 m。表2為F頻段FDD LTE與D頻段TDD LTE鏈路預算對比。

3.2.2 承載速率對比

LTE系統(tǒng)的速率受到多個因素的影響，如：系統(tǒng)帶寬、信道環(huán)境、終端能力、是否考慮MIMO等。本文在FDD LTE帶寬10 MHz（上下行各10 MHz）、15 MHz（上下行各15 MHz），TDD LTE帶寬20 MHz（上下行總帶寬20 MHz）情況下，考慮MIMO，調制方式64QAM，TD-LTE子幀配比1:3，特殊子幀考慮傳送業(yè)務的前提下，計算FDD與TDD LTE系統(tǒng)的下行理論峰值速率，如下：

20 MHz TD-LTE理論下行峰值速率為110 Mbit/s;

15 MHz FDD LTE理論下行峰值速率近120 Mbit/s;

10 MHz FDD LTE理論下行峰值速率約80 Mbit/s。

圖4 FDD與TDD LTE頻譜效率對比

表1 F頻段FDD LTE與D頻段TDD LTE鏈路預算對比

從上述計算結果可以看出，20 MHz TDD LTE的下行峰值速率略低于15 MHz FDD LTE系統(tǒng)，但遠高于10 MHz（上下行共計20 MHz）FDD LTE系統(tǒng)的速率。

3.2.3 組網(wǎng)方式對比

FDD LTE系統(tǒng)只有頻率規(guī)劃，結合ICIC完成網(wǎng)絡規(guī)劃。TDD LTE系統(tǒng)除了頻率規(guī)劃外還需進行時隙規(guī)劃，頻率規(guī)劃結合ICIC完成，時隙規(guī)劃根據(jù)業(yè)務分布、干擾隔離等方面在組網(wǎng)中進行考慮。同頻段的TDD LTE系統(tǒng)時隙規(guī)劃必須一致，必須具有相同的子幀配置和特殊時隙配置。否則，基站之間會產(chǎn)生交叉時隙干擾。

另外，F(xiàn)DD LTE系統(tǒng)使用普通的2通道天線，TDD LTE系統(tǒng)使用8通道智能天線。非智能天線和智能天線相比，天線增益大2～3 dB，天線體積小，成本低，但沒有波束賦形功能。

4 小結

通過對FDD與TDD LTE系統(tǒng)在物理層協(xié)議、網(wǎng)絡性能等方面的對比，發(fā)現(xiàn)二者在技術上高度統(tǒng)一，實現(xiàn)全面融合已具備條件，且目前運營商已陸續(xù)建設FDD/TDD LTE融合網(wǎng)絡。