LTE TDD與LTE FDD的關鍵過程差異分析*

莫宏波 ，朱新寧 ，果 敢 ，魏 然

（1.工業和信息化部電信研究院 北京100191；2.北京郵電大學信息與通信工程學院 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，依據其雙工方式的不同，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）中FDD和TDD兩種制式的標準制定過程不同，LTE FDD和TDD從標準制定之初，就同時獲得了國際主流運營商、設備商的廣泛支持，并共同在3GPP框架內進行標準制定。3GPP采用“求同存異”的原則進行LTE FDD和TDD的標準制定工作，將兩種制式的協議實現在相同的規范中描述，并盡可能保證其協議實現相同，如遇到無法融合的差異，則僅針對差異部分進行分別描述。標準制定的這種指導思想為LTE FDD和TDD技術的共同發展，為相關系統及終端設備共平臺、低成本的實現奠定了基礎。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，從而對兩種技術的協調發展與應用提供一定的指導意義。

2 LTE TDD設計中的不同考慮

由于TDD以時間區分上下行，FDD以頻率區分上下行，因此LTE TDD和FDD的差異首先體現在幀結構上。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，下行導頻時隙）、GP（guard period，保護間隔）和 UpPTS（uplink pilot time slot，上行導頻時隙）。另外，LTE TDD 的子幀上下行比例可依據網絡上下行業務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在幀結構上的不同是導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）同步信號設計

同步信號用于UE對小區進行搜索時獲取時間、頻率同步和小區標識，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，正交頻分復用）符號發送，輔同步信號在子幀0和子幀5的第一個時隙的倒數第二個OFDM符號發送。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中發送，輔同步信號在子幀0和子幀5的最后一個OFDM符號發送。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絡的初始階段就能識別出系統是TDD還是FDD制式。

（2）參考信號設計

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系統使用普通數據子幀傳輸SRS。而TDD系統中，SRS還可在UpPTS時隙發送，而且TDD終端在UpPTS時隙發送SRS應為首選。另外，相比LTE FDD系統而言，由于TDD系統的上下行鏈路對稱特性，參考信號對TDD系統具有更加重要的作用。例如，URS可較好地與TDD的智能天線技術相結合，而TDD系統的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度或閉環MIMO（multiple input multiple output，多入多出）的預編碼矩陣的選擇。

（3）信道設計

在進行控制信道和數據信道的設計時，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送，當下行資源塊數量時，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的關鍵過程差異

由于LTE TDD與FDD在設計考慮上的差別，導致了其在某些關鍵過程的設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傳輸及其與原始發送數據的定時關系、最大并發進程數、RTT（round trip time，往返時間）等方面存在差異[2]。

3.1.1 HARQ過程的定時關系

LTE FDD系統中，上下行子幀數目相等，數據與反饋的ACK/NACK之間可以建立一一對應關系，其HARQ過程簡單明了。圖1為LTE FDD中HARQ的定時關系示意。

從圖1中可看出，子幀i收到的ACK/NACK信息總是對應于在子幀i－4發送的數據。另外，對于下行異步HARQ，收到ACK/NACK后數據的重傳或新數據的發送與之前的數據發送沒有確定的對應關系；而對于上行同步HARQ，重傳數據或新數據總是在i+4時刻發送。

LTE TDD系統中，由于上下行子幀資源不連續，且配置方式有多種，造成上下行的子幀數目不相等，無法建立一一對應的反饋關系。TDD在進行ACK/NACK位置設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時才能發送重傳的數據或新數據。

為此，協議中針對TDD中上下行時隙的不同上下行配置，專門為TDD系統定義了ACK/NACK反饋和重傳數據、新數據發送的位置對應關系。子幀i收到的ACK/NACK反饋應與子幀i－k發送的數據相對應；子幀i在收到ACK/NACK后，將在子幀i+k’發送重傳數據或新數據。其中k和k’與上下行配置及子幀i的關系如表2所示。比較特殊的是，對上下行配置0，若數據在子幀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系（上行HARQ）

3.1.2 HARQ ACK/NACK的傳輸

TDD LTE系統中，當存在上行子幀多于下行子幀時需使用一個下行子幀調度多個上行子幀，當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據的ACK/NACK進行“與”運算，使用一個ACK/NACK完成前面多個下行子幀PDSCH數據的反饋。這是協議中默認的LTE TDD系統ACK/NACK反饋機制。

·ACK/NACK復用：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據的各自ACK/NACK。

上述兩種解決方法中，ACK/NACK綁定的缺點是出現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復用在接收端可定位出錯的具體數據塊，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復用對信噪比要求更高，因此較適合非小區邊緣的用戶。并且ACK/NACK復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的最大并發進程數

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據發送或是重傳，因此LTE采用并發多個進程的方式來提高資源的利用率。在LTE FDD中，HARQ的并發進程數最大為8個。但TDD受限于上下行子幀配置，其HARQ進程數與上下行子幀配置以及數據的發送位置有關。TDD系統在不同上下行子幀配置下的上下行HARQ進程最大數量如表3所示。由于TDD的HARQ進程數最大可達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進程最大可能數量

3.1.4 DRX狀態下的HARQ

DRX（discontinuous reception，非連續接收）的目的是為了減少UE的功率消耗。在DRX狀態下，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期待收到重傳數據需等待的最小子幀數。當HARQ RTT定時器未過期時，UE不可進入睡眠狀態，以避免遺漏接收重傳數據。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為下行數據傳輸與該傳輸的HARQ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綁定或復用時會用一個ACK/NACK對前面M個下行子幀中的PDSCH數據進行反饋，由于M值不同，在同一上下行時隙配置下，會出現多個可能的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 半持續調度過程

LTE中存在動態調度和SPS（semi-persistent scheduling，半持續調度）兩種分組調度方式。SPS方式下，無線資源的分配在一段較長的時間內半靜態地分配給UE，適合于如VoIP等數據分組小，時延要求高且數據傳送具有一定周期性的業務。

LTE TDD的SPS比FDD復雜。首先，SPS周期必須是上下行時隙配置周期的整數倍，以避免上下行沖突。另外，HARQ重傳與SPS之間可能產生沖突，例如上行SPS調度周期為20 ms，HARQ RTT為10 ms，當發生數據重傳時，則第一個數據的重傳可能與第二個數據的首次傳輸發生沖突。針對此問題，協議中專門為TDD設計了雙間隔SPS機制。雙間隔SPS指在半持續調度中使用兩個不同的調度周期T1和T2，其中：

T1=SPS調度周期 +子幀偏置（offset）；

T2=SPS調度周期-子幀偏置（offset)

如圖3所示，在數據1的重傳與數據2的初始傳輸可能發生沖突時，先進行數據1的重傳，然后在一個偏置時間后，再開始數據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生。當依然可能出現沖突時，則需要使用動態調度來真正避免沖突。在SPS配置下，UE仍會監聽在PDCCH信道上的動態調度信息。如果數據重傳和初始傳輸發生沖突，則可通過動態調度，首先傳輸重傳數據，然后在接下來的空閑子幀中傳輸初始數據。

3.3 隨機接入過程

在與網絡建立連接之前，UE需要通過PRACH（physical random access channel，物理隨機接入信道）發起隨機接入過程以獲得網絡的接入許可。PRACH在頻域上占用72個子載波，在時域上由循環前綴和接入前導序列兩部分組成，長度分別為TCP和TSEQ。根據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；格式1和3由于CP較長，適于大的小區半徑；格式2和3采用重復的前導序列，可以增加PRACH的鏈路預算。格式4則為TDD特有，其前導序列和CP的持續時間較短，專門用于在UpPTS中發起隨機接入，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的小區使用。

另外協議中規定，FDD系統中，每個子幀中最多傳送一個PRACH信道。但在TDD系統中，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 隨機接入前導參數

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 結束語

經上述分析，LTE TDD與FDD之間因幀結構設計不同而使得其在信號、信道設計等方面存在差異，并導致其在關鍵過程實現上存在區別。從協議層面而言，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，分組數據匯聚協議）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，更適合非對稱業務，且TDD具有上下行信道互惠性等FDD不具備的優勢，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等過程復雜，實現更困難，同時造成了業務時延增加，使得TDD在傳輸時延敏感業務時不具備優勢。

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在協議實現上已逐漸融合，兩者差異已大大減少，這使得LTE FDD和TDD網絡設備間的共享共存和FDD/TDD雙模終端的設計更易于實現?？梢灶A計，基于TDD/FDD雙模終端的LTE TDD/FDD混合組網的運營模式將在未來出現。

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