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1、LTE TDD 系统的设计分析1、引言LTE 系统支持 FDD 和 TDD 两种双工方式。在这两种双工方式下，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，下面我们对这些设计进行简要的描述与讨论。2、帧结构双工方式的不同，最直接的就是对于空中接口无线帧结构的影响，因为 FDD 采用频率来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是连续的；而 TDD 采用时间来区分
2、上、下行，其单方向的资源在时间上是不连续的，而且需要保护时间间隔来避免两个方向之间的收发干扰，所以 LTE 分别为 FDD 和TDD 设计了各自的帧结构，即 Type1 和 Type2，其中 Type1 用于 FDD，而 Type2 用于 TDD 的工作方式（见图 1）。图 1LTE 无线帧结构在 FDD Type 1 中，10ms 的无线帧分为 10 个长度为 1 ms 的 Subframe，每个 Subframe 由两个长度为 0.5ms 的 slot 组成。在 TDD Type2 中，10ms 的无线帧由两个长度为 5ms 的 Half-Frame 组成，每个 Half-Frame 由
3、5个长度为 1 ms 的 Subframe 组成，其中有 4 个普通的 Subframe 和 1 个特殊 Subframe。普通Subframe 由两个 0.5ms 的 slot 组成，特殊 Subframe 由 3 个特殊时隙（UpPTS，GP 和 DwPTS）组成。2.1Type2 TDD 特殊时隙的设计如上节的无线帧结构图所示，在 LTE 中 TDD 与 FDD 帧结构最显著的区别在于：在 TDD Type 2 帧结构中存在 1ms 的特殊子帧（Subframe），该子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP 和 UpPTS，其含义和功能与 TD-SCDMA 系统相类似，其中 DwPTS
4、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。图 2Type2 TDD 特殊时隙的设计从图 2 中可以看到，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（例如，不同的小区覆盖半径），在技术规范中支持如表 1 所示的 9 种配置选项。从表中可以看出 UpPTS 的长度为 12 个符号；DwPTS 的长度为 312 个符号；相应的 GP 长度为 110个符号，时间长度为 70700s，对应的支持 1100km 的小区覆盖半径。表 1支持的 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
5、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，决定将 UpPTS 的上行符号用于上行 Sounding 导频的发送，这样的导频可以用于上行信道的测量，在 TDD 的模式下由于上下行信道的对称性，还可以相应的获得关于下行信道的信息。2.2同步信道的设计同步信道是另一项体现不同双工方式的设计。LTE 中用于小区搜索的同步信道包括“主同步信号”和“辅同步信号”。图 3 是 LTE 同步信号的位置结构，在两种帧结构中，同步信号具有不同的位置：在 FDD Type1 中两个同步信号连接在一起，位于子帧 0 和 5 的中间位置；而 TDD Type2 中，辅同步信号位于子帧 0
6、的末尾，主同步信号位于特殊子帧，即 DwPTS 的第三个符号。图 3LTE 下行同步信号这样，在两种帧结构中，同步信号在无线帧中的绝对位置不相同，更为重要的是，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。由于同步信号是终端进行小区搜索时最先检测的信号，这样不同的相对位置的设计使得终端在接入网络的最开始阶段就可以检测出网络的双工方式，即 FDD 或者 TDD。2.3短 RACH短 RACH（Random Access CHannel）是 LTE 对 TDD 的另一项特殊设计。在 LTE 中，随机接入序列采用如图 4 所示的信号
7、结构，序列的长度共有 1ms，2ms 以及 157s 的三种选项，共 5 种随机接入序列格式。其中，长度为 157s 的随机接入序列格式是 TDD 所特有的，由于其长度明显短于其它的 4 种格式，因此又称为“短 RACH”。图 4LTE 的随机接入信道采用短 RACH 的原因也是与 TDD 关于特殊时隙的设计相关的，如同图中所描述的，短 RACH 在特殊时隙的最后部分（即 UpPTS）进行发送，这样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，由于其长度要大大的小于其它格式的 RACH 序列（1m
8、s，2ms），因此其链路预算相对较低（比长度为 1ms 的约低 7.8dB），相应的适用于覆盖半径较小的场景（根据网络环境的不同，约700m2km）。3、上下行的时间分配上一节中，我们描述了 LTE 中与 TDD 特殊时隙相关的，针对 TDD 进行的设计。而在特殊时隙之外，TDD 还有另外一个显著区别于 FDD 的物理特征，即 FDD 依靠频率区分上下行，因此其单方向的资源在时间上是连续的；而 TDD 依靠时间来区分上下行，所以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。图 5 是 LTE TDD 中支持的 7 种不同的上、下行时间配比，从将大部分资源分配给下行的“9:1
9、”到上行占用资源较多的“2:3”，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置。这样，在资源组成上 TDD 与 FDD 所固有的不同，成为了 LTE 中另一部分为 TDD 所进行的专门设计的原因。这一部分设计主要包括“物理层 HARQ 的相关机制”，以及“采用频分的随机接入信道”。图 5LTE TDD 上下行配比3.1HARQ如同图 1 中所描述的，在 FDD 的情况下，上、下行的资源在单方向上都是连续的，而且子帧数目相等。因此，以下行为例，在进行物理层的 HARQ 时，下行数据与上行的 ACK/NAK 之间可以建立一对一的对应关系（如图 6 所示）。与此不同的是，在 TDD 的情况下
10、，单方向的资源不是连续的，因此可能无法获得对应的时间上的资源。另外，上下行配比的设置可能使得上下行的子帧数目不相等，因此无法建立一一对应的关系（如图 7 所示），所以这些都需要进行 TDD 针对性的设计。图 6FDD HARQ 反馈图 7TDD HARQ 反馈在 LTE TDD，为了解决以上问题，引入了 Multiple ACK/NAK 的概念，即使用一个 ACK/NAK 完成对前续若干个下行数据的反馈（如图 8 所示），这样就解决了上下行时隙不对称带来的反馈问题。在另一个方面，同时还减小了数据的传输时延，数据无需再等待到下一个上行时隙以进行反馈了。当然，该方案可能引起的不必要的过多重传也需要
11、引起注意。图 8TDD HARQ 反馈Multiple ACK/NAK另外，对比图 8 和图 6，会发现在 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）。同理，容易理解的是，对于 TDD 的不同上下行配比，这种对应的时间关系也将有所不同。另外，还可能影响设计细节的是：这种时间上对应关系的不同，会带了对HARQ 进程数目的不同要求，这也是在具体设计和实现中需要考虑的问题。3.2频分的随机接入信道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
12、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。4、结束语为了能在两种双工方式下都实现最优化的系统性能，同时成为有竞争力的 FDD 和 TDD 系统，LTE在系统设计中，根据 TDD 固有的物理特性对 LTE TDD 系统，尤其是物理层进行了一系列专门的设计，包括帧结构、特殊时隙、同步信道、短 RACH、上下行时间的分配、HARQ 机制以及随机接入信道的频分等。这些设计在一定程度上参考和继承了 3G TD-SCDMA 的设计思想。通过这些设计，有效地保证了 LTE 在 TDD 模式下实现合理、高效的运行。
