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1、 2、TD-LTE 与 FD-LTE 的差异 TD-LTE 与 FD-LTE 系统的差异性表现在系统结构、设备形态、频谱资源、规 划设计、业务支持等各方面 (1) 系统结构的差异表现在双工方式、帧结构、物理层等。 (2) 设备形态的差异性主要表现在天馈系统上。类似于 TD-SCDMA,TD-LTE 采用了智能天线,能有效的降低干扰,提高系统容量和频谱效率,而 LTE-FDD,则采用非智能天线来实现网络覆盖。其设计上的差异性不仅包 括物理层,也包括对工程设计造成的影响,如天仙风荷、塔桅承重的估 算等 (3) 频率资源的分配:LTE-FDD 不能充分利用零散的频谱资源,导致一定的 频谱浪费 (4)
2、 两者的规划设计在总体流程上是大同小异的,区别在于智能天线带来的 塔桅和天馈系统安装工艺的影响。 (5) 数据和多媒体业务的特点在于上下行非对称性,TD-LTE 可以根据业务量 的分析,对上下行帧进行灵活配置,以更好的满足数据业务的非对称性 要求。 此外,TD-LTE 还具备一个 LTE-FDD 无可比拟的优势,就是与 TD-SCDMA 网 络共存,完全实现网络整合,最大限度的降低网络快速部署成本 2.1 双工方式差异 TD-LTE 采用时分双工(TDD), LTE-FDD 采用频分双工(FDD),这 是两种完 全不同的双工方式。TDD 的系统接收和传送是在同一频率信道,即载波的不同 时隙,用
3、保护时间来分离接收与传送信道;而 FDD 则是在分离的两个对称的频 率信道上,用保护频段来分离接收与传送信道,如下图所示。 图 2-1 TDD 与 FDD 双工方式示意图 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
4、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,
5、影 响了整体频谱利用效率。 2.2 帧结构差异 在帧结构设计上,TD-LTE 每个 10ms 的无线帧包括两个长度 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 2-2 所示。 One radio frame =10 ms One half frame =5 ms 1 ms DwPTS GP UpPTS DwPTS GP UpPTS 图 2-2 TD-LTE 帧结构 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,其中 DwPTS 的长度为 312 个 OFDM 符 号, UpPTS 的长度
6、为 12 个 OFDM 符号,相应的 GP 的长度为 110 个 OFDM 符号。 而 LTE-FDD 的 10ms 无线帧分为 10 个子帧,每个子帧包括两个时隙,每时隙长 0.5ms,如图 2-3 所示。 图 2-3 LTE-FDD 帧结构 # 0 # 2 # 3 # 4 # 5 # 7 # 8 # 9 #0 #1 #18 #19 #2 slot Sub-frame One radio frame = 10ms TD-LTE 与 LTE-FDD 在帧结构上的差异,如下表所示 差异化项目 TD-LTE FD-LTE 信号产生 上行:SC-FDMA(单载波频分复用), 15khz 载波间隔 下
7、行:OFDMA、7.5/15khz 子载波间隔 与 TD-LTE 相同 编码/调制 Turbo 和卷积码+QPSK、16/64QAM 帧格式 10ms*1ms 子帧 5ms/10ms 周期 10ms*1ms 子帧 CP 长度 正常子帧 4.7us(正常) 16.7us(扩展) 33.3us(扩展 7.5khz) 特殊子帧 DwPTS、GP、UpPTS 4.7us(正常) 16.7us(扩展) 33.3us(扩展 7.5khz) 时隙/子帧(TTI) 符号数/时隙 正常子帧 2ms*0.5ms 时隙 7 符号/时隙(正常) 6 符号/时隙(扩展) 特殊子帧 9 种配置(正常) 7 种配置(扩展)
8、 (DwPTS:GP:UpP TS) 2ms*0.5ms 时隙 7 符号/时隙(正常) 6 符号/时隙(扩展) DLUL 保护周期 特殊子帧 9 种配置(正常) 7 种配置(扩展 DL:UL 非对称及 DL UL 转换 7 种配置 10DL :10UL 表 2-1 TD-LTE 与 LTE-FDD 帧结构差异 由于帧结构的不同,TD-LTE 与 FD-LTE 相比较,具备的差异性资源或技术如 下: (1) 频谱资源 根据 3GPP 的规定,EARFCN 频段的 121、24 用于 FDD,而 3343 用于 TDD。 (2) 上下行时隙配比 TD-LTE 可以根据不同的业务类型,调整上下行时隙
9、配比,以满足非对称业 务需求。 (3) 特殊时隙的应用 为了节省开销,TD-LTE 允许利用特殊时隙 DwPTS 和 UpPTS 传输系统控制信 息。如上行导频可以在 UpPTS 中发送,而 LTE-FDD 只能利用普通数据子帧来传 输。另外,DwPTS 也可以用于传输 PCFICH、PDCCH、PHICH、PDSCH 和 PSCH 等 控制信道和信息。 (4) 多子帧调度/反馈 当 TD-LTE 的下行多于上行时,存在一个上行子帧反馈多于下行子帧,TD- LTE 通过 Multi-ACK/NAK 、ACK/ANK 捆绑等技术来实现。当上行子帧“多于”下 行子帧时,同样存在一个下行子帧调度多于
10、上行子帧的情况,即多子帧调度, 而在 LTE-FDD 中则不存在此类情形。 (5) 同步信号设计 除 TDD 固有的特点,如上下行转换和特殊时隙外,TDD 与 FDD 在帧结构上 的主要区别便是同步信号的设计。5ms 的同步信号周期,分为主同步信号 (PSS)与辅同步信号(SSS)。 TD-LTE 与 FD-LTE 中同步信号位置不同,如图 2-4 所示: 图 2-4 TDD 与 FDD 的同步信号 在 TDD 帧中,PSS 位于 DwPTS 的第 3 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
11、最后两个符号。利用 PSS、SSS 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。 (6) HARQ 设计 在 LTE-FDD 中,终端发送数据后,经过约 3ms 的处理时间发送 ACK/NACK ,终端再经过 3ms 的处理时间的时隙为上行,必须等到下行才能发送 ACK/NACK 。系统发送完 ACK/NACK,终端再经过 3ms 处理时间确认,整个 HARQ 处理过程耗时 11ms。 TDD 和 FDD 的 HARQ 过程如下图 2-5 所示: 图 2-5 TDD 和 FDD 的 HARQ 过程 类似地,如果 TDD 终端再第二个时隙发送数据。同样,系
12、统必须等到下行 时隙时才能发送 ACK/NACK,此时 HARQ 的第一个处理过程耗费 10ms。可见 TD- LTE 的 HARQ 过程更复杂,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。 (7) RRU 架构 TD-LTE 收发在不同时间,相同频段,因此需要使用 T/R 转换器将 RRU 的收 发通路分时段接入天馈系统,会因此引入 22.5dB 的插损,并且由于 T/R 转换 器的转换时延,同时也将给系统引入一定时延。LTE-FDD 收发在不同频段,需 要使用一个双工器(相当于两个滤波器)将收发分开,会因此引入 1dB 的插损, 具体如图所示: 图
13、 2-6 TD_LTE 与 FDD_LTE 的 RRU 结构 2.3 物理层差异 对于 TD-LTE 和 FD-LTE 在物理层上的差异,从系统同步、参考信号和控制信 令 3 个方面进行比较分析。 其中,系统同步的差异性见下表 2-2: 差异化项目 TD-LTE FD-LTE 终端定时 由定时提前量(Timing Advance)来控制 UL/DL 定时配置;GP Enode B 同步 eNode B 同步为必需,同步信号位 置可变 异步,eNode B 同步为可选 随机接入前导 正常子帧: 普通 RACH(类似 FDD) UpPTS:短 RACH(TDD 专 用) 循环前缀 0.8/1.6m
14、s 突发, 在任何上行子帧上接收每 个小区 64 个前导 PRACH(随机接入物理信道 前导格式 0,1,2,3,40 0,1,2,3 小区搜索 SSS 在时隙 0 的最后一个 OFDM 符号上 时隙 0 和 10 上传送 PSS 和 SSS 物理广播信道(P-BCH) PSS 在 DwPTS 的第 3 个 OFDM 符号上 参考信号的差异性见下表: 差异化项目 TD-LTE LTE-FDD 小区专用下行参考信号 正常子帧:与 FDD 相同 特殊子帧:DwPTS(长度可 1、2 或者 4 根天线,天线 1 和 2 的密度更大 ) 变)UpPTS(无数据和控制 信号) 终端专用下行参考信号 TD
15、D 为必选 FDD 为可选 上行参考信号 每个子帧中两个长块 与 TDD 相同 表 2-2 系统同步的差异性 控制信令的差异性见下表 2-3: 差异化项目 TD-LTE FD-LTE 下行控制信道 每次可以调度一个下行子 帧和多个上行子帧 每次可以调度一个下行子 帧和一个上行子帧 上行控制信道 一个上行子帧可以对多个 下行子帧进行 ACK/NACK 确 认 每个下行子帧都具有一个 ACK/NACK 下行控制信令 正常子帧:与 FDD 相同 DwPTS:最多两个 OFDM 符 号 每个下行子帧中有 13 个 OFDM 符号 上行控制信令 在每个上行子帧中 与 TDD 相同 上行控制信令跳频 子帧
16、内以时隙为单位进行 跳频 与 TDD 相同 PUCCH 格式 取决于 TDD UL/DL 配置 每个子帧中 1bit、2bit、20bit 每个子帧上是否多个 ACK/NACK 是 否 DL/UL 定时 n+k(k4),由 DL/UL 配置和 子帧位置确定 m+4 HARQ RTT(ms) 取决于子帧位置 8 2.4 总结 2.4.1 LTE TDD 的优势 (1)频谱配置 表 2-3 控制信令的差异性 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
17、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 2-7 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 2-7 中国为 TDD 划分的频段 (1
18、) 支持非对称业务 在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中,除了提供语音业务之外, 数据和多媒体业务将成为主要内容,且上网、文件传输和多媒体业务通常具有 上下行不对称特性。LTE TDD 系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。 根据 LTE TDD 帧结构的特点,LTE TDD 系统可以根据业务类型灵活配置 LTE TDD 帧的上下行配比。如浏览网页、视频点播等业务,下行数据量明显大于上行数 据量,系统可以根据业务量的分析,配置下行帧多于上行帧情况,如 6DL:3UL ,7DL:2UL,8DL:1UL,3DL:1UL 等。而在提供传统的语音业务时,系统可以配 置下行帧等于上行帧,如
19、2DL:2UL。 在 LTE FDD 系统中, 非对称业务的实现对上行信道资源存在一定的浪费, 必须采用高速分组接入(HSPA) 、EV-DO 和广播/组播等技术。相对于 LTE FDD 系统,LTE TDD 系统能够更好的支持不同类型的业务,不会造成资源的浪费。 (3)智能天线的使用 智能天线技术是未来无线技术的发展方向,它能降低多址干扰,增加系统 的吞吐量。在 LTE TDD 系统中, 上下行链路使用相同频率, 且间隔时间较短, 小于信道相干时间,链路无线传播环境差异不大,在使用赋形算法时,上下行 链路可以使用相同的权值。与之不同的是, 由于 FDD 系统上下行链路信号传播 的无线环境受频
20、率选择性衰落影响不同, 根据上行链路计算得到的权值不能直 接应用于下行链路。因而 , LTE TDD 系统能有效地降低移动终端的处理复杂性。 另外,在 LTE TDD 系统中,由于上下行信道一致, 基站的接收和发送可以共用 部分射频单元, 从而在一定程度上降低了基站的制造成本。 (4)与 TD-SCDMA 的共存 LTE TDD 系统还有一个 LTE FDD 无法比拟的优势,就是 LTE TDD 系统能够 与 TD-SCDMA 系统共存。对现有通信系统来说,目前的数据传输速率已经无法满 足用户日益增长的需求,运营商必须提前规划现有通信系统向 B3G/4G 系统的平 滑演进。由于 LTE TDD
21、 帧结构基于我国 TD-SCDMA 的帧结构,能够方便的实现 TD-LTE 系统与 TD-SCDMA 系统的共存和融合。如图 2-8 所示,以 5ms 的子帧为 基准,TD-SCDMA 有 7 个子帧,且特殊时隙是固定的,TD-LTE 通过调整特殊时隙 的长度,就能够保证两个系统的 GP 时隙重合(上下行切换点),从而实现两个 系统的融合。 图 2-8 TD-SCDMA 与 TD-LTE 融合 2.4.2 LTE TDD 的不足 结合以上对系统结构的分析,可以知道,TD-LTE 在同一帧中需要传输上下 行两个链路,系统设计更复杂,对设备的要求更高,相对 LTE-FDD 而言,也存 在一些不足。
22、 (1) 由于保护间隔的使用降低了频谱利用率,特别是提供广覆盖的时候,使 用长 CP,对频谱资源造成浪费。 (2) 使用 HARQ 时,TD-LTE 的控制信令比 LTE-FDD 更复杂,且平均 RTT 比 LTE-FDD 更长。 (3) 由于上下行信道占用同一频段的不同时隙,为了保证上下行帧的准确接 收,系统对终端和基站的同步要求更高。 (4) 在系统能力表现上,TD-LTE 系统在上下行相同配置(如 UL:DL=1:1)时 比 LTE-FDD 的覆盖能力要小,会导致建网成本加大。在相同带宽时,上 下行的峰值速率也比 LTE-FDD 略低。 为了补偿 LTE TDD 系统的不足,LTE TD
23、D 系统采用了一些新技术,如:TDD 支持在微小区使用更短的 PRACH,以提高频谱利用率;采用 multi-ACK/NACK 的 方式,反馈多个子帧,节约信令开销等。 2.4.3 针对电网规划 TD-LTE 的优势 TDD 双工方式具有频谱配置灵活,频谱利用率高,上下行 信道互惠性等特 点,能够满足电网系统对带宽的要求以及频率分配零散化的趋势,并且在 B3G/4G 移动通信系统中具有较强的优势。 LTE TDD 在频谱利用、非对称业务支持、智能天线技术支持、与 TD-SCDMA 系统 共存等方面,有很大的优势。电网系统的上下行业务不对称,利用 FDD-LTE 易 造成频谱资源的浪费,而利用 TDD 配置更能有效利用频谱资源,而且合理配置 上下行时隙,在节省资源的前提下更好的满足用户需求。随着 LTE TDD 技术研 究的深入和国际市场的推广,将成为未来无线通信系统中的主流技术。