LTE TDD与LTE FDD的关键过程差异分析*

莫宏波 ，朱新宁 ，果 敢 ，魏 然

（1.工业和信息化部电信研究院 北京100191；2.北京邮电大学信息与通信工程学院 北京100876）

1 引言

LTE（long term evolution，长期演进）是第三代移动通信的演进性技术，依据其双工方式的不同，可分为FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种制式。与UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移动通信系统）中FDD和TDD两种制式的标准制定过程不同，LTE FDD和TDD从标准制定之初，就同时获得了国际主流运营商、设备商的广泛支持，并共同在3GPP框架内进行标准制定。3GPP采用“求同存异”的原则进行LTE FDD和TDD的标准制定工作，将两种制式的协议实现在相同的规范中描述，并尽可能保证其协议实现相同，如遇到无法融合的差异，则仅针对差异部分进行分别描述。标准制定的这种指导思想为LTE FDD和TDD技术的共同发展，为相关系统及终端设备共平台、低成本的实现奠定了基础。分析LTE TDD和FDD的差异将有助于我们更好地了解两者的特点及其适用性，从而对两种技术的协调发展与应用提供一定的指导意义。

2 LTE TDD设计中的不同考虑

由于TDD以时间区分上下行，FDD以频率区分上下行，因此LTE TDD和FDD的差异首先体现在帧结构上。LTE FDD的无线帧由10个长度为1 ms的子帧组成，每个子帧包含两个长度为0.5 ms的时隙。TDD无线帧分为普通子帧和特殊子帧，其中普通子帧包含两个0.5 ms的时隙，特殊子帧包含3个时隙，即DwPTS（downlink pilot time slot，下行导频时隙）、GP（guard period，保护间隔）和 UpPTS（uplink pilot time slot，上行导频时隙）。另外，LTE TDD 的子帧上下行比例可依据网络上下行业务的实际需求进行灵活配置，如表1所示[1]。表1中“D”表示下行子帧，“U”表示上行子帧，“S”表示特殊子帧。

LTE TDD与FDD在帧结构上的不同是导致两者其他差异存在的根源，使得LTE TDD和FDD在同步信号、参考信号和信道设计方面需分别考虑，主要包括如下几点。

表1 LTE TDD子帧的上下行配置

（1）同步信号设计

同步信号用于UE对小区进行搜索时获取时间、频率同步和小区标识，分为PSS（primary synchronization signal，主同步信号）和 SSS（secondary synchronization signal，辅同步信号）。LTE FDD的主同步信号在子帧0和子帧5的第一个时隙的最后一个OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用）符号发送，辅同步信号在子帧0和子帧5的第一个时隙的倒数第二个OFDM符号发送。而对于TDD，主同步信号在子帧1和子帧6的第3个OFDM符号，即特殊子帧的DwPTS中发送，辅同步信号在子帧0和子帧5的最后一个OFDM符号发送。因此，LTE TDD和LTE FDD的主、辅同步信号在无线帧中的绝对位置和相对位置都不同。这种差异使得终端在接入网络的初始阶段就能识别出系统是TDD还是FDD制式。

（2）参考信号设计

上行链路中SRS（sounding reference signal，探测参考信号）用于eNodeB对上行信道质量进行估计，下行链路中URS（UE-specific reference signal，UE 特定参考信号）可用于下行波束赋形。LTE FDD系统使用普通数据子帧传输SRS。而TDD系统中，SRS还可在UpPTS时隙发送，而且TDD终端在UpPTS时隙发送SRS应为首选。另外，相比LTE FDD系统而言，由于TDD系统的上下行链路对称特性，参考信号对TDD系统具有更加重要的作用。例如，URS可较好地与TDD的智能天线技术相结合，而TDD系统的eNodeB可利用SRS所得到的信道估计信息进行下行信道的选择性调度或闭环MIMO（multiple input multiple output，多入多出）的预编码矩阵的选择。

（3）信道设计

在进行控制信道和数据信道的设计时，也需要考虑TDD和FDD的不同特性。以PDCCH（physical downlink control channel，物理下行控制信道）为例，PDCCH主要用于上下行资源的分配调度信息和上行功率控制消息的传输，在每个子帧的开始部分发送，当下行资源块数量时，其长度可为1、2或者3个OFDM符号，时，用于PDCCH的OFDM符号数为2、3或4个。但对于LTE TDD而言，如果PDCCH信道位于DwPTS时隙，则这两种情况下的 PDCCH的长度分别只能为 1、2个OFDM符号和固定为2个OFDM符号。

3 LTE TDD和FDD的关键过程差异

由于LTE TDD与FDD在设计考虑上的差别，导致了其在某些关键过程的设计上也必须采用不同策略，下面对此进行详细分析。

3.1 HARQ过程

HARQ（hybrid automatic repeat-request，混合式自动重传请求）是一种降低传输错误概率的机制。LTE TDD与FDD在HARQ的ACK/NACK传输及其与原始发送数据的定时关系、最大并发进程数、RTT（round trip time，往返时间）等方面存在差异[2]。

3.1.1 HARQ过程的定时关系

LTE FDD系统中，上下行子帧数目相等，数据与反馈的ACK/NACK之间可以建立一一对应关系，其HARQ过程简单明了。图1为LTE FDD中HARQ的定时关系示意。

从图1中可看出，子帧i收到的ACK/NACK信息总是对应于在子帧i－4发送的数据。另外，对于下行异步HARQ，收到ACK/NACK后数据的重传或新数据的发送与之前的数据发送没有确定的对应关系；而对于上行同步HARQ，重传数据或新数据总是在i+4时刻发送。

LTE TDD系统中，由于上下行子帧资源不连续，且配置方式有多种，造成上下行的子帧数目不相等，无法建立一一对应的反馈关系。TDD在进行ACK/NACK位置设计时需考虑子帧的上下行方向，以上行HARQ为例，eNodeB只能等待下行子帧出现时才能进行ACK/NACK反馈，而UE收到反馈后也必须等待上行子帧出现时才能发送重传的数据或新数据。

为此，协议中针对TDD中上下行时隙的不同上下行配置，专门为TDD系统定义了ACK/NACK反馈和重传数据、新数据发送的位置对应关系。子帧i收到的ACK/NACK反馈应与子帧i－k发送的数据相对应；子帧i在收到ACK/NACK后，将在子帧i+k’发送重传数据或新数据。其中k和k’与上下行配置及子帧i的关系如表2所示。比较特殊的是，对上下行配置0，若数据在子帧4或9的PUSCH信道传输，则其ACK/NACK将在下一无线帧的子帧0和子帧5反馈。图2以TDD的上下行配置2为例，给出了LTE TDD上行HARQ的定时关系。从图2中可以看出，其RTT为10 ms。

表2 k值和k’值与上下行配置的关系（上行HARQ）

3.1.2 HARQ ACK/NACK的传输

TDD LTE系统中，当存在上行子帧多于下行子帧时需使用一个下行子帧调度多个上行子帧，当下行子帧多于上行子帧时需使用一个上行子帧反馈多个下行子帧。对此，协议中提供了以下两种解决方法。

·ACK/NACK绑定：对前面多个下行子帧数据的ACK/NACK进行“与”运算，使用一个ACK/NACK完成前面多个下行子帧PDSCH数据的反馈。这是协议中默认的LTE TDD系统ACK/NACK反馈机制。

·ACK/NACK复用：在一个上行子帧的PUCCH资源上使用2 bit同时反馈多个传输数据的各自ACK/NACK。

上述两种解决方法中，ACK/NACK绑定的缺点是出现NACK时，接收端无法确定具体是哪个子帧传输错误，即使只有一个子帧错误，也需要重传所有被绑定的子帧，但带来的好处是减小了控制开销。ACK/NACK复用在接收端可定位出错的具体数据块，但是需要使用更多的比特进行反馈，资源利用率低。另外，ACK/NACK复用对信噪比要求更高，因此较适合非小区边缘的用户。并且ACK/NACK复用还不可用于上下行时隙配置5，因为在上下行配置5的情况下，10 ms无线帧配置为1个上行子帧、8个下行子帧和1个特殊子帧，而1个ACK/NACK复用最多也只能同时对4个下行子帧进行反馈。

3.1.3 HARQ的最大并发进程数

由于LTE中HARQ采用“停—等”机制，即一个HARQ处理进程中，需等待一定时间收到ACK/NACK反馈后才能决定下一次进行新数据发送或是重传，因此LTE采用并发多个进程的方式来提高资源的利用率。在LTE FDD中，HARQ的并发进程数最大为8个。但TDD受限于上下行子帧配置，其HARQ进程数与上下行子帧配置以及数据的发送位置有关。TDD系统在不同上下行子帧配置下的上下行HARQ进程最大数量如表3所示。由于TDD的HARQ进程数最大可达15个，因此TDD的HARQ进程需使用4 bit进行编号，而FDD的HARQ进程只需要3 bit即能满足编号要求。

表3 TDD上下行HARQ进程最大可能数量

3.1.4 DRX状态下的HARQ

DRX（discontinuous reception，非连续接收）的目的是为了减少UE的功率消耗。在DRX状态下，UE会为每一个下行HARQ进程开启一个HARQ RTT定时器，这个定时器长度为UE期待收到重传数据需等待的最小子帧数。当HARQ RTT定时器未过期时，UE不可进入睡眠状态，以避免遗漏接收重传数据。对于LTE FDD，HARQ RTT定时器始终为8 ms，而TDD的HARQ RTT定时器为（k+4）ms,其中k为下行数据传输与该传输的HARQ反馈之间的时间间隔，如表4所示。需要说明的是，在使用ACK/NACK绑定或复用时会用一个ACK/NACK对前面M个下行子帧中的PDSCH数据进行反馈，由于M值不同，在同一上下行时隙配置下，会出现多个可能的k值[3]。

表4 TDD下行HARQ中各种上下行配置下可能的k值

3.2 半持续调度过程

LTE中存在动态调度和SPS（semi-persistent scheduling，半持续调度）两种分组调度方式。SPS方式下，无线资源的分配在一段较长的时间内半静态地分配给UE，适合于如VoIP等数据分组小，时延要求高且数据传送具有一定周期性的业务。

LTE TDD的SPS比FDD复杂。首先，SPS周期必须是上下行时隙配置周期的整数倍，以避免上下行冲突。另外，HARQ重传与SPS之间可能产生冲突，例如上行SPS调度周期为20 ms，HARQ RTT为10 ms，当发生数据重传时，则第一个数据的重传可能与第二个数据的首次传输发生冲突。针对此问题，协议中专门为TDD设计了双间隔SPS机制。双间隔SPS指在半持续调度中使用两个不同的调度周期T1和T2，其中：

T1=SPS调度周期 +子帧偏置（offset）；

T2=SPS调度周期-子帧偏置（offset)

如图3所示，在数据1的重传与数据2的初始传输可能发生冲突时，先进行数据1的重传，然后在一个偏置时间后，再开始数据2的初始传输[4]。

不过，双间隔SPS虽然可以减少冲突的可能性，但并不能杜绝冲突的发生。当依然可能出现冲突时，则需要使用动态调度来真正避免冲突。在SPS配置下，UE仍会监听在PDCCH信道上的动态调度信息。如果数据重传和初始传输发生冲突，则可通过动态调度，首先传输重传数据，然后在接下来的空闲子帧中传输初始数据。

3.3 随机接入过程

在与网络建立连接之前，UE需要通过PRACH（physical random access channel，物理随机接入信道）发起随机接入过程以获得网络的接入许可。PRACH在频域上占用72个子载波，在时域上由循环前缀和接入前导序列两部分组成，长度分别为TCP和TSEQ。根据这两个长度的不同取值，可将PRACH分为5种不同的格式，如表5所示。

其中，前4种格式（格式0/1/2/3）LTE TDD和 FDD相同，分别适用于不同的应用场景。如格式0随机接入时隙在1个子帧中传送，支持中小覆盖范围的小区；格式1和3由于CP较长，适于大的小区半径；格式2和3采用重复的前导序列，可以增加PRACH的链路预算。格式4则为TDD特有，其前导序列和CP的持续时间较短，专门用于在UpPTS中发起随机接入，叫做短RACH，且只适用于UpPTS长度为2个OFDM符号的情况。在TDD中，使用短RACH可充分利用UpPTS时隙，从而避免占用正常子帧的资源，提高资源利用率。但是，短RACH由于其序列长度较短，只适用于在半径小于1.5 km的小区使用。

另外协议中规定，FDD系统中，每个子帧中最多传送一个PRACH信道。但在TDD系统中，由于在某些上下行配置中上行子帧较少（如 DL∶UL=9∶1），为避免出现随机接入资源不足，同时减少用户接入的等待时间，降低接入失败概率，则允许在接入资源不足时在一个子帧上最多使用6个频分的随机接入信道。

表5 随机接入前导参数

3.4 寻呼过程

LTE中没有专门用于寻呼的物理信道，而是在PDSCH中传送需要的寻呼消息。LTE TDD和FDD的寻呼过程是相同的，但由于TDD中寻呼消息必须选择下行子帧才能发送，因此其可用于寻呼的子帧不同于FDD。对于FDD，子帧 0、4、5 和 9 可用于寻呼；对 TDD，子帧 0、1、5 和 6 可用于寻呼。

4 结束语

经上述分析，LTE TDD与FDD之间因帧结构设计不同而使得其在信号、信道设计等方面存在差异，并导致其在关键过程实现上存在区别。从协议层面而言，这些差异主要集中在物理层，部分涉及到MAC（medium access control，媒体接入控制）层和 RRC（radio resource control，无线资源控制）层，两者的 RLC（radio link control，无线链路控制）层、PDCP（packet data convergence protocol，分组数据汇聚协议）层、NAS（non-access stratum，非接入）层并无差异。

从以上分析还可得出，LTE TDD的上下行子帧配置多样，更适合非对称业务，且TDD具有上下行信道互惠性等FDD不具备的优势，适用于更真实的场景，资源利用率更高。但是，多种不同的上下行时隙配置也造成了HARQ、SPS等过程复杂，实现更困难，同时造成了业务时延增加，使得TDD在传输时延敏感业务时不具备优势。

另外，从上述比较还可看出，相比于UMTS时代的TDD和FDD两种制式，LTE时代的TDD与FDD在协议实现上已逐渐融合，两者差异已大大减少，这使得LTE FDD和TDD网络设备间的共享共存和FDD/TDD双模终端的设计更易于实现。可以预计，基于TDD/FDD双模终端的LTE TDD/FDD混合组网的运营模式将在未来出现。

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