TD-LTE与LTE FDD的技术比较与融合发展

许宁，石浩

（1 中国移动通信研究院无线技术研究所，北京 100053；2 中国移动通信集团公司, 北京100033）

1 引言

随着移动业务特别是移动互联网的爆发式发展，移动通信运营商需要采用具有更高频谱效率和更低时延的无线接入技术满足不断增长的用户需求。TD-LTE和LTE FDD是新一代蜂窝移动通信系统的两大主流无线接入技术。两者因双工方式的不同，物理层设计有一定差别，但最大程度地保证了大部分的技术和信令是通用的。这一存异求同的设计，一方面不可避免地导致TD-LTE和LTE FDD具有各自的特点，另一方面也为两种技术的融合发展带来便利。本文在第2节对TD-LTE和LTE FDD进行技术比较，指出两者在物理层设计上的差异，以及这些设计差异带来的峰值速率、用户面时延、控制面时延等性能差别，并着重对TD-LTE相对于LTE FDD的优缺点进行讨论。在此基础上，本文在第3节从技术融合和产业融合两方面问题入手，对TD-LTE和LTE FDD的融合兼容、同步发展可能性和具体方式进行了探讨。

2 TD-LTE和FDD LTE的技术比较

LTE作为3GPP移动通信系统的新一代无线接入技术标准，同时支持FDD和TDD两种双工方式。LTE的TDD模式继承了TD-SCDMA的特殊时隙设计和智能天线技术，因此又称TD-LTE。TD-LTE与LTE FDD都采用了OFDM和MIMO技术，在多址接入、信道编码、调制方式、导频设计等大部分物理层设计上保持一致，其差别主要体现在帧结构、同步信号位置、HARQ、上行调度等方面。这些系统差异，一方面导致了两系统在峰值速率和时延性能上有所差别，另一方面给其他技术（例如MIMO）在使用时带来不同影响。

2.1 系统设计的差异

TD-LTE和LTE FDD分别采用TDD和FDD双工方式。对于TDD，上下行传输共享同一频带，在时间上非连续发送；对于FDD，上行和下行传输各自独占频带，在时间上连续发送。这一根本差异导致了两者在下列几方面存在差异。

2.1.1 子帧设计

TD-LTE和LTE FDD系统的无线帧长均为10ms，1个无线帧分为10个1ms子帧，其差别在子帧的使用上。对于LTE FDD，所有子帧同时用于上行或者下行传输。TD-LTE的子帧则分为用于上行和下行传输的子帧和特殊子帧，如图1所示。一帧内上行子帧和下行子帧的比例可根据上下行业务比例等系统需求配置，共有7种配置模式[1]。特殊子帧中包括3个特殊时隙：DwPTS，GP和UpPTS。特殊时隙的长度同样可根据网络需求配置。例如时隙配置2 （上下行时隙配比为1:3）和特殊时隙配置5（3:9:2，即DwPTS、GP、UpPTS各占用3、9和2个OFDM符号）的系统，其下行传输能力高于上行，且可以与上下行时隙配比为2:4的TD-SCDMA系统共存。

DwPTS占用3～12个OFDM符号（正常CP下），可用于下行主同步信号（PSS）、控制信道（PCFICH、PDCCH、PHICH）和业务信道（PDSCH）的传输。UpPTS占用1或2个OFDM符号，主要用于传输上行导频信号（SRS），也可用于随机接入信道（PRACH），但可支持的覆盖半径有限[2]。GP为上下行传输切换的保护时隙，不传输数据，不同长度的GP支持不同的最大覆盖半径，占用10个OFDM符号的GP（特殊时隙配置0）可支持100km覆盖半径。

2.1.2 同步信号的时域位置

图1 无线帧结构比较

在同步信号的设计上，两者的同步序列完全相同，主同步信号（PSS）均采用Zadoff–Chu序列，辅同步信号（SSS）均采用m序列，且均占用频带中心位置的72个子载波，周期为5ms。差别在于同步信道所占用的时域位置。TD-LTE的PSS位于第1、6子帧（即DwPTS）的第三个符号上， SSS位于第0、5子帧的最后一个符号上。而LTE FDD的PSS和SSS分别位于第0、5子帧的最后一个和倒数第二个符号上。两种不同位置的同步信号在同步性能上差别很小。利用主、辅同步信号位置的不同，终端可以在小区搜索阶段识别系统的双工方式。

2.1.3 HARQ

在HARQ（混合自动重传）技术的使用上，两者均采用下行异步HARQ和上行同步HARQ，差别在于HARQ时序和进程数。对于LTE FDD，对第n子帧的上行或下行数据传输的反馈信息（ACK/NACK）在第n+4子帧发送，重传则可以在第n+8个子帧上发送（一般称HARQ的RTT为8ms）。而由于TD-LTE的上下行时隙配比存在多种配置，且无对应关系，反馈信息在第n+k个子帧上传输，k的取值范围为4～13，和时隙配置有关[3]。因此HARQ RTT比FDD稍长。此外LTE FDD的HARQ最大进程数为8，而TD-LTE的HARQ进程数则和时隙配比有关，下行为4～15，上行为1～6。由于上下行时隙配比不对称，需要将多个ACK/NACK反馈信息绑定或复用在同一上行控制信道中发送。

TD-LTE系统的非对称时隙配置还会对上行调度产生影响。例如，当上行时隙多于下行时隙时，需要用一个下行子帧的控制信道（PDCCH）指示多个上行子帧的数据传输。而对于LTE FDD系统，一个下行PDCCH总是调度其4ms后上行业务信道PUSCH的传输。

2.2 性能比较

上述系统设计的比较有利于我们进一步分析两种系统的性能差异。TD-LTE和LTE FDD帧结构的不同，导致了两者的理论峰值速率有所差别。表1比较了20MHz带宽下，几种不同时隙配比的TD-LTE系统和LTE FDD系统的峰值速率。注意峰值速率和终端等级有关。需要指出的是，峰值速率是系统最大的能力，虽然在实际网络难以达到，但也可以反映系统的相对能力。对于TDLTE的时隙配比2（即上下行时隙比为1:3），由于下行时隙较多（在10:2:2的特殊时隙配比下，DwPTS也可以用于业务信道PDSCH的传输），更多的空口资源被用于下行传输，下行传输速率高于LTE FDD。由于特殊时隙占用资源，导致TD-LTE的上行速率低于LTE FDD。因此，TD-LTE这种非对称特性更适合于移动互联网的非对称业务承载。

表1 峰值速率比较

除业务信道的峰值速率外，TD-LTE的时隙设计还影响控制信道的容量。以20MHz带宽、上下行时隙配比为2:2、特殊时隙配比为10:2:2的TD-LTE系统为例，与2×10MHz 的LTE FDD系统相比，用于下行控制信令的PDCCH资源多7%，下行业务信道资源多12%，而上行业务信道资源则少20%。

受上下行非连续发送影响，TD-LTE的用户面时延和控制面时延与FDD相比略有差别，如表2所示。这里用户面时延指业务信道的空口传输时延，对于TDLTE，由于时隙设计导致上下行时延稍有差别，对LTE FDD上下行时延是一样的。此外，HARQ的重传会增大用户面时延。控制面时延分两种，控制面时延指空闲态到连接态的时延，即终端从RRC空闲态发起随机接入，到建立RRC连接进入RRC连接状态所需要的时间。表2中的TD-LTE系统以配置1（上下行时隙配比2:2）为例，其他配置的时延值略有差异。从表中可以看到，两系统的时延差别很小。实际网络中，端到端的用户面时延一般用小IP报文（ping分组）从终端发送到应用服务器，再返回终端所需的RTT时间来测量。在传输网和核心网时延相同的条件下，TD-LTE和FDD LTE的端到端时延差别主要在空口时延上，而这一差异为2～5ms，对业务影响可以忽略。

表2 用户面时延和控制面时延比较

TD-LTE的特殊时隙配置还会影响其最大覆盖半径，在大部分的特殊时隙配置下，由于TDD系统同步的需求，以GP长度计算出的理论覆盖半径小于LTE FDD。需要指出的是，由于两系统资源分配和调制编码方式完全相同，在保证一定边缘用户速率的情况下，TD-LTE和LTE FDD的覆盖能力差异不大。篇幅所限这里不展开讨论。

2.3 技术优缺点比较

TD-LTE与LTE FDD相比，技术上互有优劣。TD-LTE的优势在于:

（1）TDD不需要对称频率资源，相对FDD更容易获取频谱。FDD的上下行频率需要中间保护频带，对宝贵的频谱资源造成浪费，而TDD系统则可以利用这些“零散”频谱，提高了频谱资源利用，但代价是需要保护时间间隔（GP），降低了系统吞吐量。

（2）TD-LTE系统可配置为适合移动互联网业务的非对称传输，更加有效地利用频谱资源。

（3）由于TDD的上下行无线信道具有互易性，可根据上行参考信号（SRS）来估计上行信道，从而获得下行信道的特征信息。这一信道信息对于MIMO技术的使用非常重要，准确的下行信道空间信息可以用于空间赋形、空分复用和多用户MIMO。对于FDD系统，由于上下行采用不同频点，需要使用上行控制信道来反馈下行信道特征。

TD-LTE也有其劣势。除上节所述的性能方面某些差异外，由于传统的无线通信系统以FDD为主，国际频谱划分给TDD的较为分散、网络间干扰问题比较多。特别是FDD与TDD邻频共存时系统间干扰较大。TDD系统邻频时，运营商间必需协调好时隙配比。灵活的时隙配比对系统复杂度有一定影响（例如增加了HARQ的复杂度）。

3 TD-LTE和LTE FDD的融合发展

TD-LTE从标准制定起就和LTE FDD同步进行，两者存异求同的设计为融合兼容及同步发展奠定了基础。融合发展又是TD-LTE保持国际主流标准地位、获得国际化产业规模支持、进行国际化发展的必备条件。我们从技术融合和产业融合两个方面，探讨两者融合发展方式。

3.1 技术融合

前文对TD-LTE和LTE FDD的主要差异进行了比较，这些差异在整个无线接入系统中所占比例较小，两者在3GPP标准上共用的技术规范则超过90%。在基本的物理层参数和技术方面，例如OFDM参数、编码调制、参考信号、数据映射、物理层过程和控制信令、高层信令、无线网络接口等，都保持了相互兼容。两者的高度融合，使其同时具备高速率、低时延、带宽应用灵活的特点，可以为用户提供“永远在线”的移动互联网接入和服务。

由于TD-LTE和LTE FDD同在3GPP中进行标准化，项目进展、处理流程和规范制定相互一致，国际主流通信公司同时推进FDD/TDD标准完善。这保证了两者标准和技术的同步发展。在未来的技术研究和标准化过程中，需要继续保持这种融合和同步发展的方式，特别是向LTE-Advanced标准演进中保持TDD和FDD的同步进行。

3.2 产业融合

本节从网络设备和终端芯片两方面讨论TD-LTE和LTE FDD的产业融合问题。

3.2.1 网络设备融合

LTE无线接入网络采用扁平化的架构，只有eNB一个网元，即基站设备。目前基站采用分布式架构，由基带处理单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）构成。TD-LTE与LTE-FDD可完全共用BBU硬件，通过软件可配置成不同系统。相同系统带宽和天线通道配置下(如20MHz、2天线)，TDD与FDD BBU硬件处理需求相当，物理层算法复杂度相近，90%的协议栈和信令流程一致。若TD-LTE采用8天线通道配置（实现智能天线波束赋形），相比2天线通道配置，基带处理复杂度约为2～3倍。目前各主流厂商均采用相同BBU硬件（含各类板卡）来实现TD-LTE与LTEFDD系统。

RRU设备根据系统采用的天线通道数目不同，一般有8通道、4通道和2通道设备。目前TD-LTE以8和2两种通道的RRU为主、而FDD以2通道RRU为主。由于双工方式、占用频段、通道数等差异，TD-LTE与LTE-FDD无法直接共用RRU。从TD-LTE和LTE FDD的RRU内部结构看，其前端结构和器件差别较大，FDD前端采用双工器隔离上下行频段，而TDD利用开关/环形器实现上下行时隙转换；RRU的前端滤波器因频段占用不同无法通用；而两系统的部分射频指标及数字中频处理技术相近，可相互借鉴部分中频设计方案。

3.2.2 终端芯片融合

终端芯片和通信相关的主要是基带芯片、射频芯片和射频前端。在基带芯片方面，因为TD-LTE和FDD LTE在标准协议上差异很小，两者共芯片没有技术难度。目前的LTE芯片厂家都已经或将支持TD-LTE与FDD LTE共基带芯片。

在射频芯片方面，单个射频芯片可以支持TD-LTE和FDD LTE。射频前端器件方面，单个PA可以支持频段间隔较近（<500MHz）的TD-LTE和FDD LTE频段共用。TD-LTE采用滤波器，而FDD LTE采用双工器，两者无法通用，需分别配置专用的滤波器件。主要挑战在于多频段支持。全球LTE频段众多，无论是FDD还是TDD都需要推动采用较少数量的滤波器提供多频段支持。

由上述分析可见，网络设备厂商可通过共用BBU软硬件平台，及部分中频设计，实现TD-LTE与LTE-FDD的融合发展和产业规模效应。终端可共用基带芯片，用软件无线电方式自适应工作在TD-LTE或LTE FDD模式上，满足用户的多模多频段需求。此外，LTE产业还应保证两种模式的测试同步和认证同步。

4 总结

TD-LTE和FDD LTE在技术上差异较少而共性更多，两者都能为移动用户提供超出以往的移动互联网接入体验。在3G时代，FDD在移动通信领域的绝对优势已成定局，我国的TD-SCDMA国际化发展机会渺茫，而TD-LTE则从标准制定起就和国际其他主流标准同步进行。为保证TD-LTE的技术和标准演进、网络和终端产业发展、网络建设和运营继续保持领先，需要形成与LTE FDD融合、同步发展的全球化产业，缩小市场规模方面的差距。

[1]3GPP TS 36.211, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical Channels and Modulation[S]. www.3gpp.org.

[2]R4-081262, Ideal Simulation Results for PRACH Format 4[R]. Motorola,RAN4#47-Bis, Munich, Germany, Jun 2008.

[3]3GPP TS 36.213, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Physical Layer Procedures[S].www.3gpp.org.