FDD LTE与TDD LTE技术对标研究

杨健，李方村

（中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250001）

1 前言

2013年底，工信部下发了TD-LTE网络建设的牌照。2014年6约27日，工信部正式批复中国电信和中国联通分别在16个城市开展LTE混合组网试验。FDD与TDD LTE系统有什么差异，差异有多大，是LTE组网中面临的问题。基于此，本文从技术层面展开了分析。

2 FDD与TDD LTE物理层协议对比

FDD与TDD LTE具有相同的网络架构。同UTRAN等前代系统相比最大的区别在于取消了RNC，eNB与EPC间通过S1接口直接相连，eNB与EPC节点多对多连接，形成网格网络，而eNB之间通过X2接口直接相连。

FDD与TDD LTE内部协议基本相同，仅在物理层有部分差异，主要差别在双工方式上。下面分别介绍二者的具体差异。

2.1 双工方式

LTE系统同时定义了频分双工（FDD) 和时分双工（TDD) 两种方式，如图1所示。

图1 双工方式

TDD用时间来分离接收和发送信道。接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，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。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。FDD必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。FDD在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。

2.2 帧结构与同步信号

FDD LTE系统中，每个无线帧被分为10个子帧，每个子帧包含两个时隙，每时隙长0.5 ms。上行、下行相同的帧结构。

TDD LTE系统中，每个10 ms无线帧包括2个长度为5 ms的半帧，每个半帧由4个普通子帧和1个特殊子帧组成。特殊子帧包括3个特殊时隙：下行导频时隙（DwPTS），保护间隔（GP）和上行导频时隙（UpPTS），总长度为1ms。

FDD 与TDD LTE相比，没有特殊子帧。为了提高频谱效率，TDD LTE利用特殊时隙传输控制信息，但是保护间隔（GP）不传送任何数据。另外，TDD LTE支持7种子帧配比，以便灵活的支持不同配置的上下行业务。特殊子帧支持9种配置，用以改变DwPTS，GP和UpPTS的长度。

同步信号用来使UE实现下行同步，同时识别物理小区ID（PCI），从而对小区信号进行解扰。LTE的同步信号周期是5 ms，分为主同步信号PSS和辅同步信号SSS。在TDD和FDD的帧结构中，同步信号的位置是不同的。FDD LTE中，同步信号位于第0号子帧第一个时隙的最后两个OFDM符号上。TDD LTE系统中，辅同步信号SSS位于第0号子帧最后一个OFDM符号上，而主同步信号位于第1号子帧第三个OFDMA符号上。根据PSS与SSS相对位置的差异，终端可以在小区搜索时区分出TDD和FDD系统。

2.2.1 下行传输模式

3GPP R8 and R9定义了8种下行传输模式：

TM1：单天线端口传输，主要应用于单天线传输的场合。

TM2：发送分集模式，适合于小区边缘信道情况复杂，分集能够提供分集增益。

TM3：开环空间复用，只上报RI、CQI，不上报PMI，更加稳健，用于高速场景。

TM4：闭环空间复用，适合于信道条件较好的场合，用于提供高的数据率传输。

TM5：MU-MIMO传输模式，主要用来提高小区的上行容量。

TM6：Rank1的传输，主要适合于小区边缘的情况。

TM7：单流Beamforming模式，主要适于小区边缘，能够有效对抗干扰。

TM8：双流Beamforming模式。

FDD LTE系统因不支持BF，所以适用模式为TM1-6。TDD LTE系统支持全部传输模式。

2.2.2 随机接入前导格式

UE通过上行PRACH来达到与LTE系统之间的上行接入和同步。如图2所示， 为了适应不同的小区大小，LTE系统中的PRACH定义了5种类型。FDD支持格式0～3，TDD支持全部格式，其中：格式4随机接入序列长度较短，可以在特殊时隙的UpPTS中进行发送，以提高频谱利用率。

3 FDD与TDD LTE网络性能对比

3.1 时延对比

如图3所示，TDD LTE系统的时分双工模式以及子帧配比使得某些信息反馈的延时大于FDD LTE相应的延时，因此TDD LTE的RTT（Round-Trip Time）比FDD LTE略大。

3.2 频谱效率对比

由于TDD LTE中保护间隔GP，不能传送数据，因此TDD LTE的频谱效率比FDD LTE略低。特别是提供广覆盖的时候，使用长CP，对频谱资源造成了浪费。

图2 PRACH格式

图3 FDD与TDD LTE时延对比

图4给出了FDD与TDD LTE的仿真结果，其中：FDD LTE系统带宽为上、下行各10 MHz，TDD LTE上下行共10 MHz带宽，DL:UL=2:2，特殊子帧10:2:2。

3.2.1 覆盖能力对比

以正在进行的FDD LTE试验网与移动D频段TDLTE进行对比，因频段差异，所以覆盖能力有所差异。

传播模型采用COST231-Hata模型：

PL（dB)=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+（44.9-6.55×lgH)×lgD+C

其中：PL：路径损耗；

F：频率，单位MHz（1 500～2 000 MHz);

D：距离，单位km；

H：基站天线有效高度，单位m；

C：环境校正因子，取值：密集城区-2 dB，城区-5 dB，郊区-8 dB，农村-10 dB，开阔地-26 dB。

天线有效挂高均为30 m，未考虑天线增益差异，2.6 GHz一般城区室外电平门限-101 dBm，郊区农村-103 dBm；1 865 MHz一般城区室外电平-103 dBm，郊区农村-105 dBm。经链路预算，2.6 GHz一般城区覆盖半径约359 m，郊区农村覆盖半径534 m；1 865 MHz一般城区覆盖半径561 m，郊区农村覆盖半径834 m。表2为F频段FDD LTE与D频段TDD LTE链路预算对比。

3.2.2 承载速率对比

LTE系统的速率受到多个因素的影响，如：系统带宽、信道环境、终端能力、是否考虑MIMO等。本文在FDD LTE带宽10 MHz（上下行各10 MHz）、15 MHz（上下行各15 MHz），TDD LTE带宽20 MHz（上下行总带宽20 MHz）情况下，考虑MIMO，调制方式64QAM，TD-LTE子帧配比1:3，特殊子帧考虑传送业务的前提下，计算FDD与TDD LTE系统的下行理论峰值速率，如下：

20 MHz TD-LTE理论下行峰值速率为110 Mbit/s;

15 MHz FDD LTE理论下行峰值速率近120 Mbit/s;

10 MHz FDD LTE理论下行峰值速率约80 Mbit/s。

图4 FDD与TDD LTE频谱效率对比

表1 F频段FDD LTE与D频段TDD LTE链路预算对比

从上述计算结果可以看出，20 MHz TDD LTE的下行峰值速率略低于15 MHz FDD LTE系统，但远高于10 MHz（上下行共计20 MHz）FDD LTE系统的速率。

3.2.3 组网方式对比

FDD LTE系统只有频率规划，结合ICIC完成网络规划。TDD LTE系统除了频率规划外还需进行时隙规划，频率规划结合ICIC完成，时隙规划根据业务分布、干扰隔离等方面在组网中进行考虑。同频段的TDD LTE系统时隙规划必须一致，必须具有相同的子帧配置和特殊时隙配置。否则，基站之间会产生交叉时隙干扰。

另外，FDD LTE系统使用普通的2通道天线，TDD LTE系统使用8通道智能天线。非智能天线和智能天线相比，天线增益大2～3 dB，天线体积小，成本低，但没有波束赋形功能。

4 小结

通过对FDD与TDD LTE系统在物理层协议、网络性能等方面的对比，发现二者在技术上高度统一，实现全面融合已具备条件，且目前运营商已陆续建设FDD/TDD LTE融合网络。