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1、HEFEI UNIVERSITY 课程综述报告 题目:移动通信课程综述 系别:电子信息与电气工程 专业班级: 学号: 姓名: 导师: 成绩: 2014 年 11 月 16 日 无线移动通信LTE TDD和 LTE FDD综述 摘要:UTRA 的长期演进 (Long Term Evolution ,LTE) 技术存在LTE FDD和 LTE TDD两大 阵营,本文在比较分析TDD和 FDD技术特点的基础上,对LTE TDD (即 TD-LTE)的特有技术 进行了总结,并结合中国移动现有的网络部署和TDD频段资源情况,对LTE TDD和 LTE FDD 的应用前景进行了初步分析。 关键词:LTE
2、FDD LTE TDD 移动 网络部署 正文: 上世纪九十年代以来,随着通信技术的的飞速发展,移动通信技术的发展也日新月异,宽 带化、移动化、 IP 化是无线通信系统未来的趋势。目前,无线移动通信市场有 WiMAX 、 WiFi 、 新兴无线宽带接入技术等展开激烈的竞争,3G 也必须在宽带无线中发展新的技术,才能满 足市场需要和提高竞争力。3GPP 早已开始对 UTRA 长期演进(又称 Long Term Evolution, 以下简称 LTE)技术进行研究, 把 3G 技术过渡到4G与 B3G ,研究目的是为了提高数据传输 速率, 减少时延、 降低成本、 扩展兼容性和覆盖范围。LTE 系 统
3、 有 FDD ( 称 为 频 分 双 工, Frequency Division Duplexing)、 TDD (称为时分双工,Time Division Duplexing) 两种方式,两种无线技术有一定的差异。 一 LTE 的基本原理 LTE 使用子信道方式, 每 12 个连续的子载波段分成一组,开用一个最小单元 (Resource Block ,以下简称 RB),它同时针对不同的宽带有不同的子载波数,也对应不同的 RB。LTE 的通信系统采用 OFDM 方式,即 DFT-S-OFDM 方式,也称单载波 OFDM 方式,这是基于 OFDM 基础上的进化技术,它不对转换后的数据直接调制,而
4、是先进行 DFT,将每个正在使用的子 载波 DFT 由时域转换到频域,然后再将频域信号输入到 IFFT 模块,最后将信号插入循环 前级后又一起被转换到时域再进行发送。 与传统的 OFDM 技术相比,这种模式的 PAPR 大幅降度。传统的 OFDM 技术在频域上的 包络比较平, 而单载波 OFDM 技术在频域上是包络性的,虽然它很像单载波,但实际上它拥 有所有多载波的特性。LTE 的的功能,在 LTE-FDD 与 LTE-TDD 中得到体现。 二 FDD 与 TDD 工作原理 频分双工 (FDD) 和时分双工 (TDD) 是两种不同的双工方式。如图1 所示, FDD是在分离 的两个对称频率信道上
5、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。 TDD用时间来分离接收和发送信道。在 TDD 方式的移动通信系统中, 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。 图 1:FDD和 TDD的工作原理 TDD 双工方式的工作特点
6、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
7、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,影响 了整体频谱利用效率。 三帧结构比较 1. FDD 帧结构 FDD 技术的帧结构同时支持全双工与半双工,支持半双工主要是为了 PTT 之类的结构 而节省 UE 成本,并使高质量信号的要求得到满足。LTE-FDD 每个无线
8、帧性能如下: 每个无线帧长度包含 20 个时隙,每个连续时隙 2i 及 2i+1 构成一个子帧,它能在 10ms 的间隙中 10 个子帧作上行传输,10 个子帧作下行传输。 2 .TDD 帧结构 现在提到的 LTE TDD 帧结构不是基于 TD SCDMA 特性的帧频,而是在 2007 年会议之 后,提出的接近于 FDD 类似结构的帧。 TDD 的无线帧长度是 Tf=307200 Ts=10ms ,与 FDD 相同, 同时它分为 2 个半帧频,每个长度为 5ms, 每个半帧又包含 5 个子帧,每个长度 1ms, TDD 模式的上下行使用要分开来,它共有 7 种组合。标示“ U”预留给上行传输,
9、标示“D” 表明预留给下行传输,标示“S”表明是特殊的子帧。ITU 规定 LTE 除了新划分的频段可以 使用,还可以使用原本的 3G 频段,因此 LTE TDD 的 GP 位置与长度一定要和 TD SCDMA 匹 配才能避免系统之间的干扰。 图 2.TDD的帧结构 四 TD-LTE 系统特有技术 LTE系统同时定义了频分双工(FDD) 和时分双工 (TDD) 两种双工方式,并分别设计了 FDD和 TDD的帧结构 1 。FDD模式下, 10ms的无线帧被分为10 个子帧 , 每个子帧包含两个 时隙, 每时隙长 0.5ms。TDD模式下, 每个 10ms无线帧包括2 个长度为5ms的半帧, 每个半
10、 帧由 4 个数据子帧和1 个特殊子帧组成,如图 2 所示。 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,DwPTS 的长度为312 个 OFDM 符号, UpPTS的长度为1 2 个 OFDM 符号,相应的GP长度为 110 个 OFDM 符号。 LTE支持 5ms和 10ms上下行切换点。对于5ms上下行切换周期,子帧2和 7 总是用作 上行。 对于 10ms上下行切换周期,每个半帧都有DwPTS ;只在第 1个半帧内有GP和 UpPTS , 第 2 个半帧的 DwPTS 长度为 1ms 。UpPTS和子帧 2
11、用作上行,子帧7 和 9 用作下行。 由于 TDD帧结构与FDD帧结构不同, TD-LTE系统具有一些特有技术。 (1)上下行配比 LTE TDD中支持不同的上下行时间配比,上下行时间比不总是“1:1 ”(见表 1),可以 根据不同的业务类型,调整上下行时间配比,以满足上下行非对称的业务需求。 表 1:不同帧周期的上下行配比 (2)特殊时隙的应用 为了节省网络开销,TD-LTE 允许利用特殊时隙DwPTS 和 UpPTS传输系统控制信息。LTE FDD中用普通数据子帧传输上行sounding 导频,而 TDD系统中,上行sounding 导频可以在 UpPTS上发送。另外,DwPTS 也可用于
12、传输PCFICH 、PDCCH 、PHICH 、PDSCH 和 P-SCH等控制 信道和控制信息。其中,DwPTS 时隙中下行控制信道的最大长度为两个符号,且主同步信道 固定位于DwPTS 的第三个符号。 (3)多子帧调度/ 反馈 和 FDD不同, TDD系统不总是存在1:1 的上下行比例。当下行多于上行时,存在一个上 行子帧反馈多个下行子帧,TD-LTE提出的解决方案有:multi-ACK/NAK ,ACK/NAK捆绑 (bundling )等。当上行子帧多于下行子帧时,存在一个下行子帧调度多个上行子帧(多子 帧调度)的情况。 (4)同步信号设计 除了 TDD固有的特性之外(上下行转换、特殊
13、时隙等),TDD帧结构与FDD帧结构的主 要区别在于同步信号的设计。LTE 同步信号的周期是5ms,分为主同步信号(PSS )和辅同 步信号( SSS )。 LTE TDD和 FDD帧结构中,同步信号的位置/ 相对位置不同,如图3 所示。 在 TDD帧结构中, PSS位于 DwPTS 的第三个符号, 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最后两个符 号。利用主、辅同步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 。 图 3:FDD和 TDD的同步信号设计 (5)HARQ 的设计
14、 LTE FDD 系统中, HARQ 的 RTT (Round Trip Time)固定为8ms ,且 ACK/NACK 位置固定, 如图 4 所示。 TD-LTE系统中 HARQ 的设计原理与LTE FDD相同,但是实现过程却比LTE FDD 复杂,由于TDD上下行链路在时间上是不连续的,UE发送 ACK/NACK 的位置不固定,而且同 一种上下行配置的HARQ 的 RTT长度都有可能不一样,这样增加了信令交互的过程和设备的 复杂度。 如图 4 所示,LTE FDD系统中,UE发送数据后, 经过 3ms的处理时间, 系统发送ACK/NACK , UE再经过 3ms的处理时间确认,此后, 一个
15、完整的HARQ 处理过程结束, 整个过程耗费8ms。 在 LTE TDD系统中, UE发送数据, 3ms处理时间后,系统本来应该发送ACK/NACK ,但是经 过 3ms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ACK/NACK 后, UE再经过 3ms处理时间确认,整个HARQ 处理过程耗费11ms 。类似的道理,UE如果在第 2 个时隙发送数据,同样,系统必须等到DL时隙时才能发送ACK/NACK ,此时, HARQ 的一个处 理过程耗费10ms。 可见,LTE TDD系统 HARQ 的过程复杂, 处理时间长度不固定, 发送 ACK/NACK 的时隙也不固定,给
16、系统的设计增加了难度。 图 4:FDD和 TDD 的 HARQ 设计 五 LTE TDD 与 LTE FDD 的比较 LTE TDD在帧结构、物理层技术、无线资源配置等方面具有自己独特的技术 特点,与 LTE FDD相比,具有特有的优势,但也存在一些不足。 1.LTE TDD的优势 (1)频谱配置 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
17、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 5 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 5:中国为TDD划分的频段 (2)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
18、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
19、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
20、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 6 所示,以5ms 的子帧为基准,TD-SC
21、DMA 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 6:TD-SCDMA 与 TD-LTE融 2.LTE TDD的不足 由于 LTE TDD在同一帧中传输上下行两个链路,系统设计更加复杂,对设备的要求较 高,存在一些不足: (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 谱资源造成了浪费。 (2)使用 HARQ 技术时, LTE TDD使用的控制信令比LTE FDD更复杂,且平均RTT 稍长于 LTE FDD的 8ms。 (3)由于上下行信道占用
22、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很高。 为了补偿 LTE TDD系统的不足, LTE TDD 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。 六融合与发展的趋势 1. 共用平台 作为 LTE 的两种制式, LTE-TDD 和 LTE-FDD 主要的不同集中在物理层上,而在媒质接 入控制层( MAC )、无线链路控制层(RLC )的差别不大,在高层协议上基本没什么不同。它 们都是无线帧为 10ms,半帧为 5ms,子帧为 1ms,它们的特
23、点也很一致,只有层一的帧结 构有区别, 而在 2007 年通过整合以后,帧长也接近一致,目前,在技术上也希望通过统一 标准使 FDD 与 TDD 无线系统的技术都得到优化,使两者的频谱利用率相同。 2. 存在的问题 虽然 LTE TDD 的帧结构已经改变,使 LTE TDD 与 LTE FDD 融合发展的实现成为可能, 但是,这项技术也存在一些问题,主要是因为 LTE TDD 的结构改变了原来的 TD SCDMA 的 模式,而没有考虑在原有基础上进行兼容,因此,LTE TDD 与 TD SCDMA 系统有可能出现因 为设计不当而使系统之间产生互相干扰的问题。TD SCDMA 帧结构主要使用 1
24、0ms 无线帧与 5ms 子帧,它分为7 个时隙(以 0-6 作为序号进行区别)与三个特定的子帧(DwPTS 、GP 、 UpPTS ),而特定帧是不占时隙的,因此时隙 0 与 DwPTS 之间永远固定留给下行传输,而 时隙 1 与 UpPTS 永远固定留给上行传输,在这两者之间存在一个转换点,其它时隙可以根 据系统的实际情况进行划分,它意味着上下行之间存在着转换问题,而 DwPTS 又要占 96 码 片,GP 占 96 码片, UpPTS 占 160 码片, 这些长度都是为了保护上下行之间不被干扰进行 设计,而现在 LTE TDD 帧结构中,对这种特定区域分出 9 种组合,如果 LTE TD
25、D 和 TD SCDMA 在三种参数配置上出现不一致,就会产生系统干扰现象。 七展望 过去 LTE FDD 与 LTE TDD 不能进行共享与统一是因为帧结构区别太大,而在 2007 年 3GPP 对 TDD 技术进行改进以后,两者之间已经倾向于一致。 这种一致性, 使系统和终端都有可能在低成本下实现对两种模式的同时支持,对运营商 来说,如果网络系统能够同时支持 FDD 与 TDD,那么只需要搭建一个平台就能实现两种技 术的功能, 这对设备商与运营商来说都是一个极大的福音,因为这可以极大的降低成本,扩 大使用规模,创造经济效益,而这种双模式实现对 TDD 技术来说优势更大,如果运营商可 以选择两种技术的话,在频率资源不够的时候,采用不对称频段是更理想的。因此,可以确 定, FDD LTE 与 TDD LTE 在 4G移动通信领域必然会有着共同而可观的应用前景。 参考文献 1 3GPP TR 36.211,Physical Channels and Modulation(Releases 8 )S.2008.3 2 3GPP TR 36.213,Physical Layer and Procedures(Releases 8 )S.2008.
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