許寧，石浩

（1 中國(guó)移動(dòng)通信研究院無(wú)線技術(shù)研究所，北京 100053；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司, 北京100033）

1 引言

隨著移動(dòng)業(yè)務(wù)特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式發(fā)展，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商需要采用具有更高頻譜效率和更低時(shí)延的無(wú)線接入技術(shù)滿足不斷增長(zhǎng)的用戶需求。TD-LTE和LTE FDD是新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的兩大主流無(wú)線接入技術(shù)。兩者因雙工方式的不同，物理層設(shè)計(jì)有一定差別，但最大程度地保證了大部分的技術(shù)和信令是通用的。這一存異求同的設(shè)計(jì)，一方面不可避免地導(dǎo)致TD-LTE和LTE FDD具有各自的特點(diǎn)，另一方面也為兩種技術(shù)的融合發(fā)展帶來(lái)便利。本文在第2節(jié)對(duì)TD-LTE和LTE FDD進(jìn)行技術(shù)比較，指出兩者在物理層設(shè)計(jì)上的差異，以及這些設(shè)計(jì)差異帶來(lái)的峰值速率、用戶面時(shí)延、控制面時(shí)延等性能差別，并著重對(duì)TD-LTE相對(duì)于LTE FDD的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論。在此基礎(chǔ)上，本文在第3節(jié)從技術(shù)融合和產(chǎn)業(yè)融合兩方面問(wèn)題入手，對(duì)TD-LTE和LTE FDD的融合兼容、同步發(fā)展可能性和具體方式進(jìn)行了探討。

2 TD-LTE和FDD LTE的技術(shù)比較

LTE作為3GPP移動(dòng)通信系統(tǒng)的新一代無(wú)線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持FDD和TDD兩種雙工方式。LTE的TDD模式繼承了TD-SCDMA的特殊時(shí)隙設(shè)計(jì)和智能天線技術(shù)，因此又稱TD-LTE。TD-LTE與LTE FDD都采用了OFDM和MIMO技術(shù)，在多址接入、信道編碼、調(diào)制方式、導(dǎo)頻設(shè)計(jì)等大部分物理層設(shè)計(jì)上保持一致，其差別主要體現(xiàn)在幀結(jié)構(gòu)、同步信號(hào)位置、HARQ、上行調(diào)度等方面。這些系統(tǒng)差異，一方面導(dǎo)致了兩系統(tǒng)在峰值速率和時(shí)延性能上有所差別，另一方面給其他技術(shù)（例如MIMO）在使用時(shí)帶來(lái)不同影響。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異

TD-LTE和LTE FDD分別采用TDD和FDD雙工方式。對(duì)于TDD，上下行傳輸共享同一頻帶，在時(shí)間上非連續(xù)發(fā)送；對(duì)于FDD，上行和下行傳輸各自獨(dú)占頻帶，在時(shí)間上連續(xù)發(fā)送。這一根本差異導(dǎo)致了兩者在下列幾方面存在差異。

2.1.1 子幀設(shè)計(jì)

TD-LTE和LTE FDD系統(tǒng)的無(wú)線幀長(zhǎng)均為10ms，1個(gè)無(wú)線幀分為10個(gè)1ms子幀，其差別在子幀的使用上。對(duì)于LTE FDD，所有子幀同時(shí)用于上行或者下行傳輸。TD-LTE的子幀則分為用于上行和下行傳輸?shù)淖訋吞厥庾訋?，如圖1所示。一幀內(nèi)上行子幀和下行子幀的比例可根據(jù)上下行業(yè)務(wù)比例等系統(tǒng)需求配置，共有7種配置模式[1]。特殊子幀中包括3個(gè)特殊時(shí)隙：DwPTS，GP和UpPTS。特殊時(shí)隙的長(zhǎng)度同樣可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求配置。例如時(shí)隙配置2 （上下行時(shí)隙配比為1:3）和特殊時(shí)隙配置5（3:9:2，即DwPTS、GP、UpPTS各占用3、9和2個(gè)OFDM符號(hào)）的系統(tǒng)，其下行傳輸能力高于上行，且可以與上下行時(shí)隙配比為2:4的TD-SCDMA系統(tǒng)共存。

DwPTS占用3～12個(gè)OFDM符號(hào)（正常CP下），可用于下行主同步信號(hào)（PSS）、控制信道（PCFICH、PDCCH、PHICH）和業(yè)務(wù)信道（PDSCH）的傳輸。UpPTS占用1或2個(gè)OFDM符號(hào)，主要用于傳輸上行導(dǎo)頻信號(hào)（SRS），也可用于隨機(jī)接入信道（PRACH），但可支持的覆蓋半徑有限[2]。GP為上下行傳輸切換的保護(hù)時(shí)隙，不傳輸數(shù)據(jù)，不同長(zhǎng)度的GP支持不同的最大覆蓋半徑，占用10個(gè)OFDM符號(hào)的GP（特殊時(shí)隙配置0）可支持100km覆蓋半徑。

2.1.2 同步信號(hào)的時(shí)域位置

圖1 無(wú)線幀結(jié)構(gòu)比較

在同步信號(hào)的設(shè)計(jì)上，兩者的同步序列完全相同，主同步信號(hào)（PSS）均采用Zadoff–Chu序列，輔同步信號(hào)（SSS）均采用m序列，且均占用頻帶中心位置的72個(gè)子載波，周期為5ms。差別在于同步信道所占用的時(shí)域位置。TD-LTE的PSS位于第1、6子幀（即DwPTS）的第三個(gè)符號(hào)上， SSS位于第0、5子幀的最后一個(gè)符號(hào)上。而LTE FDD的PSS和SSS分別位于第0、5子幀的最后一個(gè)和倒數(shù)第二個(gè)符號(hào)上。兩種不同位置的同步信號(hào)在同步性能上差別很小。利用主、輔同步信號(hào)位置的不同，終端可以在小區(qū)搜索階段識(shí)別系統(tǒng)的雙工方式。

2.1.3 HARQ

在HARQ（混合自動(dòng)重傳）技術(shù)的使用上，兩者均采用下行異步HARQ和上行同步HARQ，差別在于HARQ時(shí)序和進(jìn)程數(shù)。對(duì)于LTE FDD，對(duì)第n子幀的上行或下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆答佇畔ⅲˋCK/NACK）在第n+4子幀發(fā)送，重傳則可以在第n+8個(gè)子幀上發(fā)送（一般稱HARQ的RTT為8ms）。而由于TD-LTE的上下行時(shí)隙配比存在多種配置，且無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，反饋信息在第n+k個(gè)子幀上傳輸，k的取值范圍為4～13，和時(shí)隙配置有關(guān)[3]。因此HARQ RTT比FDD稍長(zhǎng)。此外LTE FDD的HARQ最大進(jìn)程數(shù)為8，而TD-LTE的HARQ進(jìn)程數(shù)則和時(shí)隙配比有關(guān)，下行為4～15，上行為1～6。由于上下行時(shí)隙配比不對(duì)稱，需要將多個(gè)ACK/NACK反饋信息綁定或復(fù)用在同一上行控制信道中發(fā)送。

TD-LTE系統(tǒng)的非對(duì)稱時(shí)隙配置還會(huì)對(duì)上行調(diào)度產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)上行時(shí)隙多于下行時(shí)隙時(shí)，需要用一個(gè)下行子幀的控制信道（PDCCH）指示多個(gè)上行子幀的數(shù)據(jù)傳輸。而對(duì)于LTE FDD系統(tǒng)，一個(gè)下行PDCCH總是調(diào)度其4ms后上行業(yè)務(wù)信道PUSCH的傳輸。

2.2 性能比較

上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較有利于我們進(jìn)一步分析兩種系統(tǒng)的性能差異。TD-LTE和LTE FDD幀結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致了兩者的理論峰值速率有所差別。表1比較了20MHz帶寬下，幾種不同時(shí)隙配比的TD-LTE系統(tǒng)和LTE FDD系統(tǒng)的峰值速率。注意峰值速率和終端等級(jí)有關(guān)。需要指出的是，峰值速率是系統(tǒng)最大的能力，雖然在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)難以達(dá)到，但也可以反映系統(tǒng)的相對(duì)能力。對(duì)于TDLTE的時(shí)隙配比2（即上下行時(shí)隙比為1:3），由于下行時(shí)隙較多（在10:2:2的特殊時(shí)隙配比下，DwPTS也可以用于業(yè)務(wù)信道PDSCH的傳輸），更多的空口資源被用于下行傳輸，下行傳輸速率高于LTE FDD。由于特殊時(shí)隙占用資源，導(dǎo)致TD-LTE的上行速率低于LTE FDD。因此，TD-LTE這種非對(duì)稱特性更適合于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的非對(duì)稱業(yè)務(wù)承載。

表1 峰值速率比較

除業(yè)務(wù)信道的峰值速率外，TD-LTE的時(shí)隙設(shè)計(jì)還影響控制信道的容量。以20MHz帶寬、上下行時(shí)隙配比為2:2、特殊時(shí)隙配比為10:2:2的TD-LTE系統(tǒng)為例，與2×10MHz 的LTE FDD系統(tǒng)相比，用于下行控制信令的PDCCH資源多7%，下行業(yè)務(wù)信道資源多12%，而上行業(yè)務(wù)信道資源則少20%。

受上下行非連續(xù)發(fā)送影響，TD-LTE的用戶面時(shí)延和控制面時(shí)延與FDD相比略有差別，如表2所示。這里用戶面時(shí)延指業(yè)務(wù)信道的空口傳輸時(shí)延，對(duì)于TDLTE，由于時(shí)隙設(shè)計(jì)導(dǎo)致上下行時(shí)延稍有差別，對(duì)LTE FDD上下行時(shí)延是一樣的。此外，HARQ的重傳會(huì)增大用戶面時(shí)延?？刂泼鏁r(shí)延分兩種，控制面時(shí)延指空閑態(tài)到連接態(tài)的時(shí)延，即終端從RRC空閑態(tài)發(fā)起隨機(jī)接入，到建立RRC連接進(jìn)入RRC連接狀態(tài)所需要的時(shí)間。表2中的TD-LTE系統(tǒng)以配置1（上下行時(shí)隙配比2:2）為例，其他配置的時(shí)延值略有差異。從表中可以看到，兩系統(tǒng)的時(shí)延差別很小。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，端到端的用戶面時(shí)延一般用小IP報(bào)文（ping分組）從終端發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器，再返回終端所需的RTT時(shí)間來(lái)測(cè)量。在傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)時(shí)延相同的條件下，TD-LTE和FDD LTE的端到端時(shí)延差別主要在空口時(shí)延上，而這一差異為2～5ms，對(duì)業(yè)務(wù)影響可以忽略。

表2 用戶面時(shí)延和控制面時(shí)延比較

TD-LTE的特殊時(shí)隙配置還會(huì)影響其最大覆蓋半徑，在大部分的特殊時(shí)隙配置下，由于TDD系統(tǒng)同步的需求，以GP長(zhǎng)度計(jì)算出的理論覆蓋半徑小于LTE FDD。需要指出的是，由于兩系統(tǒng)資源分配和調(diào)制編碼方式完全相同，在保證一定邊緣用戶速率的情況下，TD-LTE和LTE FDD的覆蓋能力差異不大。篇幅所限這里不展開討論。

2.3 技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

TD-LTE與LTE FDD相比，技術(shù)上互有優(yōu)劣。TD-LTE的優(yōu)勢(shì)在于:

（1）TDD不需要對(duì)稱頻率資源，相對(duì)FDD更容易獲取頻譜。FDD的上下行頻率需要中間保護(hù)頻帶，對(duì)寶貴的頻譜資源造成浪費(fèi)，而TDD系統(tǒng)則可以利用這些“零散”頻譜，提高了頻譜資源利用，但代價(jià)是需要保護(hù)時(shí)間間隔（GP），降低了系統(tǒng)吞吐量。

（2）TD-LTE系統(tǒng)可配置為適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的非對(duì)稱傳輸，更加有效地利用頻譜資源。

（3）由于TDD的上下行無(wú)線信道具有互易性，可根據(jù)上行參考信號(hào)（SRS）來(lái)估計(jì)上行信道，從而獲得下行信道的特征信息。這一信道信息對(duì)于MIMO技術(shù)的使用非常重要，準(zhǔn)確的下行信道空間信息可以用于空間賦形、空分復(fù)用和多用戶MIMO。對(duì)于FDD系統(tǒng)，由于上下行采用不同頻點(diǎn)，需要使用上行控制信道來(lái)反饋下行信道特征。

TD-LTE也有其劣勢(shì)。除上節(jié)所述的性能方面某些差異外，由于傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)以FDD為主，國(guó)際頻譜劃分給TDD的較為分散、網(wǎng)絡(luò)間干擾問(wèn)題比較多。特別是FDD與TDD鄰頻共存時(shí)系統(tǒng)間干擾較大。TDD系統(tǒng)鄰頻時(shí)，運(yùn)營(yíng)商間必需協(xié)調(diào)好時(shí)隙配比。靈活的時(shí)隙配比對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度有一定影響（例如增加了HARQ的復(fù)雜度）。

3 TD-LTE和LTE FDD的融合發(fā)展

TD-LTE從標(biāo)準(zhǔn)制定起就和LTE FDD同步進(jìn)行，兩者存異求同的設(shè)計(jì)為融合兼容及同步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。融合發(fā)展又是TD-LTE保持國(guó)際主流標(biāo)準(zhǔn)地位、獲得國(guó)際化產(chǎn)業(yè)規(guī)模支持、進(jìn)行國(guó)際化發(fā)展的必備條件。我們從技術(shù)融合和產(chǎn)業(yè)融合兩個(gè)方面，探討兩者融合發(fā)展方式。

3.1 技術(shù)融合

前文對(duì)TD-LTE和LTE FDD的主要差異進(jìn)行了比較，這些差異在整個(gè)無(wú)線接入系統(tǒng)中所占比例較小，兩者在3GPP標(biāo)準(zhǔn)上共用的技術(shù)規(guī)范則超過(guò)90%。在基本的物理層參數(shù)和技術(shù)方面，例如OFDM參數(shù)、編碼調(diào)制、參考信號(hào)、數(shù)據(jù)映射、物理層過(guò)程和控制信令、高層信令、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口等，都保持了相互兼容。兩者的高度融合，使其同時(shí)具備高速率、低時(shí)延、帶寬應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，可以為用戶提供“永遠(yuǎn)在線”的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入和服務(wù)。

由于TD-LTE和LTE FDD同在3GPP中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，項(xiàng)目進(jìn)展、處理流程和規(guī)范制定相互一致，國(guó)際主流通信公司同時(shí)推進(jìn)FDD/TDD標(biāo)準(zhǔn)完善。這保證了兩者標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的同步發(fā)展。在未來(lái)的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，需要繼續(xù)保持這種融合和同步發(fā)展的方式，特別是向LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中保持TDD和FDD的同步進(jìn)行。

3.2 產(chǎn)業(yè)融合

本節(jié)從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端芯片兩方面討論TD-LTE和LTE FDD的產(chǎn)業(yè)融合問(wèn)題。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備融合

LTE無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)采用扁平化的架構(gòu)，只有eNB一個(gè)網(wǎng)元，即基站設(shè)備。目前基站采用分布式架構(gòu)，由基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）構(gòu)成。TD-LTE與LTE-FDD可完全共用BBU硬件，通過(guò)軟件可配置成不同系統(tǒng)。相同系統(tǒng)帶寬和天線通道配置下(如20MHz、2天線)，TDD與FDD BBU硬件處理需求相當(dāng)，物理層算法復(fù)雜度相近，90%的協(xié)議棧和信令流程一致。若TD-LTE采用8天線通道配置（實(shí)現(xiàn)智能天線波束賦形），相比2天線通道配置，基帶處理復(fù)雜度約為2～3倍。目前各主流廠商均采用相同BBU硬件（含各類板卡）來(lái)實(shí)現(xiàn)TD-LTE與LTEFDD系統(tǒng)。

RRU設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)采用的天線通道數(shù)目不同，一般有8通道、4通道和2通道設(shè)備。目前TD-LTE以8和2兩種通道的RRU為主、而FDD以2通道RRU為主。由于雙工方式、占用頻段、通道數(shù)等差異，TD-LTE與LTE-FDD無(wú)法直接共用RRU。從TD-LTE和LTE FDD的RRU內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，其前端結(jié)構(gòu)和器件差別較大，F(xiàn)DD前端采用雙工器隔離上下行頻段，而TDD利用開關(guān)/環(huán)形器實(shí)現(xiàn)上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換；RRU的前端濾波器因頻段占用不同無(wú)法通用；而兩系統(tǒng)的部分射頻指標(biāo)及數(shù)字中頻處理技術(shù)相近，可相互借鑒部分中頻設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 終端芯片融合

終端芯片和通信相關(guān)的主要是基帶芯片、射頻芯片和射頻前端。在基帶芯片方面，因?yàn)門D-LTE和FDD LTE在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上差異很小，兩者共芯片沒(méi)有技術(shù)難度。目前的LTE芯片廠家都已經(jīng)或?qū)⒅С諸D-LTE與FDD LTE共基帶芯片。

在射頻芯片方面，單個(gè)射頻芯片可以支持TD-LTE和FDD LTE。射頻前端器件方面，單個(gè)PA可以支持頻段間隔較近（<500MHz）的TD-LTE和FDD LTE頻段共用。TD-LTE采用濾波器，而FDD LTE采用雙工器，兩者無(wú)法通用，需分別配置專用的濾波器件。主要挑戰(zhàn)在于多頻段支持。全球LTE頻段眾多，無(wú)論是FDD還是TDD都需要推動(dòng)采用較少數(shù)量的濾波器提供多頻段支持。

由上述分析可見，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商可通過(guò)共用BBU軟硬件平臺(tái)，及部分中頻設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)TD-LTE與LTE-FDD的融合發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)。終端可共用基帶芯片，用軟件無(wú)線電方式自適應(yīng)工作在TD-LTE或LTE FDD模式上，滿足用戶的多模多頻段需求。此外，LTE產(chǎn)業(yè)還應(yīng)保證兩種模式的測(cè)試同步和認(rèn)證同步。

4 總結(jié)

TD-LTE和FDD LTE在技術(shù)上差異較少而共性更多，兩者都能為移動(dòng)用戶提供超出以往的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入體驗(yàn)。在3G時(shí)代，F(xiàn)DD在移動(dòng)通信領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)已成定局，我國(guó)的TD-SCDMA國(guó)際化發(fā)展機(jī)會(huì)渺茫，而TD-LTE則從標(biāo)準(zhǔn)制定起就和國(guó)際其他主流標(biāo)準(zhǔn)同步進(jìn)行。為保證TD-LTE的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)和終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)繼續(xù)保持領(lǐng)先，需要形成與LTE FDD融合、同步發(fā)展的全球化產(chǎn)業(yè)，縮小市場(chǎng)規(guī)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.