移动通信FDD-LTE与TD-LTE技术融合组网浅谈

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移动通信FDD-LTE与TD-LTE技术融合组网浅谈

2013-10-15

摘要：随着全球范围内频率资源的日益稀缺，FDD-LTE所需的成对频谱越来越难获得；而TDD频率资源更加丰富，成本相对较低。为此，通过比较FDD和TDD两种技术的异同，提出了TDD与FDD共平台融合组网的方案，使运营商可以在网络向LTE演进时，根据自有频谱资源自由地选择建网模式，以最大化利用频谱资源，从而给移动用户提供无缝覆盖的强大的数据速率服务。

关键词：FDD-LTE，TD-LTE，OFDM，MIMO，融合发展

1  LTE简介

LTE(Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统)技术标准的长期演进，它在空中接口方面用频分多址(OFDM/FDMA)技术替代了3GPP长期使用的码分多址(CDMA)作为多址技术，并大量采用了MIMO(Multiple Input
Multiple Output，多输入输出)技术和自适应技术，提高了数据速率和系统性能。根据双工方式的不同，LTE可以分为FDD(频分双工)和TDD(时分双工)两种制式，两种制式从标准制定之初就同时获得了国际主流运营商和设备供应商的广泛支持。3GPP在对FDD-LTE与TD-LTE的标准制定中采用了求同存异的制定原则，这种指导思想有利于FDD-LTE与TD-LTE技术的共同发展，为相关系统及终端设备共平台、低成本奠定了基础。

在网络架构方面，LTE取消了UMTS标准长期采用的无线网络控制器(RNC)节点，代之以全新的扁平架构。目前的移动通信技术正朝着多种技术共存、多个频段共存、移动网络宽带化和IP化趋势发展[1]。

2  FDD-LTE与TD-LTE的关键技术

LTE的关键技术主要是在物理层上，LTE在物理层采用了OFDM和MIMO等技术，极大地提高了系统吞吐量。另外LTE采用了小区干扰抑制技术，进一步提升了LTE的无线质量。

(1)频域多址技术OFDM/SC-FDMA

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。与FDM不同，OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交[2]，如图1所示；并将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输，LTE系统下行多址方式为正交频分多址(OFDMA)，大大提高了下行的数据速率。

LTE中上行为基于正交频分复用传输技术的单载波频分多址(SC-FDMA)。SC-FDMA的峰均比小于OFDMA，这有利于提高功放效率，同时SC-FDMA易于实现频域低复杂度的高效均衡器和对FDMA采用灵活的带宽分配。

(2)MIMO技术

MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率(如数据速率)[4]。FDD-LTE协议目前支持的最大天线数为基站4发、终端2发。TDD协议可支持大于4天线的天线配置。FDD-LTE发射天线选择方案：对于FDD-LTE系统而言存在两种发射天线选择方案，即开环天线选择和闭环天线选择。开环天线选择方案是上行共享数据信道在天线间交替发射，这样可以获得空间分集增益，从而避免共享数据信道的深陷落。在郊区、乡镇、高速公路、地铁、高铁等场所建议使用开环天线选择。闭环天线选择方案是终端必须从不同的天线发送参考信号，用于在基站侧提前进行信道质量测量。基站可以选择更高发射信号功率的天线，用于后续共享数据信号的传输。在密集场所、室分分布系统使用闭环天线选择方案。

(3)小区干扰抑制

在LTE的干扰抑制技术中，主要有三种候选技术：干扰随机化、干扰消除、干扰协调。



图1  FDM和OFDM多载波调制技术[3]

3  FDD-LTE--TD-LTE的比较

由于TDD以时间区分上下行，FDD以频率区分上下行.因此TD-LTE和FDD-LTE的差异首先体现在帧结构上。FDD-LTE的无线帧由10个长度为1ms的子帧组成，每个子帧包含两个长度为0.5ms的时隙。TD-LTE无线帧分为普通子帧和特殊子帧，其中普通子帧包含两个0.5ms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(UplinkPilot
Time Slot，上行导频时隙)。另外，TD-LTE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：

表1  TD-LTE帧结构[5]

配置序号	上下行切换周期/ms	子帧号
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	5	D	S	U	U	U	D	S	U	U	U
1	5	D	S	U	U	D	D	S	U	U	D
2	5	D	S	U	D	D	D	S	U	D	D
3	10	D	S	U	U	U	D	D	D	D	D
4	10	D	S	U	U	D	D	D	D	D	D
5	10	D	S	U	D	D	D	D	D	D	D
6	5	D	S	U	U	U	D	S	U	U	D

注：表1中“D”表示下行子帧，“U”表示上行子帧，“S”表示特殊子帧。

TD-LTE与FDD-LTE在帧结构上的不同是导致两者存在其他差异的根源，这使得TD-LTE和FDD-LTE在同步信号、参考信号和信道设计方面需分别考虑。TD-LTE与FDD-LTE技术综合对比如表2所示。

采用FDD模式的移动系统与采用TDD模式的移动系统相比，具有以下优缺点：

(1)FDD必须使用成对的收发频率。在支持对称业务时能充分利用上下行的频谱，但在进行非对称的数据交换业务时，频谱的利用率则大为降低，约为对称业务时的60%。而TDD则不需要成对的频率，通信网络可根据实际情况灵活地变换信道上下行的切换点，有效地提高了系统传输不对称业务时的频谱利用率。

(2)采用FDD模式的系统的最高移动速度可达500km/h，而采用TDD模式的系统的最高移动速度只有120km/h。两者相比，TDD系统稍逊一筹。

(3)采用TDD模式工作的系统，上下行工作于同一频率，其电波传输的一致性使之很适于运用智能天线技术，通过智能天线具有的自适应波束赋形，可有效减少多径干扰，提高设备的可靠性。而收、发采用一定频段间隔的FDD系统则难以采用上述技术。同时，智能天线技术要求采用多个小功率的线性功率放大器代替单一的大功率线性放大器，其价格远低于单一大功率线性放大器。据测算，TDD系统的基站设备成本比FDD系统的基站成本低20%～50%。

(4)在抗干扰方面，使用FDD可消除邻近蜂窝区基站和本区基站之间的干扰。但仍存在邻区基站对本区移动机的干扰及邻区移动机对本区基站的干扰。而使用TDD则能引起邻区基站对本区基站、邻区基站对本区移动机、邻区移动机对本区基站及邻区移动机对本区移动机的四种干扰。综合比较两者，可见FDD系统的抗干扰性能要好于TDD系统。但随着新技术的不断出现，TDD系统的抗干扰能力一定会有大幅度的提高。

表2  TD-LTE与FDD-LTE技术综合对比

技术体制	TD-LTE	FDD-LTE
相同的关键技术
信道宽带灵活配置	1.4M，3M，5M，10M，15M，20M	1.4M，3M，5M，10M，15M，20M
帧长	10ms(半帧5ms，子帧1ms)	10ms(子帧1ms)
信道编码	卷积码，Turbo码	卷积码，Turbo码
调制方式	QPSK，16QAM，64QAM	QPSK，16QAM，64QAM
功率控制	开环结合闭环	开环结合闭环
MIMO多天线技术	支持	支持
技术差异
双工方式	TDD	FDD
子帧上下行配比	无线帧中多种子帧上下行配置方式	无线帧全部上行或者下行配置
HARQ	个数与延时随上下行配置方式不同而不同	个数与延时固定
调度周期	随上下行配置方式不同而不同，最小1ms	1ms

4  FDD-LTE与TD-LTE融合发展

当前，移动网络流量正迅速增长，预计每年增幅约为50%。在这样的背景下，LTE已经成为移动通信史上发展最快的技术。截至2013年1月8日，全球已有66个国家部署了145张LTE商用网络，其中FDD-LTE网络有132张，TD-LTE网络有14张。虽然TD-LTE技术相比FDD-LTE起步较晚，但LTE的FDD与TDD双模网络的融合发展将是后期频率缺乏时，移动通信运营商提高网络容量的重要方式。FDD-LTE与TD-LTE两种模式共同组网时，两者的组网结构可分为以下两种：

(1)由于FDD-LTE分配的频段较低，在相同条件下低频段覆盖范围较远，建网初期可以将FDD-LTE用于覆盖。在后期容量需求增加、频率资源不足的情况下，可采用TD-LTE的模式进行第二层网的容量建设，这样可以利用较窄的频谱资源，提供LTE的高速数据。

(2)也可同时采用FDD-LTE与TD-LTE联合组网，在不同区域使用不同制式的LTE，在两种制式组网的边界注意FDD-LTE与TD-LTE之间的切换问题。切换过程都会被分为4个步骤：测量、上报、判决和执行。接收功率、误比特率和链路距离都能够作为测量依据从而进行理论上的估计和相应的处理。TD-LTE系统的切换是UE辅助的硬切换，它和FDD-LTE硬切换的最大区别在于：在TD-LTE中导频信号是在一个特殊的时隙上进行传输，而FDD-LTE系统中导频信道则占用一整个帧长度，基于导频信道的测量标准对于TD-LTE来说并不是那么精确。所以对于TD-LTE的测量，还需要结合信道质量、UE的位置和导频信号强度来进行。

从上文的分析来看，FDD-LTE与TD-LTE基本趋同一致，包括层二、层三结构和关键技术的采用；唯一的差别就是层一的帧结构不一致，虽然单帧长均为10ms。在核心网方面，TD-LTE和LTE-TDD都是采用统一EPS模式，同时支持2G、3G、E3G以及移动WiMAX、Wi-Fi等的接入，是一个综合的核心接入系统。在终端上，情况基本跟无线网相似。终端与无线网直接通信，采用与无线网对等的体系结构，也是三层体系结构，即层一、层二、层三。除了层一存在细节上的差别，其他完全相似。因此，FDD-LTE与TD-LTE系统在移动设备上可以共享一套平台。总而言之，这两种制式在技术上的相同之处达到90%，FDD/TDD双模解决方案的关键是以透明的方式融合FDD和TDD，为用户提供无缝的切换体验。

5  结论

后期LTE移动通信技术发展中，LTE
FDD/TD两种模式共同组网有利于LTE用户的世界漫游服务，以及频谱资源的最大化利用，移动通信运营商在对LTEFDD/TD融合组网时，主要要考虑的还应该是两种模式下的切换技术，注意切换参数的设置，从而给移动用户提供无缝覆盖的强大的数据速率服务。

参考文献：

[1]胡宏林，徐景.3GPP LTE无线链路关键技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]郑侃，赵慧，王文博.3G长期演进技术与系统设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]赵训威，林辉，张明，等.3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5]韩志刚.LTE FDD技术原理与网络规划[M].北京：人民邮电出版社，2012.

作者： 广东省电信规划设计院有限公司
陈敏  来源： 《移动通信》2013年第11期