TDD/FDD-LTE上下行架构及底层特性的差异

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Lte的框架结构分为分频多任务（FDD）及分时多任务（TDD）两种迥然不同的运作模式，两者的底层特性与频谱使用效率也各异其趣；设计人员若能充分了解LTE在FDD与TDD模式运作下的主要差异，将有助达成最佳的系统资源分配与频谱使用效率。
       
        LTE为3GPP所定义的无线技术，在框架结构（Frame Structure）上分为分频多任务（Frequency-Division Duplexing， FDD），以及分时多任务（Time Division Duplexing， TDD）两种迥然不同的运作模式。因此，在此篇文章中将会比较LTE在FDD与TDD模式运作下的主要差异，藉以呈现两者的频谱使用效率。
       
        框架结构/资源分配截然不同
       
        首先，框架结构在FDD模式下，在频率轴上以成对的方式进行分频使用，一频带用于下行带宽（DL Bandwidth），另一频带用于上行带宽（UL Bandwidth）；而在TDD模式下，频谱为上下行所共享，上下行的配置是以时间进行分时配置，一部分时间安排下行传送，另一部分则安排上行传送。在下行转上行时，会有一段保护时间（Guard Period， GP）用于接收与传送间进行转换。
       
        简而言之，FDD模式为成对的频谱配置，而TDD为单一的频谱配置。图1为FDD与TDD之间资源分配的比较，其中TDD模式周期为10毫秒（ms）的配置模式示意图。假定在相同带宽配置下，FDD则为相同带宽的上下行配置，上下行各占用一半的资源比例，此比例为固定。

       
       
        图1 FDD与TDD模式框架结构示意图

         
        反观TDD藉由在时间轴上不同的上下行配置达到上下行非对称资源分配，并可依据实际需求进行较佳资源分配，如表1所示，D为下行Subframe，S为特殊Subframe，U为上行Subframe.

       
       
        表1
         

         
        同步信号特性差异无几
       
        在LTE系统中，用户设备（UE）藉由扫描主同步信号（Primary Synchronization Signal， PSS）及辅助同步信号（Secondary Synchronization Signal， SSS），可进一步与基地台（eNB）达成同步，但是在TDD与FDD两种模式下，PSS和SSS的符号时间（Symbol Time）则有所差异。
       
        在FDD模式中，PSS与SSS分别位于时槽（Slot）0及10的最后一个和倒数第二个符号时间中，PSS与SSS在时间轴上为连续的；而在TDD模式里，PSS位于Subframe 1及6的第三个符号时间中，SSS则位于Subframe 0及5的最后一个符号时间中，即SSS与PSS间相隔三个符号时间。
       
        虽然在FDD模式中PSS及SSS为相连，而在TDD模式中则为相距三个符号时间，但是一般认为此一差距对于UE在进行同步上，并无明显的差异性。
       
        TDD独拥特殊Subframe
       
        另一方面，特殊Subframe为TDD模式下独有的Subframe配置，依据在时间轴上的配置，可分为下行导引时槽（Downlink Pilot Time Slot， DwPTS）、保护时间，以及上行导引时槽（Uplink Pilot Time Slot， UpPTS）三个部分。DwPTS用来传送下行控制信息以及下行数据；保护时间则做为下行转上行的切换时间；另UpPTS可用来传送实体随机存取信道（PhysICal Random Access Channel， PRACH）及探测参考信号（Sounding Reference Signal， SRS）。
       
        PRACH主要用来传送随机进入前序信号（Random Access Preamble），以藉该信号让UE能利用竞争方式要求上行带宽；因此，eNB必须提供适量的PRACH资源给UE进行随机进入要求带宽，如此一来，PRACH的配置数量多寡可依据一个框架（10ms）中有多少PRACH数量作为衡量方式。
       
        在FDD模式中每个Subframe中最多一个PRACH的配置，而在TDD模式中，在某些框架结构下，上传Subframe的配置相对较少，因此PRACH在一个Subframe中可有0至多个PRACH资源的配置。
         
          PHICH资源个数因时制宜
       
        至于另一个LTE信号传输信道——实体混合自动请求回复指示通道（PHICH），其被用来传输混合式自动重送请求指标（HARQ Indicator， HI），HI携带上行数据传输接收的结果为ACK或是NACK.在FDD模式下每个下行Subframe中的PHICH资源个数为固定；在TDD模式下，若Subframe不需要传送上行数据接收结果的回报，则不须配置PHICH资源。
       
        也就是说，在须要接收HARQ回报的下行Subframe（包含特殊Subframe）中，TDD模式可依据上/下行模式设定在Subframe中配置PHICH资源，若只须回报一个上行Subframe的传输结果，此时PHICH资源数为n；若须回报两个上行Subframe回报的资源则为2n.以TDD模式上/下行模式0来说明，在下行Subframe0及5中，PHICH资源为2n，特殊Subframe1及6中PHICH资源数为n.
       
        LTE的框架结构分为分频多任务（FDD）及分时多任务（TDD）两种迥然不同的运作模式，两者的底层特性与频谱使用效率也各异其趣；设计人员若能充分了解LTE在FDD与TDD模式运作下的主要差异，将有助达成最佳的系统资源分配与频谱使用效率。
       
        TDD上/下行同步模式左右HARQ处理程序个数
       
        至于HARQ处理程序个数，在FDD模式中，下行HARQ至多可有八个HARQ处理程序；而TDD模式则会依据上/下行模式不同，而有四到十五个HARQ处理程序，在下行框架多于上行框架的配置架构下，可能会有多个ACK/NACK回报在同一个上行Subframe中传送，此时可使用捆绑（Bundling）方式或是多任务（Multiplexing）方式回报。详细的下行HARQ处理程序个数如表2所示。

       
       
        表2

         
        值得注意的是，若上行HARQ为同步HARQ，不须藉由信息沟通即可知道目前传输对应的HARQ处理程序为哪一个。分别来看，在FDD模式正常操作下有八个HARQ处理程序，在捆绑操作下则有四个HARQ处理程序。
       
        在TDD操作于正常模式下，会有一到七个HARQ处理程序，在捆绑操作下则为二至三个HARQ处理程序。详细的上行HARQ处理程序个数如表3所示。

       
       
        表3

           
       
        上行半静态排程资源分配迥异
       
        至于上行配置半静态排程（Semi-Persistent Scheduling， SPS）在TDD与FDD模式中也有所差别，对HARQ处理程序也有所影响，举例来说，TDD上行配置SPS资源时可能有两个周期配置，相较于FDD下仅有一个周期。
       
        也由于TDD模式在配置上行SPS周期通常以十个Subframe的倍数配置，在某些上下行配置中，上行同步的HARQ处理程序周期也是十个Subframe，故可能会让SPS在进行重传时，又必须使用同一个HARQ处理程序进行新的数据传送，为避免这种冲突状况发生，SPS资源分配可使用两个周期的方式减低此问题发生机会。
       
        DCI判别资源分配Subframe
       
        在TDD模式的下行控制信息（Downlink Control Information， DCI）Format 0（用以安排上行数据传输资源）中，其增加一个上行索引值（Index）字段，此字段用于上下行配置0时，一个DCI可同时指派两个上行Subframe资源分配，此时可依此字段选择所配置的资源属于哪个Subframe.
       
        此外，TDD模式的DCI中增加一个下行配置索引值（Downlink Assignment Index， DAI）字段，若使用于配置下行资源的DCI中（如DCI Format 1A、2、2A等），则用来告知UE在同一个回报区间到目前为止有多少下行资源分配（未包含SPS配置）。若下行配置索引值用于配置上行资源的DCI中（即DCI Format 0），则用来说明此上行传输总共包含多少个下行ACK/NACK回报（包含SPS配置回报）。
       
        保护时间影响频谱资源应用CFI值透露可传送信息的符号时间
       
        探讨TDD及FDD下行控制信息（Control Message）的资源分配，可藉由控制格式指示（Control Format Indicator， CFI）值，进一步表示有多少符号时间用于传送控制信息，其中可能的选项有一到四个符号时间不等，若采四个符号时间仅可用于十个RB以下带宽。
       
        至于其他的符号时间选项则可用于FDD及TDD的一般下行Subframe中。此外，在TDD特殊Subframe的DwPTS中则因可用于下行传输的符号时间较短，仅能配置至多两个符号时间的资源给予控制信息。
       
        同时，在TDD框架结构中，可观察到由于须使用保护时间来进行下行转上行的切换，因此实际可用于传输的资源会较FDD少，保护时间的大小则会影响到TDD与FDD模式可用资源的差异性；不过整体来说，由于保护时间占整个框架时间的比例相对小，因此TDD模式与FDD模式在同样带宽下，整体频谱运用效率仅有些微差异。
       
        TDD/FDD互拼eNB边缘UE效率
       
        另就在eNB边缘（Cell Edge）的UE来说，由于距离eNB距离远，而UE上行功率也有一定限制，故须藉由多个传输时间捆绑的方式，在连续的传输时间中，传送不同版本的冗余（Redundancy）来弥补eNB在接收信号较差时译码的需求。再者，也由于上行功率限制，UE在同一个传输时间使用的RB数量及数据量都会因此受限。
       
        在前面所述的状况下，在eNB边缘的UE有时藉由时间换取空间的方式来达成上行传送，但由于TDD上行的传输并非在所有时间都能传送，必须在上行Subframe才能进行，因此一般认为针对处于eNB边缘的UE服务来说，FDD模式会较TDD模式来的有效率。但也有些人认为，当系统达到一定的服务量时，eNB也无法让个别UE在每个Subframe中皆配置上传资源，因此两者差异不大。
       
        在此篇文章中说明LTE在FDD模式与TDD模式下的主要差别，希望藉由此篇文章给予读者了解两者在架构上的不同以及底层特性的差异，详细的内容可参照3GPP所定义的各项协议内容。