LTE TDD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

1、引言

　　LTE系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式。在這兩種雙工方式下，系統(tǒng)的大部分設(shè)計(jì)，尤其是高層協(xié)議方面是一致的。另一方面，在系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)，尤其是物理層的設(shè)計(jì)上，由于FDD和TDD兩種雙工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系統(tǒng)為TDD的工作方式進(jìn)行了一系列專門的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設(shè)計(jì)思想，下面我們對(duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述與討論。

　　2、幀結(jié)構(gòu)

　　雙工方式的不同，最直接的就是對(duì)于空中接口無線幀結(jié)構(gòu)的影響，因?yàn)镕DD采用頻率來區(qū)分上、下行，其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的；而TDD采用時(shí)間來區(qū)分上、下行，其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，而且需要保護(hù)時(shí)間間隔來避免兩個(gè)方向之間的收發(fā)干擾，所以LTE分別為FDD和TDD設(shè)計(jì)了各自的幀結(jié)構(gòu)，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD的工作方式（見圖1）。

　　圖1LTE無線幀結(jié)構(gòu)

　　在FDDType1中，10ms的無線幀分為10個(gè)長(zhǎng)度為1ms的Subframe，每個(gè)Subframe由兩個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的slot組成。

　　在TDDType2中，10ms的無線幀由兩個(gè)長(zhǎng)度為5ms的Half-Frame組成，每個(gè)Half-Frame由5個(gè)長(zhǎng)度為1ms的Subframe組成，其中有4個(gè)普通的Subframe和1個(gè)特殊Subframe。普通Subframe由兩個(gè)0.5ms的slot組成，特殊Subframe由3個(gè)特殊時(shí)隙（UpPTS，GP和DwPTS）組成。

　　2.1Type2TDD特殊時(shí)隙的設(shè)計(jì)

　　如上節(jié)的無線幀結(jié)構(gòu)圖所示，在LTE中TDD與FDD幀結(jié)構(gòu)最顯著的區(qū)別在于：在TDDType2幀結(jié)構(gòu)中存在1ms的特殊子幀（Subframe），該子幀由三個(gè)特殊時(shí)隙組成：DwPTS，GP和UpPTS，其含義和功能與TD-SCDMA系統(tǒng)相類似，其中DwPTS始終用于下行發(fā)送，UpPTS始終用于上行發(fā)送，而GP作為TDD中下行至上行轉(zhuǎn)換的保護(hù)時(shí)間間隔。

　　圖2Type2TDD特殊時(shí)隙的設(shè)計(jì)
　　從圖2中可以看到，三個(gè)特殊時(shí)隙的總長(zhǎng)度固定為1ms，而其各自的長(zhǎng)度可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需要進(jìn)行配置（例如，不同的小區(qū)覆蓋半徑），在技術(shù)規(guī)范中支持如表1所示的9種配置選項(xiàng)。從表中可以看出UpPTS的長(zhǎng)度為1～2個(gè)符號(hào)；DwPTS的長(zhǎng)度為3～12個(gè)符號(hào)；相應(yīng)的GP長(zhǎng)度為1～10個(gè)符號(hào)，時(shí)間長(zhǎng)度為70～700μs，對(duì)應(yīng)的支持1～100km的小區(qū)覆蓋半徑。

　　表1支持的9種配置選項(xiàng)

　　DwPTS中包含物理下行控制信道和數(shù)據(jù)信道，實(shí)現(xiàn)與其它下行子幀相同的下行數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。而UpPTS不再發(fā)送上行數(shù)據(jù)，決定將UpPTS的上行符號(hào)用于上行Sounding導(dǎo)頻的發(fā)送，這樣的導(dǎo)頻可以用于上行信道的測(cè)量，在TDD的模式下由于上下行信道的對(duì)稱性，還可以相應(yīng)的獲得關(guān)于下行信道的信息。[!--empirenews.page--]2.2同步信道的設(shè)計(jì)

　　同步信道是另一項(xiàng)體現(xiàn)不同雙工方式的設(shè)計(jì)。LTE中用于小區(qū)搜索的同步信道包括“主同步信號(hào)”和“輔同步信號(hào)”。圖3是LTE同步信號(hào)的位置結(jié)構(gòu)，在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號(hào)具有不同的位置：在FDDType1中兩個(gè)同步信號(hào)連接在一起，位于子幀0和5的中間位置；而TDDType2中，輔同步信號(hào)位于子幀0的末尾，主同步信號(hào)位于特殊子幀，即DwPTS的第三個(gè)符號(hào)。

　　圖3LTE下行同步信號(hào)

　　這樣，在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號(hào)在無線幀中的絕對(duì)位置不相同，更為重要的是，主、輔同步信號(hào)的相對(duì)位置不同：在FDD中兩個(gè)信號(hào)連接在一起，而在TDD中兩個(gè)信號(hào)之間有兩個(gè)符號(hào)的時(shí)間間隔。由于同步信號(hào)是終端進(jìn)行小區(qū)搜索時(shí)最先檢測(cè)的信號(hào)，這樣不同的相對(duì)位置的設(shè)計(jì)使得終端在接入網(wǎng)絡(luò)的最開始階段就可以檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)的雙工方式，即FDD或者TDD。

　　2.3短RACH

　　短RACH（RandomAccessCHannel）是LTE對(duì)TDD的另一項(xiàng)特殊設(shè)計(jì)。在LTE中，隨機(jī)接入序列采用如圖4所示的信號(hào)結(jié)構(gòu)，序列的長(zhǎng)度共有1ms，2ms以及157μs的三種選項(xiàng)，共5種隨機(jī)接入序列格式。其中，長(zhǎng)度為157μs的隨機(jī)接入序列格式是TDD所特有的，由于其長(zhǎng)度明顯短于其它的4種格式，因此又稱為“短RACH”。

　　圖4LTE的隨機(jī)接入信道

　　采用短RACH的原因也是與TDD關(guān)于特殊時(shí)隙的設(shè)計(jì)相關(guān)的，如同圖中所描述的，短RACH在特殊時(shí)隙的最后部分（即UpPTS）進(jìn)行發(fā)送，這樣利用這一部分的資源完成上行隨機(jī)接入的操作，避免占用正常子幀的資源。采用短RACH時(shí)，需要注意的一個(gè)主要問題是其鏈路預(yù)算所能夠支持的覆蓋半徑，由于其長(zhǎng)度要大大的小于其它格式的RACH序列（1ms，2ms），因此其鏈路預(yù)算相對(duì)較低（比長(zhǎng)度為1ms的約低7.8dB），相應(yīng)的適用于覆蓋半徑較小的場(chǎng)景（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，約700m～2km）。[!--empirenews.page--]3、上下行的時(shí)間分配

　　上一節(jié)中，我們描述了LTE中與TDD特殊時(shí)隙相關(guān)的，針對(duì)TDD進(jìn)行的設(shè)計(jì)。而在特殊時(shí)隙之外，TDD還有另外一個(gè)顯著區(qū)別于FDD的物理特征，即FDD依靠頻率區(qū)分上下行，因此其單方向的資源在時(shí)間上是連續(xù)的；而TDD依靠時(shí)間來區(qū)分上下行，所以其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)方向上進(jìn)行了分配。

　　圖5是LTETDD中支持的7種不同的上、下行時(shí)間配比，從將大部分資源分配給下行的“9:1”到上行占用資源較多的“2:3”，在實(shí)際使用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)量的特性靈活的選擇配置。
　　這樣，在資源組成上TDD與FDD所固有的不同，成為了LTE中另一部分為TDD所進(jìn)行的專門設(shè)計(jì)的原因。這一部分設(shè)計(jì)主要包括“物理層HARQ的相關(guān)機(jī)制”，以及“采用頻分的隨機(jī)接入信道”。

　　圖5LTETDD上下行配比

　　3.1HARQ

　　如同圖1中所描述的，在FDD的情況下，上、下行的資源在單方向上都是連續(xù)的，而且子幀數(shù)目相等。因此，以下行為例，在進(jìn)行物理層的HARQ時(shí)，下行數(shù)據(jù)與上行的ACK/NAK之間可以建立一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖6所示）。與此不同的是，在TDD的情況下，單方向的資源不是連續(xù)的，因此可能無法獲得對(duì)應(yīng)的時(shí)間上的資源。另外，上下行配比的設(shè)置可能使得上下行的子幀數(shù)目不相等，因此無法建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系（如圖7所示），所以這些都需要進(jìn)行TDD針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

　　圖7TDDHARQ反饋

　　在LTETDD，為了解決以上問題，引入了MultipleACK/NAK的概念，即使用一個(gè)ACK/NAK完成對(duì)前續(xù)若干個(gè)下行數(shù)據(jù)的反饋（如圖8所示），這樣就解決了上下行時(shí)隙不對(duì)稱帶來的反饋問題。在另一個(gè)方面，同時(shí)還減小了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，數(shù)據(jù)無需再等待到下一個(gè)上行時(shí)隙以進(jìn)行反饋了。當(dāng)然，該方案可能引起的不必要的過多重傳也需要引起注意。
　　

　　圖8TDDHARQ反饋——MultipleACK/NAK

　　另外，對(duì)比圖8和圖6，會(huì)發(fā)現(xiàn)在FDD和TDD情況下，數(shù)據(jù)與ACK/NAK反饋之間具有不同的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系（即HARQTiming）。同理，容易理解的是，對(duì)于TDD的不同上下行配比，這種對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系也將有所不同。另外，還可能影響設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的是：這種時(shí)間上對(duì)應(yīng)關(guān)系的不同，會(huì)帶了對(duì)HARQ進(jìn)程數(shù)目的不同要求，這也是在具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中需要考慮的問題。

　　3.2頻分的隨機(jī)接入信道

　　允許同一時(shí)間上存在多個(gè)隨機(jī)接入信道（頻分）是TDD上下行時(shí)分的結(jié)構(gòu)形成的又一設(shè)計(jì)結(jié)果。在LTEFDD的設(shè)計(jì)中，同一時(shí)刻只允許一個(gè)隨機(jī)接入信道的存在，即僅在時(shí)間域上改變隨機(jī)接入信道的數(shù)量。而在TDD中，時(shí)間資源已經(jīng)在上下行進(jìn)行了分配，同時(shí)由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子幀數(shù)目很少的情況（如DL:UL=9:1），因此在TDD中需要支持頻分的隨機(jī)接入信道，即在同一時(shí)間位置上采用不同頻率的區(qū)分提供多個(gè)隨機(jī)接入信道，以為系統(tǒng)提供足夠的隨機(jī)接入的容量。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　為了能在兩種雙工方式下都實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)性能，同時(shí)成為有競(jìng)爭(zhēng)力的FDD和TDD系統(tǒng)，LTE在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)TDD固有的物理特性對(duì)LTETDD系統(tǒng)，尤其是物理層進(jìn)行了一系列專門的設(shè)計(jì)，包括幀結(jié)構(gòu)、特殊時(shí)隙、同步信道、短RACH、上下行時(shí)間的分配、HARQ機(jī)制以及隨機(jī)接入信道的頻分等。這些設(shè)計(jì)在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設(shè)計(jì)思想。通過這些設(shè)計(jì)，有效地保證了LTE在TDD模式下實(shí)現(xiàn)合理、高效的運(yùn)行。