TDD/FDD-LTE上下行架構(gòu)及底層特性的差異

 LTE的框架結(jié)構(gòu)分為分頻多任務(wù)(FDD)及分時(shí)多任務(wù)(TDD)兩種迥然不同的運(yùn)作模式，兩者的底層特性與頻譜使用效率也各異其趣;設(shè)計(jì)人員若能充分了解LTE在FDD與TDD模式運(yùn)作下的主要差異，將有助達(dá)成最佳的系統(tǒng)資源分配與頻譜使用效率。

LTE為3GPP所定義的無線技術(shù)，在框架結(jié)構(gòu)(Frame Structure)上分為分頻多任務(wù)(Frequency-Division Duplexing, FDD)，以及分時(shí)多任務(wù)(Time Division Duplexing, TDD)兩種迥然不同的運(yùn)作模式。因此，在此篇文章中將會比較LTE在FDD與TDD模式運(yùn)作下的主要差異，藉以呈現(xiàn)兩者的頻譜使用效率。

框架結(jié)構(gòu)/資源分配截然不同

首先，框架結(jié)構(gòu)在FDD模式下，在頻率軸上以成對的方式進(jìn)行分頻使用，一頻帶用于下行帶寬(DL Bandwidth)，另一頻帶用于上行帶寬(UL Bandwidth);而在TDD模式下，頻譜為上下行所共享，上下行的配置是以時(shí)間進(jìn)行分時(shí)配置，一部分時(shí)間安排下行傳送，另一部分則安排上行傳送。在 下行轉(zhuǎn)上行時(shí)，會有一段保護(hù)時(shí)間(Guard Period, GP)用于接收與傳送間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

簡而言之，F(xiàn)DD模式為成對的頻譜配置，而TDD為單一的頻譜配置。圖1為FDD與TDD之間資源分配的比較，其中TDD模式周期為10毫秒(ms)的配置模式示意圖。假定在相同帶寬配置下，F(xiàn)DD則為相同帶寬的上下行配置，上下行各占用一半的資源比例，此比例為固定。

圖1　FDD與TDD模式框架結(jié)構(gòu)示意圖 數(shù)據(jù)源：資策會

反觀TDD藉由在時(shí)間軸上不同的上下行配置達(dá)到上下行非對稱資源分配，并可依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行較佳資源分配，如表1所示，D為下行Subframe，S為特殊Subframe，U為上行Subframe。

表1

同步信號特性差異無幾

在LTE系統(tǒng)中，用戶設(shè)備(UE)藉由掃描主同步信號(Primary Synchronization Signal, PSS)及輔助同步信號(Secondary Synchronization Signal, SSS)，可進(jìn)一步與基地臺(eNB)達(dá)成同步，但是在TDD與FDD兩種模式下，PSS和SSS的符號時(shí)間(Symbol Time)則有所差異。

在FDD模式中，PSS與SSS分別位于時(shí)槽(Slot)0及10的最后一個(gè)和倒數(shù)第二個(gè)符號時(shí)間中，PSS與SSS在時(shí)間軸上為連續(xù)的;而在TDD模式 里，PSS位于Subframe 1及6的第三個(gè)符號時(shí)間中，SSS則位于Subframe 0及5的最后一個(gè)符號時(shí)間中，即SSS與PSS間相隔三個(gè)符號時(shí)間。

雖然在FDD模式中PSS及SSS為相連，而在TDD模式中則為相距三個(gè)符號時(shí)間，但是一般認(rèn)為此一差距對于UE在進(jìn)行同步上，并無明顯的差異性。

TDD獨(dú)擁特殊Subframe

另一方面，特殊Subframe為TDD模式下獨(dú)有的Subframe配置，依據(jù)在時(shí)間軸上的配置，可分為下行導(dǎo)引時(shí)槽(Downlink Pilot Time Slot, DwPTS)、保護(hù)時(shí)間，以及上行導(dǎo)引時(shí)槽(Uplink Pilot Time Slot, UpPTS)三個(gè)部分。DwPTS用來傳送下行控制信息以及下行數(shù)據(jù);保護(hù)時(shí)間則做為下行轉(zhuǎn)上行的切換時(shí)間;另UpPTS可用來傳送實(shí)體隨機(jī)存取信道 (Physical Random Access Channel, PRACH)及探測參考信號(Sounding Reference Signal, SRS)。

PRACH主要用來傳送隨機(jī)進(jìn)入前序信號(Random Access Preamble)，以藉該信號讓UE能利用競爭方式要求上行帶寬;因此，eNB必須提供適量的PRACH資源給UE進(jìn)行隨機(jī)進(jìn)入要求帶寬，如此一 來，PRACH的配置數(shù)量多寡可依據(jù)一個(gè)框架(10ms)中有多少PRACH數(shù)量作為衡量方式。

在FDD模式中每個(gè)Subframe中最多一個(gè)PRACH的配置，而在TDD模式中，在某些框架結(jié)構(gòu)下，上傳Subframe的配置相對較少，因此PRACH在一個(gè)Subframe中可有0至多個(gè)PRACH資源的配置。

PHICH資源個(gè)數(shù)因時(shí)制宜

至于另一個(gè)LTE信號傳輸信道--實(shí)體混合自動(dòng)請求回復(fù)指示通道(PHICH)，其被用來傳輸混合式自動(dòng)重送請求指標(biāo)(HARQ Indicator, HI)，HI攜帶上行數(shù)據(jù)傳輸接收的結(jié)果為ACK或是NACK。在FDD模式下每個(gè)下行Subframe中的PHICH資源個(gè)數(shù)為固定;在TDD模式下，若Subframe不 需要傳送上行數(shù)據(jù)接收結(jié)果的回報(bào)，則不須配置PHICH資源。

也就是說，在須要接收HARQ回報(bào)的下行Subframe(包含特殊Subframe)中，TDD模式可依據(jù)上/下行模式設(shè)定在Subframe中配置PHICH資源，若只須回報(bào)一個(gè)上 行Subframe的傳輸結(jié)果，此時(shí)PHICH資源數(shù)為n;若須回報(bào)兩個(gè)上行Subframe回報(bào)的資源則為2n。以TDD模式上/下行模式0來說明，在下行Subframe0及5 中，PHICH資源為2n，特殊Subframe1及6中PHICH資源數(shù)為n。

LTE的框架結(jié)構(gòu)分為分頻多任務(wù)(FDD)及分時(shí)多任務(wù)(TDD)兩種迥然不同的運(yùn)作模式，兩者的底層特性與頻譜使用效率也各異其趣;設(shè)計(jì)人員若能充分了解LTE在FDD與TDD模式運(yùn)作下的主要差異，將有助達(dá)成最佳的系統(tǒng)資源分配與頻譜使用效率。

下一頁：TDD上/下行同步模式　左右HARQ處理程序個(gè)數(shù)

TDD上/下行同步模式　左右HARQ處理程序個(gè)數(shù)

至于HARQ處理程序個(gè)數(shù)，在FDD模式中，下行HARQ至多可有八個(gè)HARQ處理程序;而TDD模式則會依據(jù)上/下行模式不同，而有四到十五個(gè)HARQ 處理程序，在下行框架多于上行框架的配置架構(gòu)下，可能會有多個(gè)ACK/NACK回報(bào)在同一個(gè)上行Subframe中傳送，此時(shí)可使用捆綁(Bundling)方式或是多任務(wù)(Multiplexing)方式回報(bào)。詳細(xì)的下行HARQ處理程序個(gè)數(shù)如表2所示。

表2

值得注意的是，若上行HARQ為同步HARQ，不須藉由信息溝通即可知道目前傳輸對應(yīng)的HARQ處理程序?yàn)槟囊粋€(gè)。分別來看，在FDD模式正常操作下有八個(gè)HARQ處理程序，在捆綁操作下則有四個(gè)HARQ處理程序。

在TDD操作于正常模式下，會有一到七個(gè)HARQ處理程序，在捆綁操作下則為二至三個(gè)HARQ處理程序。詳細(xì)的上行HARQ處理程序個(gè)數(shù)如表3所示。

表3

上行半靜態(tài)排程資源分配迥異

至于上行配置半靜態(tài)排程(Semi-Persistent Scheduling, SPS)在TDD與FDD模式中也有所差別，對HARQ處理程序也有所影響，舉例來說，TDD上行配置SPS資源時(shí)可能有兩個(gè)周期配置，相較于FDD下僅有一個(gè)周期。

也由于TDD模式在配置上行SPS周期通常以十個(gè)Subframe的倍數(shù)配置，在某些上下行配置中，上行同步的HARQ處理程序周期也是十個(gè)Subframe，故可能會讓 SPS在進(jìn)行重傳時(shí)，又必須使用同一個(gè)HARQ處理程序進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，為避免這種沖突狀況發(fā)生，SPS資源分配可使用兩個(gè)周期的方式減低此問題發(fā)生機(jī)會。

DCI判別資源分配Subframe

在TDD模式的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)Format 0(用以安排上行數(shù)據(jù)傳輸資源)中，其增加一個(gè)上行索引值(Index)字段，此字段用于上下行配置0時(shí)，一個(gè)DCI可同時(shí)指派兩個(gè)上行Subframe資源分配， 此時(shí)可依此字段選擇所配置的資源屬于哪個(gè)Subframe。

此外，TDD模式的DCI中增加一個(gè)下行配置索引值(Downlink Assignment Index, DAI)字段，若使用于配置下行資源的DCI中(如DCI Format 1A、2、2A等)，則用來告知UE在同一個(gè)回報(bào)區(qū)間到目前為止有多少下行資源分配(未包含SPS配置)。若下行配置索引值用于配置上行資源的DCI中 (即DCI Format 0)，則用來說明此上行傳輸總共包含多少個(gè)下行ACK/NACK回報(bào)(包含SPS配置回報(bào))。

保護(hù)時(shí)間影響頻譜資源應(yīng)用　CFI值透露可傳送信息的符號時(shí)間

探討TDD及FDD下行控制信息(Control Message)的資源分配，可藉由控制格式指示(Control Format Indicator, CFI)值，進(jìn)一步表示有多少符號時(shí)間用于傳送控制信息，其中可能的選項(xiàng)有一到四個(gè)符號時(shí)間不等，若采四個(gè)符號時(shí)間僅可用于十個(gè)RB以下帶寬。

至于其他的符號時(shí)間選項(xiàng)則可用于FDD及TDD的一般下行Subframe中。此外，在TDD特殊Subframe的DwPTS中則因可用于下行傳輸?shù)姆枙r(shí)間較短，僅能配置至多兩個(gè)符號時(shí)間的資源給予控制信息。

同時(shí)，在TDD框架結(jié)構(gòu)中，可觀察到由于須使用保護(hù)時(shí)間來進(jìn)行下行轉(zhuǎn)上行的切換，因此實(shí)際可用于傳輸?shù)馁Y源會較FDD少，保護(hù)時(shí)間的大小則會影響到TDD 與FDD模式可用資源的差異性;不過整體來說，由于保護(hù)時(shí)間占整個(gè)框架時(shí)間的比例相對小，因此TDD模式與FDD模式在同樣帶寬下，整體頻譜運(yùn)用效率僅有些微差異。

TDD/FDD互拼eNB邊緣UE效率

另就在eNB邊緣(Cell Edge)的UE來說，由于距離eNB距離遠(yuǎn)，而UE上行功率也有一定限制，故須藉由多個(gè)傳輸時(shí)間捆綁的方式，在連續(xù)的傳輸時(shí)間中，傳送不同版本的冗余 (Redundancy)來彌補(bǔ)eNB在接收信號較差時(shí)譯碼的需求。再者，也由于上行功率限制，UE在同一個(gè)傳輸時(shí)間使用的RB數(shù)量及數(shù)據(jù)量都會因此受限。

在前面所述的狀況下，在eNB邊緣的UE有時(shí)藉由時(shí)間換取空間的方式來達(dá)成上行傳送，但由于TDD上行的傳輸并非在所有時(shí)間都能傳送，必須在上行Subframe才 能進(jìn)行，因此一般認(rèn)為針對處于eNB邊緣的UE服務(wù)來說，F(xiàn)DD模式會較TDD模式來的有效率。但也有些人認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一定的服務(wù)量時(shí)，eNB也無法讓個(gè)別UE在每個(gè)Subframe中皆配置上傳資源，因此兩者差異不大。

在此篇文章中說明LTE在FDD模式與TDD模式下的主要差別，希望藉由此篇文章給予讀者了解兩者在架構(gòu)上的不同以及底層特性的差異，詳細(xì)的內(nèi)容可參照3GPP所定義的各項(xiàng)協(xié)議內(nèi)容。