专家剖析：TDD/FDD-LTE上下行架构及底层的差异化

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 数据源：资策会

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。