LTE TDD系统的设计分析

1、引言

LTE系统支持FDD和TDD两种双工方式。在这两种双工方式下，系统的大部分设计，尤其是高层协议方面是一致的。另一方面，在系统底层设计，尤其是物理层的设计上，由于FDD和TDD两种双工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系统为TDD的工作方式进行了一系列专门的设计，这些设计在一定程度上参考和继承了3G TD-SCDMA的设计思想，下面我们对这些设计进行简要的描述与讨论。

2、帧结构

双工方式的不同，最直接的就是对于空中接口无线帧结构的影响，因为FDD采用频率来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD采用时间来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是不连续的，而且需要保护时间间隔来避免两个方向之间的收发干扰，所以LTE分别为FDD和TDD设计了各自的帧结构，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD的工作方式（见图1）。

图1　LTE无线帧结构

在FDD Type 1中，10ms的无线帧分为10个长度为1 ms的Subframe，每个Subframe由两个长度为0.5ms的slot组成。

在TDD Type2中，10ms的无线帧由两个长度为5ms的Half-Frame组成，每个Half-Frame由5个长度为1 ms的Subframe组成，其中有4个普通的Subframe和1个特殊Subframe。普通Subframe由两个0.5ms的slot组成，特殊Subframe由3个特殊时隙（UpPTS，GP和DwPTS）组成。

2.1　Type2 TDD特殊时隙的设计

如上节的无线帧结构图所示，在LTE中TDD与FDD帧结构最显著的区别在于：在TDD Type 2帧结构中存在1ms的特殊子帧（Subframe），该子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP和UpPTS，其含义和功能与TD-SCDMA系统相类似，其中DwPTS始终用于下行发送，UpPTS始终用于上行发送，而GP作为TDD中下行至上行转换的保护时间间隔。

图2　Type2 TDD特殊时隙的设计

从图2中可以看到，三个特殊时隙的总长度固定为1 ms，而其各自的长度可以根据网络的实际需要进行配置（例如，不同的小区覆盖半径），在技术规范中支持如表1所示的9种配置选项。从表中可以看出UpPTS的长度为1～2个符号；DwPTS的长度为3～12个符号；相应的GP长度为1～10个符号，时间长度为70～700μs，对应的支持1～100km的小区覆盖半径。

表1　支持的9种配置选项

DwPTS中包含物理下行控制信道和数据信道，实现与其它下行子帧相同的下行数据发送的功能。而UpPTS不再发送上行数据，决定将UpPTS的上行符号用于上行Sounding导频的发送，这样的导频可以用于上行信道的测量，在TDD的模式下由于上下行信道的对称性，还可以相应的获得关于下行信道的信息。

2.2　同步信道的设计

同步信道是另一项体现不同双工方式的设计。LTE中用于小区搜索的同步信道包括"主同步信号"和"辅同步信号"。图3是LTE同步信号的位置结构，在两种帧结构中，同步信号具有不同的位置：在FDD Type1中两个同步信号连接在一起，位于子帧0和5的中间位置；而TDD Type2中，辅同步信号位于子帧0的末尾，主同步信号位于特殊子帧，即DwPTS的第三个符号。

图3　LTE下行同步信号

这样，在两种帧结构中，同步信号在无线帧中的绝对位置不相同，更为重要的是，主、辅同步信号的相对位置不同：在FDD中两个信号连接在一起，而在TDD中两个信号之间有两个符号的时间间隔。由于同步信号是终端进行小区搜索时最先检测的信号，这样不同的相对位置的设计使得终端在接入网络的最开始阶段就可以检测出网络的双工方式，即FDD或者TDD。

2.3　短RACH

短RACH（Random Access CHannel）是LTE对TDD的另一项特殊设计。在LTE中，随机接入序列采用如图4所示的信号结构，序列的长度共有1ms，2ms以及157μs的三种选项，共5种随机接入序列格式。其中，长度为157μs的随机接入序列格式是TDD所特有的，由于其长度明显短于其它的4种格式，因此又称为"短RACH"。

图4　LTE的随机接入信道

采用短RACH的原因也是与TDD关于特殊时隙的设计相关的，如同图中所描述的，短RACH在特殊时隙的最后部分（即UpPTS）进行发送，这样利用这一部分的资源完成上行随机接入的操作，避免占用正常子帧的资源。采用短RACH时，需要注意的一个主要问题是其链路预算所能够支持的覆盖半径，由于其长度要大大的小于其它格式的RACH序列（1ms，2ms），因此其链路预算相对较低（比长度为1ms的约低7.8dB），相应的适用于覆盖半径较小的场景（根据网络环境的不同，约700m～2km）。

3、上下行的时间分配

上一节中，我们描述了LTE中与TDD特殊时隙相关的，针对TDD进行的设计。而在特殊时隙之外，TDD还有另外一个显著区别于FDD的物理特征，即FDD依靠频率区分上下行，因此其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD依靠时间来区分上下行，所以其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。

图5是LTE TDD中支持的7种不同的上、下行时间配比，从将大部分资源分配给下行的"9:1"到上行占用资源较多的"2:3"，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置。

这样，在资源组成上TDD与FDD所固有的不同，成为了LTE中另一部分为TDD所进行的专门设计的原因。这一部分设计主要包括"物理层HARQ的相关机制"，以及"采用频分的随机接入信道"。

图5　LTE TDD上下行配比

3.1　HARQ

如同图1中所描述的，在FDD的情况下，上、下行的资源在单方向上都是连续的，而且子帧数目相等。因此，以下行为例，在进行物理层的HARQ时，下行数据与上行的ACK/NAK之间可以建立一对一的对应关系（如图6所示）。与此不同的是，在TDD的情况下，单方向的资源不是连续的，因此可能无法获得对应的时间上的资源。另外，上下行配比的设置可能使得上下行的子帧数目不相等，因此无法建立一一对应的关系（如图7所示），所以这些都需要进行TDD针对性的设计。

图6　FDD HARQ反馈

图7　TDD HARQ反馈

在LTE TDD，为了解决以上问题，引入了Multiple ACK/NAK的概念，即使用一个ACK/NAK完成对前续若干个下行数据的反馈（如图8所示），这样就解决了上下行时隙不对称带来的反馈问题。在另一个方面，同时还减小了数据的传输时延，数据无需再等待到下一个上行时隙以进行反馈了。当然，该方案可能引起的不必要的过多重传也需要引起注意。

图8　TDD HARQ反馈——Multiple ACK/NAK

另外，对比图8和图6，会发现在FDD和TDD情况下，数据与ACK/NAK反馈之间具有不同的时间对应关系（即HARQ Timing）。同理，容易理解的是，对于TDD的不同上下行配比，这种对应的时间关系也将有所不同。另外，还可能影响设计细节的是：这种时间上对应关系的不同，会带了对HARQ进程数目的不同要求，这也是在具体设计和实现中需要考虑的问题。

3.2　频分的随机接入信道

允许同一时间上存在多个随机接入信道（频分）是TDD上下行时分的结构形成的又一设计结果。在LTE FDD的设计中，同一时刻只允许一个随机接入信道的存在，即仅在时间域上改变随机接入信道的数量。而在TDD中，时间资源已经在上下行进行了分配，同时由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子帧数目很少的情况（如DL:UL=9:1），因此在TDD中需要支持频分的随机接入信道，即在同一时间位置上采用不同频率的区分提供多个随机接入信道，以为系统提供足够的随机接入的容量。

4、结束语

为了能在两种双工方式下都实现最优化的系统性能，同时成为有竞争力的FDD和TDD系统，LTE在系统设计中，根据TDD固有的物理特性对LTE TDD系统，尤其是物理层进行了一系列专门的设计，包括帧结构、特殊时隙、同步信道、短RACH、上下行时间的分配、HARQ机制以及随机接入信道的频分等。这些设计在一定程度上参考和继承了3G TD-SCDMA的设计思想。通过这些设计，有效地保证了LTE在TDD模式下实现合理、高效的运行。