1、引言

　　LTE系統支持FDD和TDD兩種雙工方式。在這兩種雙工方式下，系統的大部分設計，尤其是高層協議方面是一致的。另一方面，在系統底層設計，尤其是物理層的設計上，由于FDD和TDD兩種雙工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系統為TDD的工作方式進行了一系列專門的設計，這些設計在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設計思想，下面我們對這些設計進行簡要的描述與討論。

　　2、幀結構

　　雙工方式的不同，最直接的就是對于空中接口無線幀結構的影響，因為FDD采用頻率來區分上、下行，其單方向的資源在時間上是連續的；而TDD采用時間來區分上、下行，其單方向的資源在時間上是不連續的，而且需要保護時間間隔來避免兩個方向之間的收發干擾，所以LTE分別為FDD和TDD設計了各自的幀結構，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD的工作方式（見圖1）。

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　　圖1LTE無線幀結構

　　在FDDType1中，10ms的無線幀分為10個長度為1ms的Subframe，每個Subframe由兩個長度為0.5ms的slot組成。

　　在TDDType2中，10ms的無線幀由兩個長度為5ms的Half-Frame組成，每個Half-Frame由5個長度為1ms的Subframe組成，其中有4個普通的Subframe和1個特殊Subframe。普通Subframe由兩個0.5ms的slot組成，特殊Subframe由3個特殊時隙（UpPTS，GP和DwPTS）組成。

　　2.1Type2TDD特殊時隙的設計

　　如上節的無線幀結構圖所示，在LTE中TDD與FDD幀結構最顯著的區別在于：在TDDType2幀結構中存在1ms的特殊子幀（Subframe），該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP和UpPTS，其含義和功能與TD-SCDMA系統相類似，其中DwPTS始終用于下行發送，UpPTS始終用于上行發送，而GP作為TDD中下行至上行轉換的保護時間間隔。

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　　圖2Type2TDD特殊時隙的設計
　　從圖2中可以看到，三個特殊時隙的總長度固定為1ms，而其各自的長度可以根據網絡的實際需要進行配置（例如，不同的小區覆蓋半徑），在技術規范中支持如表1所示的9種配置選項。從表中可以看出UpPTS的長度為1～2個符號；DwPTS的長度為3～12個符號；相應的GP長度為1～10個符號，時間長度為70～700μs，對應的支持1～100km的小區覆蓋半徑。

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　　表1支持的9種配置選項

　　DwPTS中包含物理下行控制信道和數據信道，實現與其它下行子幀相同的下行數據發送的功能。而UpPTS不再發送上行數據，決定將UpPTS的上行符號用于上行Sounding導頻的發送，這樣的導頻可以用于上行信道的測量，在TDD的模式下由于上下行信道的對稱性，還可以相應的獲得關于下行信道的信息。

　　2.2同步信道的設計

　　同步信道是另一項體現不同雙工方式的設計。LTE中用于小區搜索的同步信道包括“主同步信號”和“輔同步信號”。圖3是LTE同步信號的位置結構，在兩種幀結構中，同步信號具有不同的位置：在FDDType1中兩個同步信號連接在一起，位于子幀0和5的中間位置；而TDDType2中，輔同步信號位于子幀0的末尾，主同步信號位于特殊子幀，即DwPTS的第三個符號。

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　　圖3LTE下行同步信號

　　這樣，在兩種幀結構中，同步信號在無線幀中的絕對位置不相同，更為重要的是，主、輔同步信號的相對位置不同：在FDD中兩個信號連接在一起，而在TDD中兩個信號之間有兩個符號的時間間隔。由于同步信號是終端進行小區搜索時最先檢測的信號，這樣不同的相對位置的設計使得終端在接入網絡的最開始階段就可以檢測出網絡的雙工方式，即FDD或者TDD。

　　2.3短RACH

　　短RACH（RandomAccessCHannel）是LTE對TDD的另一項特殊設計。在LTE中，隨機接入序列采用如圖4所示的信號結構，序列的長度共有1ms，2ms以及157μs的三種選項，共5種隨機接入序列格式。其中，長度為157μs的隨機接入序列格式是TDD所特有的，由于其長度明顯短于其它的4種格式，因此又稱為“短RACH”。

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　　圖4LTE的隨機接入信道

　　采用短RACH的原因也是與TDD關于特殊時隙的設計相關的，如同圖中所描述的，短RACH在特殊時隙的最后部分（即UpPTS）進行發送，這樣利用這一部分的資源完成上行隨機接入的操作，避免占用正常子幀的資源。采用短RACH時，需要注意的一個主要問題是其鏈路預算所能夠支持的覆蓋半徑，由于其長度要大大的小于其它格式的RACH序列（1ms，2ms），因此其鏈路預算相對較低（比長度為1ms的約低7.8dB），相應的適用于覆蓋半徑較小的場景（根據網絡環境的不同，約700m～2km）。

　　3、上下行的時間分配

　　上一節中，我們描述了LTE中與TDD特殊時隙相關的，針對TDD進行的設計。而在特殊時隙之外，TDD還有另外一個顯著區別于FDD的物理特征，即FDD依靠頻率區分上下行，因此其單方向的資源在時間上是連續的；而TDD依靠時間來區分上下行，所以其單方向的資源在時間上是不連續的，時間資源在兩個方向上進行了分配。

　　圖5是LTETDD中支持的7種不同的上、下行時間配比，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”，在實際使用時，網絡可以根據業務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所進行的專門設計的原因。這一部分設計主要包括“物理層HARQ的相關機制”，以及“采用頻分的隨機接入信道”。

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　　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的，而且子幀數目相等。因此，以下行為例，在進行物理層的HARQ時，下行數據與上行的ACK/NAK之間可以建立一對一的對應關系（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的，因此可能無法獲得對應的時間上的資源。另外，上下行配比的設置可能使得上下行的子幀數目不相等，因此無法建立一一對應的關系（如圖7所示），所以這些都需要進行TDD針對性的設計。

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　　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ACK/NAK完成對前續若干個下行數據的反饋（如圖8所示），這樣就解決了上下行時隙不對稱帶來的反饋問題。在另一個方面，同時還減小了數據的傳輸時延，數據無需再等待到下一個上行時隙以進行反饋了。當然，該方案可能引起的不必要的過多重傳也需要引起注意。
　　

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　　圖8TDDHARQ反饋——MultipleACK/NAK

　　另外，對比圖8和圖6，會發現在FDD和TDD情況下，數據與ACK/NAK反饋之間具有不同的時間對應關系（即HARQTiming）。同理，容易理解的是，對于TDD的不同上下行配比，這種對應的時間關系也將有所不同。另外，還可能影響設計細節的是：這種時間上對應關系的不同，會帶了對HARQ進程數目的不同要求，這也是在具體設計和實現中需要考慮的問題。

　　3.2頻分的隨機接入信道

　　允許同一時間上存在多個隨機接入信道（頻分）是TDD上下行時分的結構形成的又一設計結果。在LTEFDD的設計中，同一時刻只允許一個隨機接入信道的存在，即僅在時間域上改變隨機接入信道的數量。而在TDD中，時間資源已經在上下行進行了分配，同時由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子幀數目很少的情況（如DL:UL=9:1），因此在TDD中需要支持頻分的隨機接入信道，即在同一時間位置上采用不同頻率的區分提供多個隨機接入信道，以為系統提供足夠的隨機接入的容量。

　　4、結束語

　　為了能在兩種雙工方式下都實現最優化的系統性能，同時成為有競爭力的FDD和TDD系統，LTE在系統設計中，根據TDD固有的物理特性對LTETDD系統，尤其是物理層進行了一系列專門的設計，包括幀結構、特殊時隙、同步信道、短RACH、上下行時間的分配、HARQ機制以及隨機接入信道的頻分等。這些設計在一定程度上參考和繼承了3GTD-SCDMA的設計思想。通過這些設計，有效地保證了LTE在TDD模式下實現合理、高效的運行。?