LTE TDD系统的设计分析.docx

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