LTE兩種幀結構

       上、下行信息如何複用有限的無線資源，這是所有無線制式必須考慮的雙工技術問題。以往的無線制式要麼支持時分雙工（TDD）要麼支持頻分雙工（FDD），而LTE標準即支持TDD，又支持FDD，分別對應着不同的幀結構設計。

1.兩種雙工模式

       LTE支持兩種雙工模式：TDD和FDD，於是LTE定義了兩種幀結構：TDD幀結構和FDD幀結構。LTE標準制定之初就充分考慮了TDD和FDD雙工方式在實現中的異同，增大兩者共同點、減少兩者差異點。兩種幀結構設計的差別，會導致系統實現方面的不同，但主要的不同集中在物理層（PHY）的實現上，而在媒介接入控制層（MAC）、無線鏈路控制（RLC）層的差別不大，在更高層的設計上幾乎沒有什麼不同。

       從設備實現的角度來講，差別僅在於物理層軟件和射頻模塊硬件（如濾波器），網絡側絕大多數網元可以共用，TDD相關廠家可以共享FDD成熟的產業鏈帶來的便利。但終端射頻模塊存在差異，這樣終端的成熟度決定了LTE TDD和LTE FDD各自網絡的競爭力。

1.1 FDD和TDD

       FDD的關鍵詞是“共同的時間、不同的頻率”。FDD在兩個分離的、對稱的頻率信道上分別進行接收和發送。FDD必須採用成對的頻率區分上行和下行鏈路，上下行頻率間必須有保護頻段。FDD的上、下行在時間上是連續的，可以同時接收和發送數據。

       TDD的關鍵詞是“共同的頻率、不同的時間”。TDD的接收和發送是使用同一頻率的不同時隙來區分上、下行信道，在時間上不連續。一個時間段由移動臺發送給基站（UL），另一個時間段由基站發送給移動臺（DL）。因此基站和終端間對時間同步的要求比較苛刻。

FDD和TDD的上、下行復用原理如圖所示。

TDD與FDD相比有以下優點

• FDD上、下行需要成對的頻率，而TDD無須成對頻率，這使得TDD可以靈活地配置頻率，使用FDD不能使用的零散頻段。
• TDD的上下行時隙配比可以靈活調整，這使得TDD在支持非對稱帶寬業務時，頻譜效率有明顯優勢。FDD在支持對稱業務時，能充分利用上、下行的頻譜，但在支持非對稱業務時，頻譜利用率將大大降低。
• TDD上、下行頻率是一樣的，這樣上、下行無線傳播特性一樣，能夠很好地支持聯合檢測、智能天線等技術。TDD的基站接收和發送可以共用部分射頻單元，不需要收/發隔離器，只需要一個開關即可，降低設備複雜度和成本。

TDD與FDD相比存在以下不足：

• TDD上下行分配的時間資源是不連續的，分別給了上行和下行。TDD發射功率的時間大約只有FDD的一半。TDD和FDD具有同樣的峯值功率情況下，TDD的平均功率僅爲FDD的一半。尤其在上行方向上，終端側難以使用智能天線，所以TDD的上行覆蓋會受限。也就是說同樣的覆蓋面積，同樣的終端發射功率，TDD需要更多的基站。如果TDD要覆蓋FDD同樣大的範圍，就要增大TDD的發射功率。
• TDD上、下行信道同頻，無法進行干擾隔離，抗干擾性差。
• FDD對移動性的支持能力更強，能較好地對抗多普勒頻移，而TDD則對頻偏較敏感，對移動性的支持較差。

1.2 頻段分配

       LTE不僅支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多種帶寬配置，還支持從700MHz到2.6GHz等多種頻段。根據協議規定，LTE系統定義的工作頻段有40個，使用的頻段考慮了對現有無線制式頻段的再利用。每個頻段都有一個編號和一定的範圍，部分工作頻段間會有重疊。

編號爲1~32爲FDD頻段，33~40爲TDD頻段，其中FDD的15、16、18到32編號還未分配具體頻點。如下圖所示：

2.LTE幀結構

       LTE採用OFDM技術，子載波間隔爲△f=15kHz，每個子載波爲2048階IFFT採樣，則LTE採樣週期Ts=1/（2048×15 000）=0.033us。在LTE中，幀結構時間描述的最小單位就是採樣週期Ts。

2.1 FDD幀結構

       LTE FDD類型的無線幀長爲10ms，每幀含10個子幀，每個子幀有2個時隙slot，每個時隙爲0.5ms，每個時隙即個資源塊（RB）,每個RB含有84個RE，每一個RE資源單位都可以根據無線環境選擇QPSK、16QAM或64QAM的調製方式。調製方式爲QPSK時，一個RE攜帶2bits信息，16QAM時則爲4bits，64QAM時爲6bits。

PRB：LTE的空中接口資源分配的基本單位。一個PRB在頻域上包括12個連續的子載波，在時域上包括7個連續的常規OFDM符號週期。LTE的一個PRB對應的帶寬是180KHz，時長爲0.5ms的無線資源。

RE：把常規OFDM符號週期和一個子載波組成的資源稱爲1個RE（Resource Element）。

TTI,Transmission Time Interval，傳輸時間間隔，代表最小數據傳送時間,可以根據不同業務有很大範圍的變化.具體是指無線鏈路一個能夠獨立解調的傳輸塊的長度，當多個subframe也能夠解調，譬如接收完整個10ms無線幀再進行解調，那麼TTI就是10ms。TTI 是指在無線鏈路中的一個獨立解碼傳輸的長度。
       在3GPP LTE與LTE-A的標準中，一般認爲 1 TTI = 1ms 。即一個Subframe（子幀=2slot）的大小，它是無線資源管理所管轄時間的基本單位。LTE的時隙長度爲0.5ms，但對0.5ms這一個調度的話，信令開銷太大，對器件要求高。因此一般調度週期TTI設爲1ms，包括兩個資源塊RB的時間長度。所以一個調度週期內，資源塊RB都是成對出現的。

       FDD幀結構不但支持半雙工FDD技術，還支持全雙工FDD技術。我們知道，一個常規時隙包含7個連續的OFDM符號。爲了克服符號間干擾（ISI），需要加入CP。CP長度與覆蓋半徑有關，要求的覆蓋半徑越大需要配置的CP長度就越長，但過長的CP也會導致系統開銷太大。

       普通CP配置下的時隙結構如圖所示。在第一個時隙中，第0個OFDM符號CP長度爲160Ts，約爲5.2us；而其他6個OFDM符號CP長度爲144Ts，約爲4.7us；每個OFDM週期內有用符號長度爲2048Ts，約爲66.7us。7個OFDM符號週期，有用符號長度和CP長度之和正好爲15360Ts，約合爲0.5ms。

擴展CP配置下的時隙結構如圖，每個時隙的OFDM符號數不再是7個，而是6個。而且一個時隙內每個OFDM符號週期長度都是512Ts。

2.2 TDD幀結構

       LTE TDD幀結構最初提案有兩個版本：一個是和FDD幀結構類似的幀結構FS1（Frame Structure 1），一個是兼有現有TD-SCDMA幀結構FS2，最後標準中形成了融合二者特色的幀結構：與LTE FDD幀長度一致，但保留了TD-SCDMA的一些特色元素。如圖所示：

最終形成的幀結構不但兼容了TDD的兩個版本，也完成了TDD和FDD的統一。這個統一促使TD-LTE成爲國際認可的主流標準，促進了TD-LTE的產業鏈形成。

       TDD採用的也是OFDM技術，子載波間隔和時間單位均與FDD相同，幀結構與FDD類似，如圖所示。每個10ms幀由10個1ms的子幀組成，每個子幀包含2個0.5ms的時隙。

LTE的TDD幀結構和FDD不一樣的地方有兩個：

• 一是存在特殊子幀，由DwPTS、GP以及UpPTS構成，總長度爲1ms；
• 二是存在上、下行轉換點。

       TD-LTE和傳統TD-SCDMA的TDD幀結構相比，相同的是：每幀長度是10ms，每半幀長度是5ms，也分常規時隙和特殊時隙，也存在上、下行時隙轉化點，上、下行時隙轉換點可調。但兩者不同的有以下幾點：

• 一是每半幀包含的時隙數目不同；
• 二是兩者時隙的長度不一樣；
• 三是LTE特殊時隙的長度是可調的。

       TD-SCDMA的TDD子幀有7個常規時隙（TS0-TS6），每個時隙的長度爲0.675ms；TD-LTE的TDD每個常規時隙長度爲0.5ms，但每兩個時隙組成一組進行調度。

       TD-SCDMA有3個特殊時隙：DwPTS（下行導頻時隙，長爲75us）、GP（保護間隔，長爲75us）和UpPTS（上行導頻時隙，長爲125us）。特殊時隙總長度爲0.275ms；TD-LTE的TDD也有這三個特殊時隙，總長度爲1ms，DwPTS/GP/UpPTS的長度是可調的。

TD-LTE的TDD幀結構可以通過兩個途徑來保證與已有的TD-SCDMA的共存：

• 一是配置不同的上下行時隙比例；
• 二是配置不同的特殊時隙DwPTS、GP、UpPTS的長度。

       在TD-LTE的10ms幀結構中，上、下行子幀的分配策略是可以設置的。每個幀的第一個子幀固定地用作下行時隙來發送系統廣播信息，第二個子幀固定地用作特殊時隙，第三個子幀固定地用作上行時隙；後半幀的各子幀的上、下行屬性是可變的，常規時隙和特殊時隙的屬性也是可以調的。

協議規定了0~6共7種TD-LTE幀結構 上、下行配置策略，如表所示。

D代表下行、S代表特殊時隙（也算下行），U代表上行。

       不同的特殊時隙DwPTS、GP、DwPTS的長度，在LTE-TDD幀中可配置，如下表所示。TDD的一個子幀長度包括2個時隙，普通CP配置情況下，TDD的一個子幀長度是14個OFDM符號週期；而在擴展CP配置情況下，TDD的一個子幀長度 爲12個OFDM符號週期。

3.LTE與UMTS幀結構對比

       無線制式的物理信道分配的無線資源一般採用四層結構進行標識：系統幀號、無線幀、子幀（或短幀）、時隙×碼道（CDMA）/資源塊RB（LTE，時隙×子載波），如圖所示。

       在WCDMA和TD-SCDMA中採用CDMA技術，資源調度除了指明時隙外，還需標明碼道號。而在LTE中，資源調度除了給出時隙號，還需指出子載波號，也就是說，要指明RB序號。
       時隙的大小決定了資源調度的顆粒度。在WCDMA/TD_SCDMA中，時隙的長度單位除了用毫秒（ms）外，還可以用碼片（chip）來標識，因爲碼片就對應着時間。而在LTE中，不存在碼片的概念，但有OFDM符號週期的概念，還可以用採樣週期Ts的數目來表示時隙的長度。

       WCDMA中碼片速率爲3.84Mcps，每chip的時間長度爲Tchip=1/3.84×10^6=0.26us。在TD-SCDMA中碼片速率爲1.28Mcps，每個chip的時間長度爲Tchip=0.78us。
       LTE採用的是OFDM技術，子載波間隔△f=15KHz，每個子載波用2048階IFFT採樣，則LTE的採樣週期Ts=1/（2048×15000）=0.033us。在LTE中，幀結構時間描述的最小單位就是採樣週期Ts。
       WCDMA、TD-SCDMA、LTE幀的時間長度Tf都爲10ms。用它們各自的時間單位來表示：WCDMA中，Tf=38400Tchip；TD-SCDMA中，Tf=12800Tchip；LTE中，Tf=307200Ts。
       WCDMA每個長10ms的幀被分爲15個時隙（slot），每個時隙長爲Tslot=2560chip，對應一個快速功率控制週期。WCDMA的R99版本中資源調度的最小單位是10ms，WCDMA的HSDPA中資源調度的最小單位是短幀，爲2ms。
       LTE每幀分爲10子幀，共20個時隙，每個時隙的長度要短於WCDMA時隙，資源調度的單位是子幀，即兩個時隙的時間長度爲1ms。
       TD-SCDMA每個長尾10ms的幀被分爲2個5ms的子幀，資源調度的時間單位就是子幀的長度5ms。每個子幀包括7個常規時隙和3個特殊時隙，也就是說10ms的幀中特殊時隙會出現兩次。
       TD-LTE每個長爲10ms的幀的特殊時隙可以出現1次，也可以出現2次，取決於上、下行轉換週期的配置策略。3個特殊時隙佔用1ms的子幀。每個半幀包括5個1ms的子幀。

LTE、WCDMA、TD-SCDMA時隙結構對比如下表。