移动通信网络中的 FDD/TDD 无线帧

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• 无线帧
• FDD 与 TDD 的区别
• FDD 无线帧
• TDD 无线帧

前文列表

《移动通信网络中的资源类型》

无线帧

LTE 支持两种类型的无线帧：FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）和 TDD（Time Division Duplexing，时分双工）。FDD 和 TDD 是两种不同的双工方式，所谓双工就是双向传输的意思，例如我们打电话的时候双方都可以说话，双方也都可以听见。所以，从这个角度来看 LTE 又称被人分为 FD-LTE 和 TD-LTE。

FDD 与 TDD 的区别

FDD 系统是指系统的发送和接收数据使用不同的频率，在上行和下行频率之间有双工间隔。如 GSM（2G）、CDMA（2.5G）、CDMA2000（中国电信部署的 3G）、WCDMA（中国联通部署的 3G） 系统都是典型的 FDD 系统。

• FDD 的工作原理（双车道）：FDD 是在分离的两个对称频率信道上进行接收和发送，用保护频段来分离接收和发送信道。因此，FDD 必须采用成对的频率，依靠频率来区分上下行链路，其单方向的资源在时间上是连续的。在优势方面，FDD 在支持对称业务时，可以充分利用上下行的频谱，但在支持非对称业务时，频谱利用率将大大降低。

TDD 系统则是系统的发送和接收使用相同的频段，上下行数据发送在时间上错开，通过在不同时隙发送上下行数据可有效避免上下行干扰。如 TD-SCDMA（中国移动部署的 3G）就是典型的 TDD 系统。

• TDD 的工作原理（单车道）：TDD 则采用的是时间来分离接收和发送信道。在 TDD 方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙（Slot）作为信道的承载，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。某个时间段由基站发送信号给移动台，另外的时间由移动台发送信号给基站，基站和移动台之间必须协同一致才能顺利工作。

TDD 与 FDD 的区别：

1. FDD 必须使用成对的收发频率。在支持以语音为代表的对称业务时能充分利用上下行的频谱，但在进行以 IP 为代表非对称的数据交换业务时，频谱的利用率则大为降低，约为对称业务时的 60%。而 TDD 则不需要成对的频率，通信网络可根据实际情况灵活地变换信道上下行的切换点，能有效地提高系统传输不对称业务时的频谱利用率。

2. 根据 ITU 对 3G 的要求，采用 FDD 模式的系统的最高移动速度可达 500千米/小时，而采用 TDD 模式的系统的最高移动速度只有 12千米/小时。这是因为，目前 TDD 系统在芯片处理速度和算法上还达不到更高的标准。

3. 采用 TDD 模式工作的系统，上、下行工作于同一频率，其电波传输的一致性使之适用智能天线技术，可有效减少多径干扰，提高设备的可靠性。而收、发采用一定频段间隔的 FDD 系统则难以采用。据测算，TDD 系统的基站设备成本比 FDD 系统的基站成本低约 20%～50%。

4. 在抗干扰方面，使用 FDD 可消除邻近蜂窝区基站和本区基站之间的干扰，FDD 系统的抗干扰性能在一定程度上好于 TDD 系统。

需要注意的是，虽然看上去 TDD 和 FDD 区别很大，但是从整个系统来说，FD-LTE 和 TD-LTE 的区别很小。EPC 完全一样，E-UTRAN 接口协议上也绝大部分都是相同的。TDD 和 FDD，区别就在于物理层（Physical Layer，PHY），即无线帧的区别。

在 LTE 里，无论是 FDD 还是 TDD，它的时间基本单位都是采样周期 Ts，值固定等于：32.55ns。无线帧也是数据传输的载体单位，长度为 10ms。注意，数据帧是由 0、1 构成的，通过比特来传输数据。而无线帧则是由无线电波构成的，由无线电波来传输数据。

FDD 无线帧

在 FDD 里，每个无线帧的长度为 10ms。每 FDD 无线帧分为 10 个相同大小的子帧，每个子帧又分为两个相同大小的时隙，即每个 FDD 无线帧含有 20 个相同大小的时隙，按照 0 到 19 进行周期循环编号，每个时隙长度为 0.5ms。

• 1 frame（无线帧） = 10ms
• 1 subframe（子帧） = 1 ms
• 1 slot（时隙）= 0.5 ms

时隙（slot）并不是帧结构里面的最小单位。如果你进一步细看这个帧结构，你会发现一个时隙（slot）由 7 个 Symbol 组成。Symbol 可以理解为持续一段时间的信号，它描述了 I/Q 星座图的一个点。



再进一步仔细看 Symbol 的结构，你会发现，在 Symbol 的前面有小段称为循环前缀（Cyclic Prefix），而后面的部分才是真正 Symbol 的数据。循环前缀分为两种，一种是正常循环前缀（Normal Cyclic Prefix），另一种是扩展循环前缀（Extended Cyclic Prefix）。后者比前者更长一些。普通 CP 配置下，一个时隙包含 7 个连续的 OFDM 符号（Symbol）；而 Extend CP 配置下，一个 Slot 由 6 个 Symbol 组成。。

在 FDD 里，每个系统帧的 10 个子帧都可以传输下行，也都可以传输上行，上下行在不同的频域中分别进行。在半双工的 FDD 模式下，UE 不能在同一个子帧里既发送数据又接收数据，而在全双工的 FDD 模式下，UE 则没有这个限制，在同个子帧里可以同时发送和接收数据。

TDD 无线帧

TDD 无线帧结构的长度也是 10ms，由 2 个长度为 5ms 的半帧组成，每个半帧由 5 个长度为 1ms 的子帧组成，其中有 4 个普通的子帧和 1 个特殊子帧。普通子帧由两个 0.5ms 的时隙组成，而特殊子帧由 3 个特殊时隙（DwPTS、GP 和 UpPTS）组成。

• 1 frame（无线帧） = 10ms
• 1 half-frame（半帧）= 5 ms
• 1 subframe（子帧） = 1 ms
• 1 slot（时隙）= 0.5 ms

整个 TDD 无线帧也可理解为分成了 10 个长度为 1ms 的子帧作为数据调度和传输的单位（即 TTI）。其中，子帧 #1 和 #6 可配置为特殊子帧，该子帧包含了 3 个特殊时隙，即 DwPTS，GP 和 UpPTS：

• DwPTS（Downlink Pilot Time Slot，下行导频时隙）：长度可以配置为 3～12 个 OFDM 符号，用于正常的下行控制信道和下行共享信道的传输；
• UpPTS（Uplink Pilot Time Slot，上行导频时隙）：长度可以配置为 1～2 个 OFDM 符号，可用于承载上行物理随机接入信道和 Sounding 导频信号；
• GP（Guard Period，保护间隔）：用于上、下行之间的保护间隔，相应的时间长度约为 71～714μs，对应的小区半径为 7km～100km。

由于 TDD 属于 “单车道”，所以当然会存在控制和调度问题。为了节省网络开销，TD-LTE 允许利用特殊时隙 DwPTS 和 UpPTS 传输系统控制信息。GP 用于上行和下行的隔离。小区半径越大，GP 就应该越大。TDD 虽然会带来一些管理上的开销，但总体上还是提高了资源的利用率。

作为 TDD 系统的一个特点，时间资源在上下行方向上进行分配，TDD 帧结构支持 7 种不同的上下行时间比例分配（配置 0~6），可以根据系统业务量的特性进行配置，支持非对称业务。这 7 种配置中包括 4 种 5ms 周期和 3 种 10ms 周期。

• D（Downlink subframe，下行子帧）
• U（Uplink subframe，上行子帧）
• S（Special subframe，特殊子帧）

NOTE：对于 TDD 而言

1. 子帧 0 和子帧 5 只能用于下行传输。
2. 5ms 切换周期配置时，子帧 1 和子帧 6 用作特殊子帧。
3. 10ms 切换周期配置时，子帧 1 用作特殊子帧。
4. UpPTS 之后的第一个常规子帧只能用于上行传输。