TDD/FDD-LTE各有千秋((台灣4G業者只為了利益生存???))

LTE設計系列4-3
上下行架構/特性大不同　TDD/FDD-LTE各有千秋
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資料來源
新電子~
資策會~
2011/12  胡士祥
長程演進計畫(LTE)的訊框架構分為分頻多工(FDD)及分時多工(TDD)兩種迥然不同的運作模式，
兩者的底層特性與頻譜使用效率也各異其趣；
設計人員若能充分了解LTE在FDD與TDD模式運作下的主要差異，將有助達成最佳的系統資源配置與頻譜使用效率。



長程演進計畫(LTE)為3GPP所定義的無線技術，在訊框架構(Frame Structure)上分為分頻多工(Frequency-Division Duplexing, FDD)，以及分時多工(Time Division Duplexing, TDD)兩種迥然不同的運作模式。因此，在此篇文章中將會比較LTE在FDD與TDD模式運作下的主要差異，藉以呈現兩者的頻譜使用效率。

訊框架構/資源配置截然不同

首先，訊框架構在FDD模式下，在頻率軸上以成對的方式進行分頻使用，一頻帶用於下行頻寬(DL Bandwidth)，另一頻帶用於上行頻寬(UL Bandwidth)；而在TDD模式下，頻譜為上下行所共用，上下行的配置是以時間進行分時配置，一部分時間安排下行傳送，另一部分則安排上行傳送。在下行轉上行時，會有一段保護時間(Guard Period, GP)用於接收與傳送間進行轉換。  

簡而言之，FDD模式為成對的頻譜配置，而TDD為單一的頻譜配置。圖1為FDD與TDD之間資源配置的比較，其中TDD模式週期為10毫秒(ms)的配置模式示意圖。假定在相同頻寬配置下，FDD則為相同頻寬的上下行配置，上下行各占用一半的資源比例，此比例為固定。



圖1　FDD與TDD模式訊框架構示意圖 資料來源：資策會

反觀TDD藉由在時間軸上不同的上下行配置達到上下行非對稱資源配置，並可依據實際需求進行較佳資源配置，如表1所示，D為下行子訊框(Subframe)，S為特殊子訊框(Special Subframe)，U為上行子訊框。  

同步訊號特性差異無幾  

在LTE系統中，用戶設備(UE)藉由掃描主同步訊號(Primary Synchronization Signal, PSS)及輔助同步訊號(Secondary Synchronization Signal, SSS)，可進一步與基地台(eNB)達成同步，但是在TDD與FDD兩種模式下，PSS和SSS的符號時間(Symbol Time)則有所差異。  

在FDD模式中，PSS與SSS分別位於時槽(Slot)0及10的最後一個和倒數第二個符號時間中，PSS與SSS在時間軸上為連續的；而在TDD模式裡，PSS位於子訊框1及6的第三個符號時間中，SSS則位於子訊框0及5的最後一個符號時間中，即SSS與PSS間相隔三個符號時間。  

雖然在FDD模式中PSS及SSS為相連，而在TDD模式中則為相距三個符號時間，但是一般認為此一差距對於UE在進行同步上，並無明顯的差異性。  

TDD獨擁特殊子訊框

另一方面，特殊子訊框為TDD模式下獨有的子訊框配置，依據在時間軸上的配置，可分為下行導引時槽(Downlink Pilot Time Slot, DwPTS)、保護時間，以及上行導引時槽(Uplink Pilot Time Slot, UpPTS)三個部分。DwPTS用來傳送下行控制訊息以及下行資料；保護時間則做為下行轉上行的切換時間；另UpPTS可用來傳送實體隨機存取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)及探測參考訊號(Sounding Reference Signal, SRS)。  

PRACH主要用來傳送隨機進入前序訊號(Random Access Preamble)，以藉該訊號讓UE能利用競爭方式要求上行頻寬；因此，eNB必須提供適量的PRACH資源給UE進行隨機進入要求頻寬，如此一來，PRACH的配置數量多寡可依據一個訊框(10ms)中有多少PRACH數量作為衡量方式。  

在FDD模式中每個子訊框中最多一個PRACH的配置，而在TDD模式中，在某些訊框架構下，上傳子訊框的配置相對較少，因此PRACH在一個子訊框中可有0至多個PRACH資源的配置。  

PHICH資源個數因時制宜

至於另一個LTE訊號傳輸通道--實體混合自動請求回覆指示通道(PHICH)，其被用來傳輸混合式自動重送請求指標(HARQ Indicator, HI)，HI攜帶上行資料傳輸接收的結果為ACK或是NACK。在FDD模式下每個下行子訊框中的PHICH資源個數為固定；在TDD模式下，若子訊框不需要傳送上行資料接收結果的回報，則不須配置PHICH資源。  

也就是說，在須要接收HARQ回報的下行子訊框(包含特殊子訊框)中，TDD模式可依據上/下行模式設定在子訊框中配置PHICH資源，若只須回報一個上行子訊框的傳輸結果，此時PHICH資源數為n；若須回報兩個上行子訊框回報的資源則為2n。以TDD模式上/下行模式0來說明，在下行子訊框0及5中，PHICH資源為2n，特殊子訊框1及6中PHICH資源數為n。


TDD上/下行同步模式　左右HARQ處理程序個數  
至於HARQ處理程序個數，在FDD模式中，下行HARQ至多可有八個HARQ處理程序；而TDD模式則會依據上/下行模式不同，而有四到十五個HARQ處理程序，在下行訊框多於上行訊框的配置架構下，可能會有多個ACK/NACK回報在同一個上行子訊框中傳送，此時可使用綑綁(Bundling)方式或是多工(Multiplexing)方式回報。詳細的下行HARQ處理程序個數如表2所示。  



TDD與FDD的運作模式與底層特性各異其趣

值得注意的是，若上行HARQ為同步HARQ，不須藉由訊息溝通即可知道目前傳輸對應的HARQ處理程序為哪一個。分別來看，在FDD模式正常操作下有八個HARQ處理程序，在綑綁操作下則有四個HARQ處理程序。  

在TDD操作於正常模式下，會有一到七個HARQ處理程序，在綑綁操作下則為二至三個HARQ處理程序。詳細的上行HARQ處理程序個數如表3所示。  


上行半靜態排程資源配置迥異  

至於上行配置半靜態排程(Semi-Persistent Scheduling, SPS)在TDD與FDD模式中也有所差別，對HARQ處理程序也有所影響，舉例來說，TDD上行配置SPS資源時可能有兩個週期配置，相較於FDD下僅有一個週期。  

也由於TDD模式在配置上行SPS週期通常以十個子訊框的倍數配置，在某些上下行配置中，上行同步的HARQ處理程序週期也是十個子訊框，故可能會讓SPS在進行重傳時，又必須使用同一個HARQ處理程序進行新的資料傳送，為避免這種衝突狀況發生，SPS資源配置可使用兩個週期的方式減低此問題發生機會。  

DCI判別資源配置子訊框

在TDD模式的下行控制資訊(Downlink Control Information, DCI)Format 0(用以安排上行資料傳輸資源)中，其增加一個上行索引值(Index)欄位，此欄位用於上下行配置0時，一個DCI可同時指派兩個上行子訊框資源配置，此時可依此欄位選擇所配置的資源屬於哪個子訊框。  

此外，TDD模式的DCI中增加一個下行配置索引值(Downlink Assignment Index, DAI)欄位，若使用於配置下行資源的DCI中(如DCI Format 1A、2、2A等)，則用來告知UE在同一個回報區間到目前為止有多少下行資源配置(未包含SPS配置)。若下行配置索引值用於配置上行資源的DCI中(即DCI Format 0)，則用來說明此上行傳輸總共包含多少個下行ACK/NACK回報(包含SPS配置回報)。  

保護時間影響頻譜資源應用　CFI值透露可傳送訊息的符號時間

探討TDD及FDD下行控制訊息(Control Message)的資源配置，可藉由控制格式指示(Control Format Indicator, CFI)值，進一步表示有多少符號時間用於傳送控制訊息，其中可能的選項有一到四個符號時間不等，若採四個符號時間僅可用於十個RB以下頻寬。  

至於其他的符號時間選項則可用於FDD及TDD的一般下行子訊框中。此外，在TDD特殊子訊框的DwPTS中則因可用於下行傳輸的符號時間較短，僅能配置至多兩個符號時間的資源給予控制訊息。  

同時，在TDD訊框架構中，可觀察到由於須使用保護時間來進行下行轉上行的切換，因此實際可用於傳輸的資源會較FDD少，保護時間的大小則會影響到TDD與FDD模式可用資源的差異性；不過整體來說，由於保護時間占整個訊框時間的比例相對小，因此TDD模式與FDD模式在同樣頻寬下，整體頻譜運用效率僅有些微差異。  

TDD/FDD互拼eNB邊緣UE效率　　  

另就在eNB邊緣(Cell Edge)的UE來說，由於距離eNB距離遠，而UE上行功率也有一定限制，故須藉由多個傳輸時間綑綁的方式，在連續的傳輸時間中，傳送不同版本的冗餘(Redundancy)來彌補eNB在接收訊號較差時解碼的需求。再者，也由於上行功率限制，UE在同一個傳輸時間使用的RB數量及資料量都會因此受限。  

在前面所述的狀況下，在eNB邊緣的UE有時藉由時間換取空間的方式來達成上行傳送，但由於TDD上行的傳輸並非在所有時間都能傳送，必須在上行子訊框才能進行，因此一般認為針對處於eNB邊緣的UE服務來說，FDD模式會較TDD模式來的有效率。但也有些人認為，當系統達到一定的服務量時，eNB也無法讓個別UE在每個子訊框中皆配置上傳資源，因此兩者差異不大。  

在此篇文章中說明LTE在FDD模式與TDD模式下的主要差別，希望藉由此篇文章給予讀者了解兩者在架構上的不同以及底層特性的差異，詳細的內容可參照3GPP所定義的各項協定內容。  

(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)