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FDD与TDD工作原理


        频分双工(FDD) 和时分双工(TDD) 是两种不同的双工方式。如图1所示，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。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。FDD在支持对称业务时，能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用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。


图：FDD和TDD的工作原理

TDD双工方式的工作特点使TDD具有如下优势：
（1）能够灵活配置频率，使用FDD 系统不易使用的零散频段；
（2）可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，能够很好的支持非对称业务；
（3）具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；
（4）接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需要一个开关即可，降低了设备的复杂度；
（5）具有上下行信道互惠性，能够更好的采用传输预处理技术，如预RAKE 技术、联合传输(JT)技术、智能天线技术等, 能有效地降低移动终端的处理复杂性。

但是，TDD双工方式相较于FDD，也存在明显的不足：
（1）由于TDD方式的时间资源分别分给了上行和下行，因此TDD方式的发射时间大约只有FDD的一半，如果TDD要发送和FDD同样多的数据，就要增大TDD的发送功率；
（2）TDD系统上行受限，因此TDD基站的覆盖范围明显小于FDD基站；
（3）TDD系统收发信道同频，无法进行干扰隔离，系统内和系统间存在干扰；
（4）为了避免与其他无线系统之间的干扰，TDD需要预留较大的保护带，影响了整体频谱利用效率。


使用TDD和FDD技术在LTE应用上的优劣


  （1）使用TDD技术时，只要基站和移动台之间的上下行时间间隔不大，小于信道相干时间，就可以比较简单的根据对方的信号估计信道特征。而对于一般的FDD技术，一般的上下行频率间隔远远大于信道相干带宽，几乎无法利用上行信号估计下行，也无法用下行信号估计上行；这一特点使得TDD方式的移动通信体制在功率控制以及智能天线技术的使用方面有明显的优势。但也是因为这一点，TDD系统的覆盖范围半径要小，由于上下行时间间隔的缘故，基站覆盖半径明显小于FDD基站。否则，小区边缘的用户信号到达基站时会不能同步。
（2）TDD技术可以灵活的设置上行和下行转换时刻，用于实现不对称的上行和下行业务带宽，有利于实现明显上下行不对称的互联网业务。但是，这种转换时刻的设置必须与相邻基站协同进行。
（3）与FDD相比，TDD可以使用零碎的频段，因为上下行由时间区别，不必要求带宽对称的频段。
（4）TDD技术不需要收发隔离器，只需要一个开关即可。
（5）移动台移动速度受限制。在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深，因此必须要求移动速度不能太高。例如在使用了TDD的TD-SCDMA系统中，在目前芯片处理速度和算法的基础上，当数据率为144kb/s时，TDD的最大移动速度可达250km/h，与FDD系统相比，还有一定差距。一般TDD移动台的移动速度只能达到FDD移动台的一半甚至更低。
（6）发射功率受限。如果TDD要发送和FDD同样多的数据，但是发射时间只有FDD的大约一半，这要求TDD的发送功率要大。当然同时也需要更加复杂的网络规划和优化技术。

OFDM与CDMA等技术比较
2013-06-05

   说到OFDM技术，一般都会提及到CDMA技术做比较。OFDM技术的出现，其实应该是早于CDMA技术的，只是当时受到了硬件的局限，让OFDM技术显得有点不合实际，所以才会基于当时的硬件发展状况，发展出CDMA技术。

    移动通信系统中常见的多址技术包括频分多址（Frequency Division Multiple Access，、FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）。FDMA是以不同的频率信道实现通信。TDMA是以不同的时隙实现通信。CDMA是以不同的代码序列来实现通信的。SDMA是以不同方位信息实现多址通信。
  OFDM将传输频宽分割成多个窄频宽的子通道，同时使用多个载波来载送讯息，由于讯息资料被平均分配于各个子通道同时传送，有效降低每个子通道之实质资料量与传送速率，因而具有良好频谱使用效率及绝佳多重路径损耗(multi path fading)之免疫力。

    CDMA是一种分码多工扩频(Spread Spectrum) 技术，将原始窄频讯息以拟真杂讯乱码(Pseudo random noise code)扩展成宽频讯号，所有使用者资讯在同一频道同时收送资料，因而有效的增进频谱使用效益。 更由于将传送讯息隐藏于杂讯中，故具备高隐密性，不易被侦搜之特性。

    对于单蜂窝或多蜂窝的环境,OFDM性能远优于CDMA。在单蜂窝的环境下，OFDM可允许同时通话的用户数为CDMA的2至10倍。对于多蜂窝环境，OFDM可允许同时通话的用户数为CDMA的0.7至4倍。OFDM和CDMA在用户容量上的差异主要在于是否使用了蜂窝分区（cell sectorization）和语音激活检测技术（voice activity detection）。如：用1.25MHz的带宽和19.5kbit/s的用户数据率时，CDMA在单蜂窝系统中性能较差，在每个蜂窝（cell）中仅允许7～16个用户同时通话,而对于OFDM系统则可以达到128个用户。这种CDMA的低蜂窝容量是由于在反向传输链接中使用非正交码导致了较高的用户间干扰造成的。

    CDMA技术是基于扩频通信理论的调制和多址连接技术。OFDM技术属于多载波调制技术，它的基本思想是将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各个子载波并行传输。OFDM和CDMA技术各有利弊。CDMA具有众所周知的优点，而采用多种新技术的OFDM也表现出了良好的网络结构可扩展性、更高的频谱利用率、更灵活的调制方式和抗多径干扰能力。下面主要从调制技术、峰均功率比、抗窄带干扰能力等角度分析这两种技术在性能上的具体差异。

    ——调制技术。一般来说，无线系统中频谱效率可以通过采用16QAM（正交幅度调制）、64QAM乃至更高阶的调制方式得到提高，而且一个好的通信系统应该在频谱效率和误码率之间获得最佳平衡。

    在CDMA系统中，下行链路可支持多种调制，但每条链路的符号调制方式必须相同，而上行链路却不支持多种调制，这就使得CDMA系统丧失了一定的灵活性。并且，在这种非正交的链路中，采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的噪声干扰。

    在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，因而该系统不论在上行还是在下行链路上都可以容易地同时容纳多种混合调制方式。这就可以引入“自适应调制”的概念。它增加了系统的灵活性，例如，在信道好的条件下终端可以采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率，而在信道条件变差时可以选择QPSK（四相移相键控）调制等低阶调制来确保信噪比。这样，系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。此外，虽然信道间干扰限制了某条特定链路的调制方式，但这一点可以通过网络频率规划和无线资源管理等手段来解决。

    ——峰均功率比（PAPR）。这也是设备商们应该考虑的一个重要因素。因为PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高，这就意味着要提供额外功率、电池备份和扩大设备的尺寸，进而增加基站和用户设备的成本。

    CDMA系统的PAPR一般在5～11dB，并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。目前已有很多技术可以降低CDMA的PAPR。

    在OFDM系统中，由于信号包络的不恒定性，使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。目前有很多技术可以降低OFDM的PAPR。

    ——抗窄带干扰能力。CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分；而OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分，而且系统可以不使用受到干扰的部分频段，或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。

    ——抗多径干扰能力。在无线信道中，多径传播效应造成接收信号相互重叠，产生信号波形间的相互干扰，使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。

    为了抵消这种信号自干扰，CDMA接收机采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。

   OFDM技术与RAKE接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀（CP）作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：CP越长，能量损失就越大。

  ——功率控制技术。在CDMA系统中，功率控制技术是解决远近效应的重要方法，而且功率控制的有效性决定了网络的容量。相对来说功率控制不是OFDM系统的基本需求。OFDM系统引入功率控制的目的是最小化信道间干扰。

  ——网络规划。由于CDMA本身的技术特性，CDMA系统的频率规划问题不很突出，但却面临着码的设计规划问题。OFDM系统网络规划的最基本目的是减少信道间的干扰。由于这种规划是基于频率分配的，设计者只要预留些频段就可以解决小区分裂的问题。

  ——均衡技术。均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应而产生的ISI。在CDMA系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性，使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度，就可被RAKE接收端视为非相关的噪声，而不再需要均衡。

  对OFDM系统，在一般的衰落环境下，均衡不是改善系统性能的有效方法，因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此该系统一般不必再作均衡。

LTE 中的CQI，PMI，RI上报机制

 (2010-12-23 08:40:48)

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杂谈

分类： LTE物理层

LTE中支持两种形式的CQI，PMI和RI上报：周期性的和非周期性的上报。周期性的CQI上报通常是通过PUCCH来进行的。如果UE在发送周期性CQI的子帧上，同时被调度有数据需要发送，那么，周期性的CQI上报将通过PUSCH来进行。此时，UE将在PUSCH中采用和PUCCH中同样的CQI/PMI/RI格式，而相应的PUCCH上的CQI上报资源将会闲置不用【1】。

eNodeB还可以触发UE进行非周期性的上报。非周期性的上报是通过PUSCH来进行的。这些上报可以在PUSCH上单独地或者和其他数据一起进行发送。

在周期性CQI上报和非周期性CQI上报子帧同时存在的子帧，UE将会只上报非周期性的CQI上报而丢弃周期性的上报。

CQI上报的粒度有三个等级：宽带，UE选择的子带和上层配置的子带。

宽带CQI上报是指UE针对整个系统带宽上报一个CQI。CQI的取值如下图所示：

Table 7.2.3-1: 4-bit CQI Table

CQI index

modulation

code rate x 1024

efficiency

0

out of range

1

QPSK

78

0.1523

2

QPSK

120

0.2344

3

QPSK

193

0.3770

4

QPSK

308

0.6016

5

QPSK

449

0.8770

6

QPSK

602

1.1758

7

16QAM

378

1.4766

8

16QAM

490

1.9141

9

16QAM

616

2.4063

10

64QAM

466

2.7305

11

64QAM

567

3.3223

12

64QAM

666

3.9023

13

64QAM

772

4.5234

14

64QAM

873

5.1152

15

64QAM

948

5.5547

值得注意的是，类似于HSDPA，CQI的选取准则是UE接收到的传输块的误码率不超过10％。因此，UE上报的CQI不仅与下行参考信号的SINR有关，还与UE接收机的灵敏度有关【2】。

上层配置的子带上报是指针对整个系统带宽，UE上报一个宽带CQI。除此之外，UE还对每个子带上报一个CQI。在上层配置的子带上报中，每个子带的带宽为K个连续的物理资源块，K的取值大小与系统的带宽有关。子带的数目为 ，覆盖了整个系统的带宽。其中 为下行的物理资源块的数目。最后一个子带的资源块数目可能小于K。

Table 7.2.1-3: Subband Size (k) vs. System Bandwidth

System Bandwidth

Subband Size

 

(k)

6 - 7

NA

8 - 10

4

11 - 26

4

27 - 63

6

64 - 110

8

 对于每个子带，上报2个Bit的CQI编号，子带的CQI编号与子带CQI相对于宽带CQI的偏移值有关，如下所示：

Subband differential CQI offset level = subband CQI index – wideband CQI index

Table 7.2.1-2:  Mapping subband differential CQI value to offset level

Subband differential CQI value

Offset level

0

0

1

1

2

³2

3

£-1

对于UE选择的子带上报，在周期性上报和非周期性上报中具有不同的形式，下面将会详细叙述。

LTE中的CQI上报，还与UE的传输模式有关。LTE中，定义了八种不同的传输模式，对应相应的多天线技术。不同的传输模式下，上报的CQI中包含不同的内容。

Table 7.2.3-0: PDSCH transmission scheme assumed for CQI reference resource

Transmission mode

Transmission scheme of PDSCH

1

Single-antenna port, port 0

2

Transmit diversity

3

Transmit diversity if the associated rank indicator is 1, otherwise large delay CDD

4

Closed-loop spatial multiplexing

5

Multi-user MIMO

6

Closed-loop spatial multiplexing with a single transmission layer

7

If the number of PBCH antenna ports is one, Single-antenna port, port 0; otherwise Transmit diversity

8

If the UE is configured without PMI/RI reporting: if the number of PBCH antenna ports is one, single-antenna port, port 0; otherwise transmit diversity

 

If the UE is configured with PMI/RI reporting: closed-loop spatial multiplexing

 

下面对周期性CQI上报和非周期性CQI上报分开进行讨论。

首先，对于非周期的上报。

UE如果在子帧N中，接收到DCI格式0，或者是RAR反馈，其中CQI Request的位设置为1并且未被预留，那么UE会在相应的上行子帧，反馈相应的CQI。

LTE中规定，UE需要支持如下几种不同模式的CQI非周期上报机制。

Table 7.2.1-1: CQI and PMI Feedback Types for PUSCH reporting Modes

 

 

PMI Feedback Type

 

 

No PMI

Single PMI

Multiple PMI

PUSCH CQI                Feedback Type

 

 

 

 

Wideband

 

 

Mode 1-2

(wideband CQI)

 

 

 

 

 

 

 

UE Selected

Mode 2-0

 

Mode 2-2

(subband CQI)

 

 

 

 

 

 

 

Higher Layer-configured

Mode 3-0

Mode 3-1

 

(subband CQI)

 

 

 

在不同的传输模式下，UE支持的上报模式如下所示：

Transmission mode 1     : Modes 2-0, 3-0

Transmission mode 2     : Modes 2-0, 3-0

Transmission mode 3     : Modes 2-0, 3-0

Transmission mode 4     : Modes 1-2, 2-2, 3-1

Transmission mode 5     : Mode 3-1

Transmission mode 6     : Modes 1-2, 2-2, 3-1

Transmission mode 7     : Modes 2-0, 3-0

Transmission mode 8     : Modes 1-2, 2-2, 3-1 if the UE is configured with PMI/RI reporting; modes 2-0, 3-0 if the UE is configured without PMI/RI reporting

RRC信令中的参数cqi-ReportModeAperiodic定义了配置给UE所使用的上报模式。在UE选择的子带上报的模式中，UE在大小为K的子带中，选择M个适合（应该是最好）的子带，计算其CQI的平均值，将其上报给eNodeB。其中K和M的大小与系统的带宽有关，如下表所示：

Table 7.2.1-5: Subband Size (k) and Number of Subbands (M) in S vs. Downlink System Bandwidth

System Bandwidth

Subband Size k (RBs)

M

 

6 – 7

NA

NA

8 – 10

2

1

11 – 26

2

3

27 – 63

3

5

64 – 110

4

6

UE需要上报一个宽带的CQI，而将M个子带的CQI以相对于宽带CQI偏移值的形式由2个Bit来表示。CQI值与偏移值的对应关系如下表所示：

Table 7.2.1-4:  Mapping differential CQI value to offset level

Differential CQI value

Offset level

0

£1

1

2

2

3

3

³4

由于UE选择的M个子带的CQI要高于整个系统带宽的CQI值，因此上表中的偏移值（一般）不存在负数。除此之外，UE还需要通知eNodeB其所选择的M个子带在系统带宽中所处的位置【1】。

 

除了非周期性的上报，eNodeB还可以通过RRC信令中的参数cqi-FormatIndicatorPeriodic，配置UE进行周期性的上报（包括CQI的上报模式，所使用的PUCCH资源以及上报周期等）。周期性的上报中，支持的上报模式如下表所示：

 

Table 7.2.2-1: CQI and PMI Feedback Types for PUCCH reporting Modes

 

 

PMI Feedback Type

 

 

No PMI

Single PMI

PUCCH CQI                Feedback Type

 

 

 

Wideband

Mode 1-0

Mode 1-1

(wideband CQI)

 

 

 

 

 

UE Selected

Mode 2-0

Mode 2-1

(subband CQI)

 

 

在不同的传输模式下，所能够支持的CQI上报模式如下：【1】

Transmission mode 1     : Modes 1-0, 2-0

Transmission mode 2     : Modes 1-0, 2-0

Transmission mode 3     : Modes 1-0, 2-0

Transmission mode 4     : Modes 1-1, 2-1

Transmission mode 5     : Modes 1-1, 2-1

Transmission mode 6     : Modes 1-1, 2-1

Transmission mode 7     : Modes 1-0, 2-0

Transmission mode 8     : Modes 1-1, 2-1 if the UE is configured with PMI/RI reporting; modes 1-0, 2-0 if the UE is configured without PMI/RI reporting

在周期性上报的情况下，不支持上层配置的子带CQI上报。对于UE选择的子带上报，与非周期性上报的情况也有所不同。在周期性的上报中，全部N个子带被分成J个子带组，其中子带的大小K（单位是RB）和子带组的数目J与系统的带宽有关，如下表所示。

Table 7.2.2-2: Subband Size (k) and Bandwidth Parts (J) vs. Downlink System Bandwidth

System Bandwidth

Subband Size k(RBs)

Bandwidth Parts (J)

  

6 – 7

NA

NA

 

8 – 10

4

1

 

11 – 26

4

2

 

27 – 63

6

3

 

64 – 110

8

4

 

对于每个大小为 的子带组，UE选择其中的一个子带进行CQI上报，同时UE将上报相应子带在子带组中的位置标号，大小为 个比特。

CQI/PMI周期性上报的周期 （单位是子帧）以及偏移 （单位是子帧）取决于RRC中的信令参数cqi-pmi-ConfigIndex，RI周期性上报的周期 和偏移 取决于RRC中的信令参数ri-ConfigIndex。

在只有宽带CQI/PMI上报的情况下， 上报的子帧满足如下的条件：

·             

·         如果配置了RI的上报， 那么RI上报的子帧满足如下的条件：

.

o    在RI和宽带CQI/PMI冲突的子帧，宽带CQI、PMI会被丢弃

在同时上报宽带CQI/PMI和子带CQI上报的场合，上报的子帧满足如下的条件：

，其中，

宽带CQI/PMI上报的周期是 ，上报的子帧满足 ，其中H定义为： ，J为子带组的数目，K是RRC中的信令参数。在两次周期性上报的时间间隔 ，UE会依次上报K轮J个子带组。

在配置了RI上报的场合，上报RI的子帧满足如下的条件：

。同样的，在RI和宽带CQI/PMI以及子带CQI冲突的子帧，UE会丢弃宽带CQI/PMI 和子带CQI。