LTE的框架結構分為分頻多任務(FDD)及分時多任務(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分配與頻譜使用效率。

 

LTE為3GPP所定義的無線技術，在框架結構(Frame Structure)上分為分頻多任務(Frequency-Division Duplexing, FDD)，以及分時多任務(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。

 

 

首先，框架結構在FDD模式下，在頻率軸上以成對的方式進行分頻使用，一頻帶用于下行帶寬(DL Bandwidth)，另一頻帶用于上行帶寬(UL Bandwidth)；而在TDD模式下，頻譜為上下行所共享，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)用于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之間資源分配的比較，其中TDD模式周期為10毫秒(ms)的配置模式示意圖。假定在相同帶寬配置下，FDD則為相同帶寬的上下行配置，上下行各占用一半的資源比例，此比例為固定。

圖1　FDD與TDD模式框架結構示意圖 數據源：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分配，并可依據實際需求進行較佳資源分配，如表1所示，D為下行Subframe，S為特殊Subframe，U為上行Subframe。

表1

 

在LTE系統中，用戶設備(UE)藉由掃描主同步信號(Primary Synchronization Signal, PSS)及輔助同步信號(Secondary Synchronization Signal, SSS)，可進一步與基地臺(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分別位于時槽(Slot)0及10的最后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 里，PSS位于Subframe 1及6的第三個符號時間中，SSS則位于Subframe 0及5的最后一個符號時間中，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于UE在進行同步上，并無明顯的差異性。

 

 

另一方面，特殊Subframe為TDD模式下獨有的Subframe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用來傳送下行控制信息以及下行數據；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信道 (Physical Random Access Channel, PRACH)及探測參考信號(Sounding Reference Signal, SRS)。

 

PRACH主要用來傳送隨機進入前序信號(Random Access Preamble)，以藉該信號讓UE能利用競爭方式要求上行帶寬；因此，eNB必須提供適量的PRACH資源給UE進行隨機進入要求帶寬，如此一 來，PRACH的配置數量多寡可依據一個框架(10ms)中有多少PRACH數量作為衡量方式。

 

在FDD模式中每個Subframe中最多一個PRACH的配置，而在TDD模式中，在某些框架結構下，上傳Subframe的配置相對較少，因此PRACH在一個Subframe中可有0至多個PRACH資源的配置。

 

 

至于另一個LTE信號傳輸信道--實體混合自動請求回復指示通道(PHICH)，其被用來傳輸混合式自動重送請求指標(HARQ Indicator, HI)，HI攜帶上行數據傳輸接收的結果為ACK或是NACK。在FDD模式下每個下行Subframe中的PHICH資源個數為固定；在TDD模式下，若Subframe不 需要傳送上行數據接收結果的回報，則不須配置PHICH資源。

 

也就是說，在須要接收HARQ回報的下行Subframe(包含特殊Subframe)中，TDD模式可依據上/下行模式設定在Subframe中配置PHICH資源，若只須回報一個上 行Subframe的傳輸結果，此時PHICH資源數為n；若須回報兩個上行Subframe回報的資源則為2n。以TDD模式上/下行模式0來說明，在下行Subframe0及5 中，PHICH資源為2n，特殊Subframe1及6中PHICH資源數為n。

 

LTE的框架結構分為分頻多任務(FDD)及分時多任務(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分配與頻譜使用效率。

 

至于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，在下行框架多于上行框架的配置架構下，可能會有多個ACK/NACK回報在同一個上行Subframe中傳送，此時可使用捆綁(Bundling)方式或是多任務(Multiplexing)方式回報。詳細的下行HARQ處理程序個數如表2所示。

 

表2

值得注意的是，若上行HARQ為同步HARQ，不須藉由信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，在捆綁操作下則有四個HARQ處理程序。

 

在TDD操作于正常模式下，會有一到七個HARQ處理程序，在捆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。

 

表3

 

至于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資源時可能有兩個周期配置，相較于FDD下僅有一個周期。

 

也由于TDD模式在配置上行SPS周期通常以十個Subframe的倍數配置，在某些上下行配置中，上行同步的HARQ處理程序周期也是十個Subframe，故可能會讓 SPS在進行重傳時，又必須使用同一個HARQ處理程序進行新的數據傳送，為避免這種沖突狀況發生，SPS資源分配可使用兩個周期的方式減低此問題發生機會。

 

在TDD模式的下行控制信息(Downlink Control Information, DCI)Format 0(用以安排上行數據傳輸資源)中，其增加一個上行索引值(Index)字段，此字段用于上下行配置0時，一個DCI可同時指派兩個上行Subframe資源分配， 此時可依此字段選擇所配置的資源屬于哪個Subframe。

 

此外，TDD模式的DCI中增加一個下行配置索引值(Downlink Assignment Index, DAI)字段，若使用于配置下行資源的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分配(未包含SPS配置)。若下行配置索引值用于配置上行資源的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)。

 

 

探討TDD及FDD下行控制信息(Control Message)的資源分配，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于傳送控制信息，其中可能的選項有一到四個符號時間不等，若采四個符號時間僅可用于十個RB以下帶寬。

 

至于其他的符號時間選項則可用于FDD及TDD的一般下行Subframe中。此外，在TDD特殊Subframe的DwPTS中則因可用于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信息。

 

同時，在TDD框架結構中，可觀察到由于須使用保護時間來進行下行轉上行的切換，因此實際可用于傳輸的資源會較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，由于保護時間占整個框架時間的比例相對小，因此TDD模式與FDD模式在同樣帶寬下，整體頻譜運用效率僅有些微差異。

 

 

另就在eNB邊緣(Cell Edge)的UE來說，由于距離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捆綁的方式，在連續的傳輸時間中，傳送不同版本的冗余 (Redundancy)來彌補eNB在接收信號較差時譯碼的需求。再者，也由于上行功率限制，UE在同一個傳輸時間使用的RB數量及數據量都會因此受限。

 

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，但由于TDD上行的傳輸并非在所有時間都能傳送，必須在上行Subframe才 能進行，因此一般認為針對處于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Subframe中皆配置上傳資源，因此兩者差異不大。