2.LTE帧结构

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1.两种双工模式LTE支持两种双工模式：TDD和FDD，于是LTE定义了两种帧结构：TDD帧结构和FDD帧结构。

LTE标准制定之初就充分考虑了TDD和FDD双工方式在实现中的异同，增大两者共同点、减少两者差异点。两种帧结构设计的差别，会导致系统实现方面的不同，但主要的不同集中在物理层（PHY）的实现上，而在媒介接入控制层（MAC）、无线链路控制（RLC）层的差别不大，在更高层的设计上几乎没有什么不同。

从设备实现的角度来讲，差别仅在于物理层软件和射频模块硬件（如滤波器），网络侧绝大多数网元可以共用，TDD相关厂家可以共享FDD成熟的产业链带来的便利。但终端射频模块存在差异，这样终端的成熟度决定了LTE TDD和LTE FDD各自网络的竞争力。

1.1 FDD和TDDFDD的关键词是“共同的时间、不同的频率”。FDD在两个分离的、对称的频率信道上分别进行接收和发送。FDD必须采用成对的频率区分上行和下行链路，上下行频率间必须有保护频段。FDD的上、下行在时间上是连续的，可以同时接收和发送数据。

TDD的关键词是“共同的频率、不同的时间”。TDD的接收和发送是使用同一频率的不同时隙来区分上、下行信道，在时间上不连续。一个时间段由移动台发送给基站（UL），另一个时间段由基站发送给移动台（DL）。因此基站和终端间对时间同步的要求比较苛刻。

FDD和TDD的上、下行复用原理如图所示。

FDD上、下行需要成对的频率，而TDD无须成对频率，这使得TDD可以灵活地配置频率，使用FDD不能使用的零散频段。

TDD的上下行时隙配比可以灵活调整，这使得TDD在支持非对称带宽业务时，频谱效率有明显优势。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上、下行频率是一样的，这样上、下行无线传播特性一样，能够很好地支持联合检测、智能天线等技术。TDD的基站接收和发送可以共用部分射频单元，不需要收/发隔离器，只需要一个开关即可，降低设备复杂度和成本。

TDD与FDD相比还存在明显不足：

TDD上下行分配的时间资源是不连续的，分别给了上行和下行。TDD发射功率的时间大约只有FDD的一半。TDD和FDD具有同样的峰值功率情况下，TDD的平均功率仅为FDD的一半。尤其在上行方向上，终端侧难以使用智能天线，所以TDD的上行覆盖会受限。也就是说同样的覆盖面积，同样的终端发射功率，TDD需要更多的基站。如果TDD要覆盖FDD同样大的范围，就要增大TDD的发射功率。

TDD上、下行信道同频，无法进行干扰隔离，抗干扰性差。

FDD对移动性的支持能力更强，能较好地对抗多普勒频移，而TDD则对频偏较敏感，对移动性的支持较差。

1.2 频段分配LTE不仅支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz等多种带宽配置，还支持从700MHz到2.6GHz等多种频段。

根据协议规定，LTE系统定义的工作频段有40个，使用的频段考虑了对现有无线制式频段的再利用。每个频段都有一个编号和一定的范围，部分工作频段间会有重叠。

编号为1~32为FDD频段，33~40为TDD频段，其中FDD的15、16、18到32编号还未分配具体频点。

2.LTE帧结构LTE采用OFDM技术，子载波间隔为△f=15kHz，每个子载波为2048阶IFFT采样，则LTE采样周期Ts=1/（2048×15 000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

2.1 FDD帧结构LTE FDD类型的无线帧长为10ms，每帧含10个子帧，20个时隙。每个子帧有2个时隙，每个时隙为0.5ms，每个时隙又可以有若干个资源块（PRB）,每个PRB含有多个子载波。

LTE有苛刻的时延要求，在负载较轻的情况下，用户面时延小于5ms。为满足苛刻的数据传输时延要求，LTE系统必须使用很短的交织长度（TTI）和自动重传请求（ARQ）周期。因此LTE的时隙颗粒度必须很细。

TTI,Transmission Time Interval，传输时间间隔，代表最小数据传送时间,可以根据不同业务有很大范围的变化.具体是指无线链路一个能够独立解调的传输块的长度，当多个subframe也能够解调，譬如接收完整个10ms无线帧再进行解调，那么TTI就是10ms。TTI 是指在无线链路中的一个独立解码传输的长度。

传输时间间隔（TTI）是在 UMTS（和其它数字电讯网络，如LTE系统）中的一个参数，是指数据压缩从更高层到帧中进行传输在一个无线链路层中。TTI 是指在无线链路中的一个独立解码传输的长度。TTI 与从更高网络层到无线链路层的数据块的大小有关。

在3GPP LTE与LTE-A的标准中，一般认为 1 TTI = 1ms 。即一个Subframe（子帧=2slot）的大小，它是无线资源管理所管辖时间的基本单位。

tti是传输信道，比如bch、dch、pch等一个传输块的传输时间，一个tti传一个mac pdu（查了一下，没太多TTI的资料，说的都不是很明白，我自己的理解就是，传输一个数据块所用的时间，一般都是一个子帧传一个数据块，所以tti就是子帧大小；如果用10个子帧传一个数据块，那tti就是10个子帧的时长）。

LTE的时隙长度为0.5ms，但对0.5ms这一个调度的话，信令开销太大，对器件要求高。一般调度周期TTI设为一个子帧的长度（1ms），包括两个资源块RB的时间长度。因此一个调度周期内，资源块RB都是成对出现的。

FDD帧结构不但支持半双工FDD技术，还支持全双工FDD技术。半双工是指上、下行两个方向的数据传输可以在一个传输信道上进行，但不能同时进行，全双工是上下行两个方向的数据传输，不但可以在一个传输通道上进行，还可以同时进行。

一个常规时隙包含7个连续的OFDM符号。为了克服符号间干扰（ISI），需要加入CP。CP长度与覆盖半径有关，要求的覆盖半径越大需要配置的CP长度就越长，但过长的CP也会导致系统开销太大。

上下行普通CP配置下的时隙结构如图所示。在第一个时隙中，第0个OFDM符号的CP长度和其他OFDM符号的CP长度是不一样的。第0个OFDM符号CP长度为160Ts，约为5.2us；而其他6个OFDM符号CP长度为144Ts，约为4.7us；每个OFDM周期内有用符号长度为2048Ts，约为66.7us。7个OFDM符号周期，有用符号长度和CP长度之和正好为15360Ts，约合为0.5ms。

上下行扩展CP配置下的时隙结构如图，每个时隙的OFDM符号数不再是7个，而是6个。和普通CP配置时隙结构不同的是，一个时隙内，每个OFDM符号周期长度一样。

2.2 TDD帧结构LTE TDD帧结构最初提案有两个版本：一个是和FDD帧结构类似的帧结构FS1（Frame Structure 1），一个是兼有现有TD-SCDMA帧结构FS2，最后标准中形成了融合二者特色的帧结构：与LTE FDD帧长度一致，但保留了TD-SCDMA的一些特色元素。如图所示

最终形成的帧结构不但兼容了TDD的两个版本，也完成了TDD和FDD的统一。这个统一促使TD-LTE成为国际认可的主流标准，促进了TD-LTE的产业链形成，降低了设备商进入TD-LTE的市场门槛。

TDD采用的也是OFDM技术，子载波间隔和时间单位均与FDD相同，帧结构与FDD类似，如图所示。每个10ms帧由10个1ms的子帧组成，每个子帧包含2个0.5ms的时隙。

LTE的TDD帧结构和FDD不一样的地方有两个：

一是存在特殊子帧，由DwPTS、GP以及UpPTS构成，总长度为1ms；

二是存在上、下行转换点。

TD-LTE和传统TD-SCDMA的TDD帧结构相比，相同的是：每帧长度是10ms，每半帧长度是5ms，也分常规时隙和特殊时隙，也存在上、下行时隙转化点，上、下行时隙转换点可调。但两者不同的有以下几点：

一是每半帧包含的时隙数目不同；

二是两者时隙的长度不一样；

三是LTE特殊时隙的长度是可调的。

TD-SCDMA的TDD子帧有7个常规时隙（TS0-TS6），每个时隙的长度为0.675ms；TD-LTE的TDD每个常规时隙长度为0.5ms，但每两个时隙组成一组进行调度。

TD-SCDMA有3个特殊时隙：DwPTS（下行导频时隙，长为75us）、GP（保护间隔，长为75us）和UpPTS（上行导频时隙，长为125us）。特殊时隙总长度为0.275ms。

TD-LTE的TDD也有这三个特殊时隙，总长度为1ms，DwPTS/GP/UpPTS的长度是可调的。

TD-LTE的TDD帧结构可以通过两个途径来保证与已有的TD-SCDMA的共存：

一是配置不同的上下行时隙比例；

二是配置不同的特殊时隙DwPTS、GP、UpPTS的长度。

在TD-LTE的10ms帧结构中，上、下行子帧的分配策略是可以设置的。

每个帧的第一个子帧固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，第二个子帧固定地用作特殊时隙，第三个子帧固定地用作上行时隙；后半帧的各子帧的上、下行属性是可变的，常规时隙和特殊时隙的属性也是可以调的。

协议规定了0~6共7种TD-LTE帧结构 上、下行配置策略，如表所示。

D代表下行、S代表特殊时隙（也算下行），U代表上行。

不同的特殊时隙DwPTS、GP、DwPTS的长度，在LTE-TDD帧中可配置，如下表所示。TDD的一个子帧长度包括2个时隙，普通CP配置情况下，TDD的一个子帧长度是14个OFDM符号周期；而在扩展CP配置情况下，TDD的一个子帧长度 为12个OFDM符号周期。

3.LTE与UMTS帧结构对比无线制式的物理信道分配的无线资源一般采用四层结构进行标识：系统帧号、无线帧、子帧（或短帧）、时隙×码道（CDMA）/资源块RB（LTE，时隙×子载波），如图所示。

在WCDMA和TD-SCDMA中采用CDMA技术，资源调度除了指明时隙外，还需标明码道号。而在LTE中，资源调度除了给出时隙号，还需指出子载波号，也就是说，要指明RB序号。

时隙的大小决定了资源调度的颗粒度。在WCDMA/TD_SCDMA中，时隙的长度单位除了用毫秒（ms）外，还可以用码片（chip）来标识，因为码片就对应着时间。而在LTE中，不存在码片的概念，但有OFDM符号周期的概念，还可以用采样周期Ts的数目来表示时隙的长度。

WCDMA中码片速率为3.84Mcps，每chip的时间长度为Tchip=1/3.84×10^6=0.26us。在TD-SCDMA中码片速率为1.28Mcps，每个chip的时间长度为Tchip=0.78us。

LTE采用的是OFDM技术，子载波间隔△f=15KHz，每个子载波用2048阶IFFT采样，则LTE的采样周期Ts=1/（2048×15000）=0.033us。在LTE中，帧结构时间描述的最小单位就是采样周期Ts。

WCDMA、TD-SCDMA、LTE帧的时间长度Tf都为10ms。用它们各自的时间单位来表示：WCDMA中，Tf=38400Tchip；TD-SCDMA中，Tf=12800Tchip；LTE中，Tf=307200Ts。

WCDMA每个长10ms的帧被分为15个时隙（slot），每个时隙长为Tslot=2560chip，对应一个快速功率控制周期。WCDMA的R99版本中资源调度的最小单位是10ms，WCDMA的HSDPA中资源调度的最小单位是短帧，为2ms。

LTE每帧分为10子帧，共20个时隙，每个时隙的长度要短于WCDMA时隙，资源调度的单位是子帧，即两个时隙的时间长度为1ms。

TD-SCDMA每个长尾10ms的帧被分为2个5ms的子帧，资源调度的时间单位就是子帧的长度5ms。每个子帧包括7个常规时隙和3个特殊时隙，也就是说10ms的帧中特殊时隙会出现两次。

TD-LTE每个长为10ms的帧的特殊时隙可以出现1次，也可以出现2次，取决于上、下行转换周期的配置策略。3个特殊时隙占用1ms的子帧。每个半帧包括5个1ms的子帧。

LTE、WCDMA、TD-SCDMA时隙结构对比如下表。

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