FDD-LTE技术简述

1、FDD-LTE技术简介16721492 程俊达2017.3.3摘 要：随着当今世界信息化程度越来越高，通信技术的发达程度对社会的发展速度有着关键的影响。如今全球已经迈入4G时代，4G移动通信技术作为目前最前沿的通信技术，已被全球广泛的采用，在生产生活和科技进步方面发挥着无可替代的作用。TDLTE和FDDLTE作为4G的两种不同的网络制式，在编码、空口、信令方面有所不同，但除此之外的相似度达到百分之九十。本文着重介绍FDDLTE的网络制式，从其特点、优势、关键技术、与TD方式的优劣对比以及目前的发展程度进行一个详细的介绍。希望让更多的人能了解FDDLTE，了解它与TD的异同，从而更好地去展望未来

2、的5G通信。The Introduction of FDD-LTE TechnologyAbstract: With the increasing degree of information technology in the world today, the degree of communication technology development has a key impact on the speed of social development. Now the world has entered the 4G era, 4G mobile communication technol

3、ogy as the most cutting-edge communications technology, has been widely used in the world, in production and scientific and technological progress play an irreplaceable role. TD-LTE and FDD-LTE as the 4G of the two different network formats, coding, air port, signaling is different, but in addition

4、to the similarity of 90%. This paper focuses on the FDD-LTE network standard, from its characteristics, advantages, key technologies, and TD way of comparison and the current level of development of a detailed introduction. Want to let more people understand FDD-LTE, understand its similarities and

5、differences with TD, so as to better look forward to the future 5G communication.1. 引言伴随着人类社会进入信息时代，移动互联网成为了信息化时代最具时代特色的前沿技术。移动互联网是通信产业与传统的IT产业的交汇和融合，是信息技术IT(Information Technology)产业向通信技术 CT ( Communication Technology )产业的渗透。随着人们对于高速的数据传输日益增长的需求及智能移动终端设备的出现，使得人们开始追求对生活品质以及丰富多彩的体验，传统的移动互联业务已经无法满足人们的

6、需求，高质量的移动视听服务，高清晰度的视听享受，需要体验快捷方便的移动支付，需要进行实时流畅的手机游戏，需要进行高速准确的移动搜索，实时的获取各种新闻信息，人们希望在移动中进行轻松的社交活动，高效的完成工作。正是这些需求，成为了推动移动互联技术快速发展的源动力 ，推动着我们的信息时代大步向前，日新月异。目前，我们已经进入4G移动互联时代，4G网络已经遍布全球，移动互联网用户的数量正在以史无前例的速度增长。据统计，目前全球移动上网的用户已经远远超过了固定网络上网的用户；移动话音通信的用户已经远远超过了固定电话通信的用户；移动数据业务收人已经远远超过了移动话 音业务收人；手机用户保有量已经超过PC

7、和TV用户的保有量。4G移动互联正在构建一个全新的信息时代1。2通信技术发展历程移动通信技术到目前为止经历了四个阶段的发展历程。第一代（1G）通信技术自上世纪80年代初期被提出，历经十年的发展问世，这一代移动通信技术主要是通过模拟传输。第1代移动通信系统（1G）是模拟式通信系统，模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制，将介于300Hz到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。一部大哥大在当时的售价为21000元，除了手机价格昂贵之外，手机网络资费的价格也让普通老百姓难以消费。当时的入网费高达6000元，而每分钟通话的资费也有0.5元。不过由于模拟通信系统有着很多缺陷，经常出现串号、

8、盗号等现象，给运营商和用户带来了不少烦恼。于是在1999年A网和B网被正式关闭2。 第二代（2G）通信技术的发展开始于二十世纪九十年代初期，该技术通过采用更密集的技术结构以及引用智能技术等，较1G技术有所进步，但依然不能真正满足移动通信业务的发展需求。从1G跨入2G的分水岭则是从模拟调制进入到数字调制，相比于第1代移动通信，第二代移动通信具备高度的保密性，系统的容量也在增加，同时能够提高多种业务服务。从这一代开始手机也可以上网了。第一款支持WAP的GSM手机是诺基亚7110，它的出现标志着手机上网时代的开始，而那个时代GSM的网速仅有9.6KB/s。数字网有以下优点：1.频谱利用率高，有利于提

9、高系统容量；2.提供多种业务服务，提高通信系统通用性；3.抗噪声、抗干扰、抗多径衰落能力强；4.能实现更有效、灵活的网络管理和控制；5.便于实现通信的安全保密；6.可降低设备成本。 第三代（3G）通信技术的问世，通过应用智能信号等处理技术，已经能够提供前两代技术无法提供的移动宽带服务，但该技术中频谱利用效率还是比较低，依然有大量宝贵的频谱资源未得到充分利用，因此，3G技术同样还是远远不能满足未来人们对于通信技术的需求。国际电信联盟（ITU）发布了官方第3代移动通信（3G）标准IMT-2000（国际移动通信2000标准）。3G存在四种标准制式，分别是CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA

10、，WiMAX。在3G的众多标准之中，CDMA这个字眼曝光率最高，CDMA（码分多址)是第三代移动通信系统的技术基础。中国在2009年的1月7日颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA，中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。 第四代（4G）通信技术在这种背景下提出，其视频图像传输的效果可以媲美高清晰电视；拥有极高的下载速度及灵活的计费方式等，具有前三代无可比拟的先进性。4G包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载（大约是12.5MB/s18.75MB/s的下

11、行速度），比目前的家用宽带ADSL（4兆）快20倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。2013年12月4日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通正式发放了第四代移动通信业务牌照（即4G牌照），中国移动、中国电信、中国联通三家均获得TD-LTE牌照，此举标志着中国电信产业正式进入了4G时代3。3简介FDD-LTELTE（Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三

12、代合作伙伴计划）组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input & Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下，理论下行最大传输速率为201Mbps，除去信令开销后大概为150Mbps，但根据

13、实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps），并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。根据双工方式不同LTE系统分为FDD-LTE（Frequency Division Duplexing）和TDD-LTE (Time Division Duplexing)，FD

14、D（频分双工）是该技术支持的两种双工模式之一，应用FDD（频分双工）式的LTE即为FDD-LTE。作为LTE的需求，TD系统的演进与FDD系统的演进是同步进行的。绝大多数企业对LTE标准的贡献可等同用于FDD和TD模式。两者的相似度可达90%。由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，FDD-LTE的标准化与产都领先于TD-LTE。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。 FDD采用两个独立的信道分别进行向下传送和向上传送信息的技术。为了防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰，在两个信道之间存在一个保护频段。FDD操作时需要两个

15、独立的信道。一个信道用来从基站向终端用户传送信息，另一个信道用来从终端用户向基站发送信息。TD则采用的是同一频率的载波，通过控制信号来控制数据流的方向，并且可根据不同的业务灵活分配上下行的帧比例。4简析FDD-LTE关键技术FDD-LTE主要的关键技术有OFDM（正交频分复用）、MIMO（多入多出）技术即多天线技术、循环前缀（CP）、为了减小峰均比而使用的单载波频分多址（SO-FDMA）等等。接下来将详细讲解这些技术，简析这些技术的优劣。4.1 OFDM（1）概述：正交频分复用(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种多载波调制技

16、术，早在20世纪60年代就已经提出了OFDM的概念，不过由于实现复杂度高，大家并不怎么关注，之后随着DFT(离散傅立叶变化)、FFT(快速傅立叶变换)的提出以及DSP芯片技术的发展，极大减少了OFDM实现复杂度和成本，OFDM逐步在通信领域得到了广泛的应用，并且成为了高速移动通信中的主流技术。OFDM使用相互重叠但正交的窄带传输数据，相比传统的多载波系统具有更高的频谱利用率。3gpp选择OFDM作为LTE下行数据传输制式。由于OFDM信号是多个子载波信号的叠加，所以存在较高的PAPR(峰均比)，对功放的要求较高，不适合于上行使用，所以为了克服OFDM的缺点，3gpp在上行引入了单载波频分多址(

17、SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access)机制，SC-FDMA是OFDM的一种修正形式，和OFDM使用多载波并行方式传输数据相比，SC-FDMA采用单载波串行方式传输数据，从而具有较低的PAPR4。（2）原理：将高速的数据流分解为多路并行低速数据流，在多个载波上同时进行传输。OFDM允许子载波频谱部分重叠,只要能满足子载波之间相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息。由于OFDM允许子载波频谱混叠,其频谱效率大大提高,因而是一种高效的调制方式5。对比传统的FDM，OFDM的频带利用率大大提高：（3）优缺点分析：OF

18、DM相比于传统的单载波系统，它的优势是无可比拟的：频谱利用率高（OFDM中各个子载波之间是彼此重叠的、相互正交，从而极大地提高了频谱利用率）抗多径干扰（为了最大限度地消除符号间干扰，在OFDM符号之间插入循环前缀CP。当CP长度大于无线信道的最大时延扩展时，前一个符号的多径分量不会对下一个符号造成干扰）抗频率选择性衰落（由于无线信道的频率选择性衰落，OFDM系统可以通过动态子载波分配，充分利用信噪比高的子载波，提高系统性能）。但是，OFDM的缺陷也是非常明显并且需要我们去解决的：OFDM具有较高的峰均比PAPR，比CDMA高很多，从而会影响射频放大器的效率，增加硬件成本。对同步误差较敏感，时间

19、偏移会导致OFDM子载波的相位偏移，而频率偏移误差则会导致子载波间失去正交性，带来子载波之间的干扰，影响接收性能。对频偏和相位噪声比较敏感，会导致各个子载波之间的正交性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。（4）减小峰均比（PAPR）：高峰平比是影响OFDM技术应用的一个关键问题，为了降低OFDM系统的PAPR，国内外学者进行了大量深入的研究,提出了很多方法。解决高峰平比问题主要有两种途径：一是提高功率放大器的性能，二是降低OFDM 信号的峰平比。其中，从提高功率放大器的性能着手解决OFDM系统存在的高峰平比问题有一定的局限性。实际应用中,更多的是从OFDM信号本身的角度出发，采取措施

20、降低大峰值信号的出现概率或是避免大峰值信号的出现。降低OFDM信号峰平比的技术可以从本质上解决OFDM系统存在的高峰平比问题。目前所存在的减小PAPR的方法大概可以分为三类：（1）信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于门限值的信号进行非线性畸变，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除等操作。这些信号畸变技术的好处在于直观、简单，但信号畸变对系统性能造成的损害是不可避免的；（2）编码方法，即避免使用那些会生成大峰值功率信号的编码图样，例如采用循环编码方法。这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，特别是当子载波数量N较大时，编码效率会非常低，从而导致这一矛盾会更加突出；（3）利

21、用不同的加扰序列对OFDM符号进行加权处理，从而选择PAR较小的OFDM信号来传输。4.2 保护间隔与循环前缀克服OFDM的干扰应用OFDM的一个最主要的原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道中，使得每个用于去调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍，因此时延扩展与符号周期的比值也同样降低N倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（guard inerval），而且该保护间隔长度一般要大于无线信道的最大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内，可以不插入任何信号，即是

22、一段空闲的传输时段。然而在这种情况中，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的ICI，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀（CP）。循环前缀是将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样就可以保证有时延的OFDM信号在FFT周期内总是具有整数倍周期。这样，时延小于保护间隔的时延信号就不会在解调过程中产生ICI。4.3 多天线技术(MIMO)多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。通常多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。MIMO (M

23、ultiple Input Multiple output ：多输入多输出)技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，通过空时处理技术实现分集増益或复用増益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。为了满足LTE系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求，LTE系统中MIMO技术主要包括：空间分集、 空间复用及波束成形3大类： （1）空间分集：采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗传输信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。 （2）空间复用：空间复用的主要原理是利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。

24、LTE系统中空间复用技术包括：开环空间复用和闭环空间复用。开环空间复用：LTE系统支持基于多码字的空间复用传输。所谓多码字， 即用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立地进行速率控制。闭环空间复用：即所谓的线性预编码技术。 （3）波束成形：MIMO中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似，在发射端将待发射数据矢量加权，形成某种方向图后到达接收端，接收端再对收到的信号进行上行波束成形，抑制噪声和干扰。与常规智能天线不同的是，原来的下行波束成形只针对一个天线，现在需要针对多个天线。通过下行波束成形，使得信号在用户方向上得到加强，通过上行波束成形，使

25、得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此，和发射分集类似，可以利用额外的波束成形増益提高通信链路的可靠性，也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率6。5FDDLTE与TDLTE的对比2013年2月，欧盟 TD和FDD是LTE的两种不同的双工方式：TDD-LTE是时分双工，即发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的； FDD-LTE是频分双工，即采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号。形象点来说，TDD是单车道，FDD是双车道，双向放行。目前FDD已经覆盖超过93个国家，是国际主流的4G通信技术。 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

26、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7。主要几点对比：（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

27、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

28、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）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。（6）对于TD来说，移动台速度比FD少一半，当数据率为144kb/s时，TDD的最大移动速度可达250km/h 。TD的几点优势：（1）频谱配置：频段资源是无线通信中最宝贵的资源。前代通信系统GSM900和GSM1800均采用FDD双工方式，FDD双工方式占用了大量的频段资源，同时，一些零散频谱资源由于FDD不能使用而闲置，造成了频谱浪费。LTE TDD系统无需成对的

29、频率, 可以方便的配置在LTE FDD 系统所不易使用的零散频段上, 具有一定的频谱灵活性，能有效的提高频谱利用率。 （2）灵活应对非对称业务：未来数据和多媒体业务将成为主要内容，上网、文件传输和多媒体业务通常具有上下行不对称特性。LTE TDD系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。根据LTE TDD帧结构的特点，LTE TDD系统可以根据业务类型灵活配置LTE TDD帧的上下行配比。如浏览网页、视频点播等业务，下行数据量明显大于上行数据量，系统可以根据业务量的分析，配置下行帧多于上行帧情况。而在提供传统的语音业务时，系统可以配置下行帧等于上行帧。在LTE FDD系统中, 非对称业务的实现

30、对上行信道资源存在一定的浪费, 必须采用高速分组接入(HSPA) 、EV-DO 和广播/组播等技术。相对于LTE FDD系统，LTE TDD系统能够更好的支持不同类型的业务，不会造成资源的浪费。 （3）智能天线的使用：智能天线技术是未来无线技术的发展方向。在LTE TDD系统中, 上下行链路使用相同频率, 且间隔时间较短, 小于信道相干时间，链路无线传播环境差异不大，在使用赋形算法时，上下行链路可以使用相同的权值。与之不同的是, 由于FDD 系统上下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不同, 根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。因而, LTE TDD系统能有效地降低移动终端的处理复杂性8。FDD的几点优势：1.覆盖范围更广；2.速度更快：目前，LTE FDD理论下行速度为150Mbps，TD-LTE理论下行速度100Mbps；3.能同时双向通信；4.技术更成熟，使用国家多，成本更低；5.终端种类多。6实际中的应用情况频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种方式，由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因素，LTE FDD支持阵营更加强大，标准化与产业发展都领先于LTE TDD。截至2013年3月份，全球125个国家共计412个运营商投资建设LTE网络。67个国家 的156个电信运营商己商用LTE网络。其中商用的FDD网络共有149个。主流