1.3 无线帧结构

LTE分TDD和FDD两种不同的双工方式，分别对应不同的无线帧结构。FDD采用频率来区分上、下行，其单方向的资源在时间上连续；而TDD则采用时间来区分上、下行，其单方向的资源在时间上不连续，而且需要保护时间间隔，避免两个方向之间的收发干扰，所以LTE分别为FDD和TDD设计了各自的帧结构。

FDD-LTE帧是长度为10ms的无线帧，由10个长度为1ms的子帧组成，每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙构成，每个时隙内含有7个OFDM符号（常规CP）或6个OFDM符号（扩展CP），时域的基本单位Ts=1/（15000×2048）s=32.55μs，基带采样率fs=1/Ts=30.72MHz, LTE的采样率分别是WCDMA的采用率（3.84MHz）和TD-SCDMA的采样率（1.28MHz）的8倍和24倍，简化了WCDMA/TD-SCDMA/LTE多模终端的设计，因为多模终端可以直接使用同一个时钟电路实现，降低了系统的复杂度。FDD-LTE帧结构如图1-4所示。

LTE时隙（0.5ms）的详细结构如图1-5所示。每个时隙由一定数量的OFDM符号加上相应的循环前缀（CP）组成，OFDM的符号时间定义为可用符号时间和循环前缀的长度之和。LTE系统定义了两种循环前缀（CP），即常规CP和扩展CP，分别相当于每个时隙有7个和6个OFDM符号。在常规CP中，每个时隙的第一个OFDM符号的CP比其余OFDM符号的CP长，这样做是为了将0.5ms的时隙完全填充，因为一个时隙的时间单位Ts数（15360）不能被7整除。

LTE系统定义了两种CP，主要有以下两个方面的原因。第一，虽然从总体的开销上来说扩展CP的效率更低，但在具有很大时延扩展的环境中，例如，在覆盖范围很大的小区中，长的CP对信道的估计更为准确；第二，在基于MBSFN的多播/广播传输中，CP不仅应覆盖传输信道的大部分时延扩展，还应能够屏蔽由于不同基站传输所带来的时间差异，因此，在MBSFN系统的实际操作中，也需要额外的CP。因此， LTE系统的扩展CP主要用于MBSFN的传输，而不同的CP可以用在一帧内不同的子帧中。

在系统设计时，要求CP长度大于无线信道的最大时延扩展，而时延扩展与小区半径和无线信道传播环境相关。通常用均方根（Root Mean Square, RMS）多径延迟扩展τrms来描述功率延迟分布情况，τrms公式定义如下。

τrms=T1dεy

其中T1表示1公里距离RMS时延扩展值，d表示小区半径，y表示阴影衰落余量，多径时延扩展τrms随着小区半径的增加而增加。表1-8给出了不同小区半径d，在4种传播环境下，包含90%能量的RMS时延扩展值（μs）。

正常CP：正常CP有7个OFDM符号，第1个OFDM符号的CP长度是5.21μs，第2个到第7个OFDM符号的CP长度是4.69μs，正常CP可以在1.4km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力，适合于市区、郊区、农村以及小区半径低于5km的山区环境。

扩展CP：扩展CP有6个OFDM符号，每个OFDM符号的CP长度均是16.67μs，扩展CP可以在5km的时延扩展范围内提供抗多径保护能力，适合于覆盖距离大于5km的山区环境及需要超远距离覆盖的海面和沙漠等环境。

TDD-LTE帧结构也是一个长度为10ms的无线帧，由两个5ms的半帧构成，每个半帧由5个1ms的子帧组成。子帧又分为常规子帧（由两个0.5ms的时隙构成）和特殊子帧，特殊子帧由DwPTS、GP以及UpPTS构成。TDD支持5ms和10ms两种上下行切换点周期。TDD-LTE帧结构如图1-6所示。

TDD帧结构有7种时隙配置，其中子帧0和子帧5固定为下行传输，其他子帧可以灵活配置，既可以用于上行传输也可以用于下行传输。之所以将子帧0和子帧5设置为下行传输是因为它们通常包含了LTE系统的同步信号，这些同步信息在每个小区的下行连续重复传输，用于初始小区搜索和邻小区搜索。

TDD子帧配置的灵活性使其上下行子帧数具有很大的不对称性，为了避免相邻小区间上下行传输之间的严重干扰，上下行子帧分配不建议经常性地剧烈变化，但是可以较为缓慢地改变，以适应不同流量的特点，比如上下行数据量非对称性地改变。TDD帧结构配置如表1-9所示。

表1-9中D代表此子帧用于下行传输，U代表此子帧用于上行传输，S代表特殊时隙，特殊时隙由DwPTS、GP、UpPTS组成，其时隙长度有9种形式配置，如表1-10所示。

特殊时隙中的DwPTS可用于发送下行数据，其中主同步信道位于DwPTS第3个OFDM符号；UpPTS可以传输随机接入、上行探测信号等，UpPTS可用来专门放置物理随机接入信道（PRACH），这是TDD-LTE系统特有的一种短RACH结构（只有两个符号长）; GP是保护间隔，无法用来传输有效信息。

TDD-LTE系统利用时间上的间隔完成双工转换，但为避免干扰，需预留一定的保护间隔（G P ） ，保护间隔的大小与系统覆盖距离有关，GP越大，覆盖距离就越大。

GP主要由“传输时延”和“设备收发转换时延”构成，即

GP=2×传输时延+TRx-Tx, UE

最大覆盖距离=传输时延×c

其中传输时延是指eNodeB和UE之间单向传输时间长度；c是光速，TRx-Tx, UE为UE从下行接收到上行发送的转换时间，该值与输出功率的精确度有关，典型值是10～40μs，在本书中，假定TRx-Tx,UE为20μs。TDD-LTE覆盖距离如表1-11所示。

DwPTS可用于传输下行链路控制信令和下行数据，因此GP越大，则DwPTS越小，会造成系统容量下降。在系统设计中，特殊子帧的典型配置通常选用模式7，即10∶2∶2，该配置下理论覆盖距离达到18.4km，既能保证足够的覆盖距离，同时下行容量损失有限。扩展CP的特殊子帧典型配置为模式0，即3∶8∶1，覆盖距离可以达到97km，适合于海面和沙漠等超远距离覆盖场景。

TDD-LTE和TD-SCDMA之间存在着密切联系。当TDD-LTE和TD-SCDMA共享站点和使用同一频段时，系统需要对上行链路/下行链路间隔进行排列，以避免不同基站收发信机之间产生干扰。由于TD-SCDMA持续时间与TDD-LTE子帧持续时间不匹配，因而LTE子帧参数需特殊设计用于满足共存要求。根据上行链路/下行链路相对分离的事实，当基站之间不存在干扰的情况下，可以对TD-SCDMA和TDD-LTE的相对定时进行调整，以支持共存，如图1-7所示。

除了定时排列之外，当支持TD-SCDMA和LTE共存时，特殊子帧的准确配置也起着非常重要的作用。表1-12给出了一些具有较好匹配效果的配置。