近來4G長程演進計畫(LTE)成為一個火熱的名詞，為通訊市場注入一股新活力。LTE又可細分為長程演進計畫-分時多工(LTE-TDD)與長程演進計畫-分頻多工(LTE-FDD)兩種技術，本文將依序討論它們的詳細規格與技術差異，並將分析各自的優缺點，最後簡略剖析台灣LTE的發展狀況。
當初在第三代合作夥伴計畫(3GPP)設計LTE-TDD時，就希望不要與LTE-FDD有太大的差別，因此約有90%的部分是相同的，相同的地方不再贅述，這裡將介紹實體層上的差別。
LTE-TDD/FDD訊框結構迥異
LTE-TDD與LTE-FDD兩種技術，最主要的差異即為訊框(Frame)結構上的不同。TDD顧名思義為分時多工系統，FDD則為分頻多工系統。
圖1為FDD與TDD一個訊框(10毫秒)的結構，每個訊框又可細分為10個子訊框(Subframe)。FDD是以頻率來切割，一部分來做下行(Downlink, DL)傳輸，另一部分做為上行(Uplink, UL)傳輸；而TDD則比較複雜，以時間來分割，每個子訊框要傳下行或上行的資料，就要配合3GPP 36.211所訂定的表1來決定。
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| 圖1 FDD與TDD的訊框結構 |
圖1所示的TDD訊框架構，就是採用表1的上下行結構(Uplink-downlink Configuration)，其中，D代表下行子訊框，U為上行子訊框，S代表特殊子訊框(Special Subframe)，為TDD特有的子訊框，其架構如圖2所示。
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| 表1 上下行結構 |
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| 圖2 Special Subframe示意圖 |
DwPTS(Downlink Pilot Time Slot)與UpPTS(Uplink Pilot Time Slot)其功能可視為雷同上下行子訊框，GP(Guard Period)為保護時間，上下行切換的時間點。而DwPTS、GP、UpPTS在一個子訊框內所占的時間比例，可依不同的需求來做調整，3GPP 36.211明確規範表2的特殊子訊框結構(Special Subframe Configuration)，共有十種不同比例可供選擇。
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| 表2 特殊子訊框結構 |
其餘較為深入的差異還有不同的主同步訊號(Primary Synchronization Signal, PSS)與輔助同步訊號(Secondary Synchronization Signal, SSS)時間上的位置，如圖3所示，FDD的PSS是在Subframe 0及5的Slot 0內Symbol 6的位置，是以淺灰色的區塊來表示，TDD的PSS是在Subframe 1及6的Slot 0內Symbol 2的位置，以深灰色的區塊來表示；至於SSS的話，如圖4所示，FDD的SSS是在Subframe 0及5的Slot 0內Symbol 5的位置，也是以淺灰色的區塊來表示，TDD的SSS則是在Subframe 0及5的Slot 1內Symbol 6的位置，以深灰色的區塊來表示。PSS與SSS在FDD與TDD只是時間位的位置不同，頻率與內容則完全相同。
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| 圖3 FDD與TDD的PSS位置 |
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| 圖4 FDD與TDD的SSS位置 |
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| 表3 HARQ處理程序的最大數量 |
另外下行控制資訊(Downlink Control Information, DCI)內容也略有差異，TDD有特有的DCI內容，如2位元(bit)的下行配置索引值(Downlink Assignment Index, DAI)、混合式自動重送請求(Hybrid Automatic Repeat request, HARQ)處理號碼(Process Number)在FDD只有3位元，在TDD則要4個位元。
最大混合式自動重送請求處理程序(Maximum HARQ Processes)在FDD固定為8個，在TDD則會因為不同的TDD上行/下行結構(UL/DL Configuration)而有所改變(表3)。
LTE-TDD/LTE-FDD優缺點分析
談過FDD與TDD的規格差異後，接著進一步比較其優缺點。
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從圖1即可看出，FDD所占用的頻寬約略是TDD的兩倍，FDD上行與下行之間還需額外頻寬避免彼此間干擾。以頻譜是很珍貴的角度來看，這是TDD的一大優勢。另外，FDD的頻譜具有對稱性，一些零散的頻帶在FDD無法被使用；而TDD的頻譜為非對稱設計，可較靈活的使用各個頻帶。除了語音為上下行對稱的服務外，3G之後還提供上網等上下行非對稱的資料傳輸，而TDD的訊框設計，可依實際上下行需求做配置，較有彈性。 |
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TDD可自行分配上下行的比例，通常使用者會有比較大的下行需求，故下行的比例會大於上行的比例，造成上行受限，TDD基地台的覆蓋率就會比FDD的來得差。在使用者密集的區域，此特性使TDD資源使用效益較高，但較為廣大的區域，要達到相同覆蓋率，TDD須建設較多的基地台，造成成本提高。
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FDD上下行為不同頻率，其占用頻寬大，單一天線不易支援這麼大的頻寬，較難應用於多重輸入多重輸出(MIMO)多天線技術。而TDD上下行運作於同一頻率，其一致性使設備穩定性高，降低處理複雜度，較易應用於MIMO多天線技術。 |
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因為歷史等因素，LTE-FDD目前應用的較為廣泛，產業成熟度較高，但無線區域網路(Wi-Fi)與全球微波存取互通介面(WiMAX)等技術，比較類似LTE-TDD。另外，LTE-TDD需要較為精準的同步，避免造成影響。 |
互補或互斥 合則兩利
上一段講述LTE-FDD與LTE-TDD的比較，或許會讓人覺得彼此是水火不容，互相排斥，但更好的做法是各取其優點，一起建置形成混合的共存網。例如，在城市的區域，因為TDD有較佳的頻率使用效率，因此在人口密集區域選擇布建LTE-TDD的基地台；在郊區的部分，因為腹地大人口較少，較適合布建涵蓋率較大的LTE-FDD基地台，以節省建設成本。
另外，在快速移動的區域如鐵路附近，可選擇布建LTE-FDD的基地台，因涵蓋範圍大，可減少換手(Handover)的次數；步行的區域，就布建LTE-TDD的基地台。
以技術層面來看，LTE-TDD與LTE-FDD的技術非常相似，當初標準在制定時，已經盡量減少彼此間的差異，近期研擬的3GPP R12版標準，已經將LTE-TDD與LTE-FDD的載波聚合(Carrier Aggregation)在一起，所以在技術層面上不會是太大的問題。
在數據量越來越大，頻譜越來越珍貴，LTE-TDD勢必會更受重視與發展，LTE-TDD與LTE-FDD融合組網更是未來的趨勢，甚至不只LTE-TDD與LTE-FDD，加入WiMAX與Wi-Fi共同組網也不無可能。
台灣4G發展腳步加快
台灣在2013年底已經釋出4G LTE執照，為公庫帶來可觀的收入，預計在2014下半季起就會有業者開台，目前開台是以LTE-FDD為主，尚不知是否有LTE-TDD的開台計畫。目前整體通訊發展與LTE-TDD類似，如小型基地台(Small Cell)也是朝向價格低廉，覆蓋範圍小但更為深度的覆蓋。目前在擬定的5G更是朝向高頻、覆蓋範圍小但密集的方向著眼。LTE-TDD勢必是未來的走向，中國大陸目前發展得如火如荼，也是主要的推動者。台灣或許可借重WiMAX的部分經驗，與中國大陸合作開創通訊的新未來。
(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)