固定無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)到多點(diǎn)系統中時(shí)分雙工與頻分雙工之對比

引言
頻分雙工(FDD)，也稱(chēng)為全雙工，操作時(shí)需要兩個(gè)獨立的信道。一個(gè)信道用來(lái)向下傳送信息，另一個(gè)信道用來(lái)向上傳送信息。兩個(gè)信道之間存在一個(gè)保護頻段，以防止鄰近的發(fā)射機和接收機之間產(chǎn)生相互干擾。
時(shí)分雙工(TDD)，也稱(chēng)為半雙工，只需要一個(gè)信道。無(wú)論向下還是向上傳送信息都采用這同一個(gè)信道。因為發(fā)射機和接收機不會(huì )同時(shí)操作，它們之間不可能產(chǎn)生干擾。
為了全面對比這兩種雙工方式，必須提供每種方式的下列屬性：
頻段位置及時(shí)分/FDD方式的合適性
頻譜效率及業(yè)務(wù)非對稱(chēng)性反應時(shí)間
射頻規劃及干擾，包括自干擾和共存干擾
系統的相對復雜度(代價(jià)差異)

前兩項是選擇TDD而非FDD方式的主要因素，后三項是FDD方式支持者提出的采用TDD方式時(shí)必須克服的缺點(diǎn)。

頻率分配及FDD或TDD的適宜性
在固定無(wú)線(xiàn)接入系統的頻率分配及發(fā)放執照的工作中，大部分國家都采用了較適宜于FDD方案的初始頻率分配。因為這些頻率分配方案都具有間隔很寬的信道，或者很寬的連續頻段，因此在采用FDD方案時(shí)，能夠保證充分的發(fā)送-接收頻率間隔，從而克服了FDD收發(fā)信機中必須將發(fā)送信號和接收信號隔離開(kāi)來(lái)的困難。
但是，并非所有的點(diǎn)到多點(diǎn)系統中的頻率分配方案都適宜于FDD。例如，為了有效利用LMDS的B段頻譜，必須滿(mǎn)足發(fā)送-接收間隔約為225MHz的要求。這對于工作于31GHz的FDD無(wú)線(xiàn)電是一個(gè)非常大的挑戰。近年來(lái)，越來(lái)越多的頻率分配方案已經(jīng)不再采用傳統的成對信道分配方法了，因此為采用TDD方案產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用。

圖1 自適應TDD技術(shù)的頻譜效率優(yōu)點(diǎn)

頻譜效率及業(yè)務(wù)非對稱(chēng)性
頻譜效率涉及到許多因素，其中兩個(gè)最重要的因素是使用的調制方案和業(yè)務(wù)非對稱(chēng)性程度。以語(yǔ)音服務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)是近似對稱(chēng)的，但是隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)不斷增長(cháng)，這種情況正在發(fā)生變化。因此，存在一個(gè)這樣的強烈的動(dòng)因，能否在不影響頻譜效率的前提下，采用某種技術(shù)可以適應這種業(yè)務(wù)模式的變化情況。而TDD技術(shù)就可以滿(mǎn)足這種要求。
關(guān)于調制方案，可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)說(shuō)明一下TDD和FDD技術(shù)的差異。在這個(gè)示例中，我們假設兩種雙工技術(shù)采用相同的前向糾錯技術(shù)、MAC開(kāi)銷(xiāo)、有效信道帶寬，也假定兩種雙工技術(shù)采用相同的調制方案，以至于有效數據負載是1 bit/Hz，并且假定保護頻段不會(huì )造成兩種雙工技術(shù)頻譜利用率的差異。
利用兩個(gè)25 MHz的信道(共50 MHz)，FDD系統能夠提供25 Mbps下行數據流和25 Mbps的上行數據流。而采用單個(gè)25 MHz信道的TDD系統，在利用相同的調制解調方案時(shí)，可以提供總共25 Mbps的下行數據流以及上行業(yè)務(wù)流。如果像傳統的電話(huà)系統一樣，業(yè)務(wù)具有對稱(chēng)性，TDD系統可以在任一方向上都提供12.5 Mbps的業(yè)務(wù)傳輸能力。若加上另一個(gè)25 MHzTDD的信道，在同樣的50 MHz頻譜上，TDD系統可以在任一方向上都提供25 MHz的業(yè)務(wù)傳輸能力?？傊?，當業(yè)務(wù)對稱(chēng)以及采用相同的調制解調技術(shù)時(shí)，TDD和FDD系統具有相同的頻譜效率。但是，業(yè)務(wù)非對稱(chēng)時(shí)的情況與對稱(chēng)時(shí)情況將具有很大的差別。當數據業(yè)務(wù)越來(lái)越占主導地位時(shí)，業(yè)務(wù)非對稱(chēng)性越來(lái)越明顯。
TDD系統能夠適應這些無(wú)法預測的非對稱(chēng)的業(yè)務(wù)模式。圖1給出了相對于FDD，自適應TDD技術(shù)在不同的業(yè)務(wù)非對稱(chēng)情況時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。

反應時(shí)間
過(guò)大的延時(shí)將會(huì )對連續比特速率和實(shí)時(shí)可變比特速率業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害影響。由于實(shí)際的所有固定無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )都將承載這些業(yè)務(wù)，反應時(shí)間將是一個(gè)十分關(guān)鍵的配置考慮因素。
為了避免上行數據流和下行數據流在發(fā)送時(shí)發(fā)生碰撞，必須在上行和下行發(fā)送時(shí)隙之間留出時(shí)間間隔。在TDD和FDD系統中，MAC逐幀管理帶寬分配。MAC處理一般都需要占用2~3幀的時(shí)間。在幀長(cháng)為1ms時(shí)，不考慮雙工方案，僅MAC處理就導致4~6ms的處理延時(shí)。假定傳輸延時(shí)為3微秒/千米，在6千米的路程中，為了避免TDD系統中的往返傳輸延時(shí)造成上下行鏈路沖突只需要加36微秒的時(shí)間間隔。通過(guò)最優(yōu)調度不同終端間上下行業(yè)務(wù)還可以進(jìn)一步減小該時(shí)間間隔。即使沒(méi)有最優(yōu)調度，傳輸延時(shí)相對于其它TDD和FDD系統中的固有延時(shí)也是非常小的，因此傳輸延時(shí)并非整個(gè)系統延時(shí)的關(guān)鍵因素。

射頻規劃和干擾
為了控制和減輕多網(wǎng)絡(luò )中心配置間的干擾，許多因素在射頻規劃過(guò)程中必須考慮。下面將要說(shuō)明，當TDD系統在進(jìn)行幀同步時(shí)，對干擾的敏感性與FDD系統是一樣的。
在任何點(diǎn)到多點(diǎn)配置中，有兩個(gè)干擾因素必須考慮。它們是：
共存干擾：共存干擾有兩種形式。一種形式是，兩個(gè)同一地理區域的采用臨近頻譜分配的用戶(hù)之間產(chǎn)生的干擾。這種情況下，干擾可以在兩個(gè)臨近的TDD系統時(shí)間、兩個(gè)臨近的FDD系統之間或者一個(gè)TDD系統和一個(gè)FDD系統之間產(chǎn)生。在實(shí)際情況下，本地調整器都會(huì )控制帶外發(fā)射以確保用戶(hù)能夠共存。但是，由于一個(gè)運營(yíng)者無(wú)法控制臨近運營(yíng)者的(除了由調整器管理的)系統參數及特征，因此該運營(yíng)者必須根據其設備對干擾的敏感性設置一個(gè)保護帶寬，從而提供額外的干擾保護。TDD和FDD系統都需要這類(lèi)保護帶寬。
最近的點(diǎn)到多點(diǎn)系統頻譜分配方案已經(jīng)考慮了保護帶寬。典型情況下，設置的保護帶寬等于最大預測到的信道帶寬，對于今天的系統來(lái)說(shuō)，為28 MHz。這種保護帶寬對TDD系統和FDD系統是一樣的。
另一種共存干擾來(lái)自于具有完全相同頻譜分配和臨近地理區域的兩個(gè)用戶(hù)。這種情況下的共存問(wèn)題與許可邊界上系統到系統的干擾有關(guān)。解決這個(gè)問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，可通過(guò)調整功率譜密度限以及依靠用戶(hù)之間的協(xié)作來(lái)完成。
自干擾：自干擾是指一個(gè)特定的服務(wù)區域內單個(gè)用戶(hù)配置內部產(chǎn)生的干擾。
由于存在自干擾，射頻規劃者必須考慮到同信道干擾(CCI)和鄰近信道干擾(ACI)。對于TDD和FDD系統來(lái)說(shuō)，控制干擾的共同方法是頻率分集和互極化識別。此外，在TDD系統中，可以采用幀同步來(lái)控制時(shí)間間隔。從設計觀(guān)點(diǎn)看，信道頻譜屏蔽和天線(xiàn)參數，如邊瓣標準和前后比率，在系統抗CCI干擾和ACI干擾的能力方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。
由于頻譜屏蔽比較重要，這里要說(shuō)幾句。由于目前設計的點(diǎn)到多點(diǎn)系統完全支持高階調制，因此比ETSI建議的系統具有更好的頻譜屏蔽效果。但是，目前的許多點(diǎn)到多點(diǎn)FDD系統中都有簡(jiǎn)單的自適應設備，這些設備都是最初為點(diǎn)到點(diǎn)系統設計的。盡管頻譜屏蔽可以滿(mǎn)足ETSI建議要求，但是，在點(diǎn)到多點(diǎn)環(huán)境中，其性能不能足以完全保護系統，使系統不受ACI干擾的影響。頻譜屏蔽在點(diǎn)到點(diǎn)系統中從來(lái)就不是一個(gè)很重要的參數，因為通過(guò)角度隔離就可以基本上完全控制干擾。在傳輸鏈路的兩端，通過(guò)采用高增益、窄波束寬度的天線(xiàn)就可以實(shí)現角度隔離。但是，在點(diǎn)到多點(diǎn)系統中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )中心的收發(fā)信機可以在幾條不同的路徑上接收和發(fā)送信號。在這種類(lèi)型的架構中，必須考慮到將要發(fā)生的不相關(guān)衰落。這就要求對鄰近信道干擾有較高的容忍度。
圖2和圖3給出了點(diǎn)到多點(diǎn)系統中ETSI頻譜屏蔽的要求。

圖2 采用QPSK調制方案時(shí)ETSI頻譜屏蔽

圖3 采用64QAM調制方案時(shí)ETSI頻譜屏蔽

系統的相對復雜度
一般認為，TDD微波無(wú)線(xiàn)系統比FDD微波無(wú)線(xiàn)系統簡(jiǎn)單。因為系統復雜度直接決定了系統成本，因此TDD系統成本較低。在FDD系統中，造成系統具有較大復雜度和較高成本的一個(gè)主要部件是雙工器。雙工器必須防止高功率的發(fā)送信號干擾十分敏感的接收機前端。若發(fā)送功率為+20dBm，接收機QPSK門(mén)限為-80dBm(假定噪聲功率約為-90dBm)，必須將間隔設計成大于110dB。在微波和毫米波段，當頻譜分配要求發(fā)送機和接收機之間具有較小的頻率間隔時(shí)，滿(mǎn)足這個(gè)設計目標將是一個(gè)十分具有挑戰性的難題。這些技術(shù)難題，再加上這些系統中濾波器的設計要求將大大增加FDD無(wú)線(xiàn)系統的復雜度和成本價(jià)。
結語(yǔ)
TDD可以很容易地適應任何類(lèi)型的頻率分配方案。由于TDD系統架構較簡(jiǎn)單，當新的頻率分配方案出現時(shí)，很容易進(jìn)行重新設計且需要代價(jià)較小?！?/P>