TDD的關(guān)鍵技術(shù)及其應用前景

1、引言

時(shí)分雙工（TDD）是一種現代通信系統常用的雙工方式，在移動(dòng)通信系統中用于分離接收與發(fā)送信道（或上下行鏈路）。如圖1所示，在TDD方式的移動(dòng)通信系統中，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道的承載，用時(shí)間來(lái)保證接收與發(fā)送信道的分離。而傳統的頻分雙工（FDD）方式的移動(dòng)通信系統的接收和發(fā)送使用分離的兩個(gè)對稱(chēng)頻率信道承載，用頻段來(lái)保證接收與發(fā)送信道的分離。

圖1　TDD和FDD的工作原理

由于TDD方式中上下行信道使用同樣的頻率，上下行信道具有互惠性，從而使TDD方式的移動(dòng)通信系統呈現出一定的獨有特點(diǎn)。例如頻率配置的便捷性，非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的相對靈活性和業(yè)務(wù)信道易于體現智能天線(xiàn)優(yōu)勢等。

目前，隨著(zhù)以PHS、SCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等為代表的TDD方式移動(dòng)通信系統的陸續出現和發(fā)展，TDD相關(guān)技術(shù)的研究和應用也日益受到重視。本文將從TDD方式的相關(guān)技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)以及TDD方式在未來(lái)移動(dòng)通信系統中的地位等方面，分析采用TDD方式的移動(dòng)通信系統的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢。

2、TDD相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

2.1　智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)技術(shù)使用一組 天線(xiàn)和對應的收發(fā)信機按照一定的方式進(jìn)行排列和激勵，利用波的干涉原理產(chǎn)生具有較強方向性的輻射方向圖。智能天線(xiàn)以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤不同的期望用戶(hù)，提高用戶(hù)接收的信號功率，同時(shí)將賦形波束之外的非期望用戶(hù)受到的干擾加以抑制，從而在一定程度上降低多址干擾（MAI），提高通信系統的容量，增加接收靈敏度。

20世紀90年代中期，世界各國開(kāi)始考慮將智能天線(xiàn)技術(shù)應用于移動(dòng)通信系統。美國Arraycom公司在PHS系統中實(shí)現了智能天線(xiàn)；北京信威通信公司也成功開(kāi)發(fā)使用智能天線(xiàn)技術(shù)的SCDMA無(wú)線(xiàn)通信系統。1998年中國向國際電聯(lián)提交的TD-SCDMA RTT建議就是第一次提出以智能天線(xiàn)為核心技術(shù)的CDMA通信系統。在WiMAX寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)中，將智能天線(xiàn)作為系統實(shí)現的一項可選技術(shù)， 802.16e協(xié)議定義了專(zhuān)用流程來(lái)支持完全自適應的波束賦形算法。

在TDD系統中，上下行鏈路使用相同頻率，且間隔時(shí)間較短，鏈路無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境差異不大，在賦形算法中可以近似使用相同權值。與之不同的是，由于 FDD系統上下行鏈路信號傳播的無(wú)線(xiàn)環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同，根據上行鏈路計算得到的權值不能直接應用于下行鏈路。因而，TDD方式更能夠體現智能天線(xiàn)的優(yōu)勢。

但是智能天線(xiàn)在使用過(guò)程中依然存在諸多的限制。在采用TDD方式的移動(dòng)通信系統中，智能天線(xiàn)對每個(gè)用戶(hù)的上行信號均采用賦形波束，提高系統性能較為直接。但當用戶(hù)僅處于接收狀態(tài)下，同時(shí)在基站覆蓋區域內移動(dòng)時(shí)（空閑狀態(tài)），基站無(wú)法預知用戶(hù)方位，必須使用全向波束進(jìn)行發(fā)射。

此外，必須在智能天線(xiàn)算法的復雜性和實(shí)時(shí)實(shí)現的可能性之間進(jìn)行折中。目前的實(shí)用智能天線(xiàn)算法還難以解決時(shí)延超過(guò)碼片寬度的多徑干擾和高速移動(dòng)多普勒效應造成的信道惡化。在多徑嚴重的高速移動(dòng)環(huán)境下，將智能天線(xiàn)和其他抗干擾的技術(shù)結合使用，才可能達到更好的效果。另外，智能天線(xiàn)的性能隨天線(xiàn)陣元數目的增加而增強，但是增加天線(xiàn)陣元的數量，必將提高系統的復雜性，特別是在較低頻段工作時(shí)。巨大的智能天線(xiàn)重量將會(huì )給工程施工帶來(lái)麻煩。

2.2　聯(lián)合檢測技術(shù)

聯(lián)合檢測技術(shù)是多用戶(hù)檢測技術(shù)的一種。傳統的CDMA系統信號分離方法是把MAI看作熱噪聲，將單個(gè)用戶(hù)信號看作是各自獨立的過(guò)程進(jìn)行分離。實(shí)際上，由于MAI中包含一定的先驗信息，如已知的用戶(hù)信道碼和各用戶(hù)的信道估計等，因此MAI不應該被當作噪聲處理，它可以被利用起來(lái)以提高信號分離方法的準確性。在采用TDD方式的TD-SCDMA系統中，幀結構中專(zhuān)門(mén)設置了用于信道估計的訓練序列，根據接收的訓練序列信號和已知訓練序列估算信道沖激響應可以實(shí)現聯(lián)合檢測算法。

通過(guò)聯(lián)合檢測算法，可以在一定程度上抑制干擾，擴大容量，降低功控要求，削弱遠近效應。理論上說(shuō)，聯(lián)合檢測技術(shù)可以完全消除MAI的影響，但在實(shí)際應用中，信道估計準確性將直接影響到干擾消除的效果，同時(shí)，隨著(zhù)處理信道數的增加，算法的復雜度指數也增加，如果進(jìn)一步考慮小區間干擾的抑制，實(shí)時(shí)算法將難以達到理論性能。

2.3　上下行時(shí)隙非對稱(chēng)配置技術(shù)

在TDD方式的移動(dòng)通信系統中，接收和發(fā)送使用同一頻率的不同時(shí)隙，因此在支持不對稱(chēng)業(yè)務(wù)方面具有一定的靈活性。依據不同TDD系統幀結構的特點(diǎn)，通過(guò)配置上下行業(yè)務(wù)時(shí)隙的數量，可以實(shí)現不同業(yè)務(wù)需求下的數據傳送以滿(mǎn)足上下行非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的需求，如瀏覽網(wǎng)頁(yè)、視頻點(diǎn)播等。圖2給出了對稱(chēng)（上行3時(shí)隙/下行3時(shí)隙）和非對稱(chēng)（上行1時(shí)隙/下行5時(shí)隙）的TDD幀結構，其中TSO時(shí)隙是下行公共控制時(shí)隙。這種通過(guò)調整上下行時(shí)隙比例以滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)需求，提高無(wú)線(xiàn)資源利用率的技術(shù)，被稱(chēng)為上下行非對稱(chēng)時(shí)隙配置技術(shù)。而在使用FDD方式的系統中，非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的實(shí)現對上行信道資源將存在一定的浪費，必須采用高速分組接入（HSPA）、EV-DO和廣播/組播等技術(shù)。

圖2　對稱(chēng)和非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的時(shí)隙分配方案

上下行非對稱(chēng)時(shí)隙配置技術(shù)在為非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的實(shí)現提供一定靈活性的同時(shí)，對采用非對稱(chēng)時(shí)隙的相鄰小區也帶來(lái)相互干擾問(wèn)題，目前通常采用犧牲過(guò)渡帶小區時(shí)隙的方法加以規避，但過(guò)渡帶小區所處區域和數量的確定都會(huì )加大網(wǎng)絡(luò )規劃的難度。

3、TDD方式的優(yōu)勢與風(fēng)險

3.1　TDD方式的技術(shù)優(yōu)勢

（1）頻率配置相對便捷

隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信（IMT-2000）時(shí)代的到來(lái)，多媒體業(yè)務(wù)對于頻譜的需求日益增加。根據ITU的預測，至少需要380 MHz的頻率方能滿(mǎn)足第三代移動(dòng)通信在全世界的使用。由于頻譜資源的緊張，采用TDD方式的移動(dòng)通信系統由于無(wú)需成對的頻率，因而便于配置在FDD系統所不易使用的更低頻段的零散頻段上，具有一定的頻譜靈活性。

中國為T(mén)DD劃分了155 MHz的頻段（如圖3所示），為應用TDD開(kāi)展移動(dòng)通信創(chuàng )造了條件。

圖3　中國對移動(dòng)通信的頻率劃分

（2）對非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的支持相對靈活

在第三代移動(dòng)通信系統以及未來(lái)的移動(dòng)通信系統中，除了提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)之外，數據和多媒體業(yè)務(wù)將成為主要內容。由于上網(wǎng)、文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)通常具有上下行不對稱(chēng)特性，如果用FDD方式提供，將會(huì )造成上行資源的部分浪費。而在TDD方式移動(dòng)通信系統中，通過(guò)調整時(shí)隙轉換點(diǎn)，可提高下行時(shí)隙比例，從而具有一定的靈活性。當然在改變時(shí)隙比例的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )規劃必須解決相鄰非對稱(chēng)時(shí)隙配置小區的干擾問(wèn)題。

（3）射頻處理相對簡(jiǎn)化，存在降低制造成本的可能

TDD方式的移動(dòng)通信系統具有上下行信道一致的特點(diǎn)，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，從而在一定程度上降低了基站的制造成本，同時(shí)，由于智能天線(xiàn)技術(shù)的引入，使用多個(gè)低功率功放代替大功率功放，節省了部分射頻成本。但是TDD系統制造成本的降低要真正轉化為市場(chǎng)成本的降低，依然需要產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)拓展的規?；?。

（4）技術(shù)優(yōu)勢明顯

采用TDD方式的移動(dòng)通信系統上下行鏈路，工作于同一頻率，電波傳播的對稱(chēng)特性使之在降低功率控制要求的同時(shí)，更便于使用與信道估值密切相關(guān)的智能天線(xiàn)等新技術(shù)。

（5）業(yè)務(wù)優(yōu)勢

TD-SCDMA系統依靠其技術(shù)本身的優(yōu)勢，應該具有較低的成本、較高的頻譜利用率、靈活的上下行設置等特點(diǎn)，這使得TD-SCDMA系統在差異化業(yè)務(wù)提供能力方面。具有得天獨厚的優(yōu)勢。從理論上說(shuō)，定位和非對稱(chēng)業(yè)務(wù)（如視頻監視等）應該是TDD的特色業(yè)務(wù)。

3.2　TDD方式的技術(shù)風(fēng)險

（1）支持用戶(hù)高速移動(dòng)的能力風(fēng)險

在第三代移動(dòng)通信系統中，ITU要求TDD方式系統移動(dòng)速度達到120 km/h，而FDD系統移動(dòng)速度要求達到500 km/h，主要是因為FDD系統和TDD系統存在連續和非連續傳輸的差異。在高速移動(dòng)時(shí)，多普勒效應會(huì )導致快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越大。由于快衰落對TDD方式的系統具有更大的影響，因此TDD系統在支持高速移動(dòng)特性的終端實(shí)現方面存在一定的挑戰。

（2）系統內和系統間干擾風(fēng)險

TDD方式收發(fā)信道同頻，無(wú)法借助頻率選擇性進(jìn)行干擾隔離，可能對組網(wǎng)電磁兼容性能不利。

TDD方式的移動(dòng)通信系統，對于空閑狀態(tài)下的用戶(hù)，必須使用智能天線(xiàn)進(jìn)行全向賦形，由于干擾抑制作用的減弱，相鄰小區的下行控制信道信號將會(huì )相互干擾，特別是在采用復用因子較低的組網(wǎng)方式時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生接入困難和切換失敗等現象。同時(shí)，不同TDD方式的移動(dòng)通信系統鄰頻配置時(shí)，由于幀結構的差異，基站間和終端間干擾易于發(fā)生。

為了避免與其他無(wú)線(xiàn)系統之間的干擾，可能需要預留較大的保護帶，從而影響整體頻譜利用效率。

（3）全球范圍內的產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險

除了PHS系統之外，WiMAX以及TD-SCDMA等采用TDD方式的系統，尚處于規模試驗和初步商用階段，較之GSM、cdma2000 1x、WCDMA等FDD方式的移動(dòng)通信系統，在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、商用經(jīng)驗以及國際漫游方面存在一定挑戰。因為FDD系統已占有龐大的市場(chǎng)份額，并具有其長(cháng)期壟斷經(jīng)營(yíng)形成的優(yōu)勢，如用戶(hù)的認知、技術(shù)成熟和有效分布的基礎設施等。

4、TDD在IMT-Advanced中的作用

在國際電信聯(lián)盟的積極推動(dòng)下，世界各國已就移動(dòng)通信的遠景目標達成基本共識。同IMT-2000等已有數字移動(dòng)通信系統相比，IMT- Advanced系統將具有更高的數據速率（下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s）、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、更高的頻譜利用率（＞10 bit/s/Hz）、更高的安全性、更高的智能性、更高的靈活性。IMT-Advanced系統應能支持非對稱(chēng)性業(yè)務(wù)和更多的業(yè)務(wù)類(lèi)型，同時(shí)應體現移動(dòng)與無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò )不斷融合的發(fā)展趨勢。隨著(zhù)2007年世界無(wú)線(xiàn)電大會(huì )對IMT-Advanced使用頻譜的指定，下一代移動(dòng)通信技術(shù)標準和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的序幕將由此拉開(kāi)，而今后幾年將是技術(shù)標準形成的關(guān)鍵時(shí)期。

ITU-R對IMT-Advanced系統在2020年之前的頻譜需求進(jìn)行了分析，考慮已有2G和3G系統使用頻段在內，依然存在500 MHz～1 GHz的頻譜需求?？紤]到與已有無(wú)線(xiàn)系統共存干擾以及不同國家自身的利益問(wèn)題，在適宜移動(dòng)通信系統使用的3 GHz以下頻段，協(xié)調出相應頻率進(jìn)行整體分配，存在較大的難度。因而，對于IMT-Advanced系統而言，頻率的使用具有零散化的趨勢，這必將對下一代移動(dòng)通信系統技術(shù)方案的制定提出更高的要求。

單從技術(shù)方面考慮，隨著(zhù)下一代移動(dòng)通信系統對帶寬要求的提高以及頻率分配的零散化趨勢，基于TDD方式的移動(dòng)通信系統，由于具有頻譜配置和支持非對稱(chēng)業(yè)務(wù)方面的相對靈活性，相應的技術(shù)方案在IMT-Advanced競爭中將具有一定優(yōu)勢。因而，基于TD D方式的技術(shù)研究，在世界許多重要的科研機構、標準組織以及設備廠(chǎng)商中，日益受到重視。在3GPP中，TDD方式正在向多載波TD-SCDMA和TDD-OFDM兩個(gè)方向進(jìn)行演進(jìn)。多載波TD- SCDMA方案作為一個(gè)強調兼容性的增強型3G（E3G）平滑演進(jìn)版本，為T(mén)D-SCDMA系統提供性能提升的方案；TDD-OFDM方案則作為強調性能提升的全新版本，為T(mén)D-SCDMA系統向下一代移動(dòng)通信系統演進(jìn)奠定基礎。

以WiMAX為代表的寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統，在大量引入先進(jìn)技術(shù)以提高傳輸性能的同時(shí)，支持TDD方式。近日，IEEE 802委員會(huì )成立802.16m工作組，其總體目標和技術(shù)需求與IMT-Advanced相一致，相信802.16m同樣會(huì )成為IMT-Advanced TDD系統的有力競爭者。

5、結束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出，由于TDD方式的移動(dòng)通信系統上下行鏈路工作于同一頻率，因而在頻譜配置、新技術(shù)使用和支持非對稱(chēng)業(yè)務(wù)方面具有相對的靈活性。隨著(zhù)下一代移動(dòng)通信系統對帶寬要求的提高以及頻率分配的零散化趨勢，TDD方式的移動(dòng)通信系統在IMT-Advanced技術(shù)方案的競爭中將具有較強的優(yōu)勢。但也要清楚地認識到，TDD方式仍存在著(zhù)不足之處，以TD-SCDMA和移動(dòng)WiMAX為代表的移動(dòng)通信系統，目前尚處于規模試驗和初步商用階段，如果能夠進(jìn)行融合，取長(cháng)補短，必將進(jìn)一步加快發(fā)展步伐。

另外由于目前IMT-Advanced最可能將頻段分為1 GHz以下和2 GHz以上兩大部分，分別采用FDD和TDD方式解決以語(yǔ)音為主和以數據為主的通信需求不失為一種好的解決方案。