固定無(wú)線接入點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)中時(shí)分雙工與頻分雙工之對(duì)比

引言
頻分雙工(FDD)，也稱為全雙工，操作時(shí)需要兩個(gè)獨(dú)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(hù)頻段，以防止鄰近的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間產(chǎn)生相互干擾。
時(shí)分雙工(TDD)，也稱為半雙工，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?yàn)榘l(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(duì)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(duì)稱性反應(yīng)時(shí)間
射頻規(guī)劃及干擾，包括自干擾和共存干擾
系統(tǒng)的相對(duì)復(fù)雜度(代價(jià)差異)

前兩項(xiàng)是選擇TDD而非FDD方式的主要因素，后三項(xiàng)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)線接入系統(tǒng)的頻率分配及發(fā)放執(zhí)照的工作中，大部分國(guó)家都采用了較適宜于FDD方案的初始頻率分配。因?yàn)檫@些頻率分配方案都具有間隔很寬的信道，或者很寬的連續(xù)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(jī)中必須將發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)隔離開來(lái)的困難。
但是，并非所有的點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)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，必須滿足發(fā)送-接收間隔約為225MHz的要求。這對(duì)于工作于31GHz的FDD無(wú)線電是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。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(tǒng)的成對(duì)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(yīng)TDD技術(shù)的頻譜效率優(yōu)點(diǎn)

頻譜效率及業(yè)務(wù)非對(duì)稱性
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(diào)制方案和業(yè)務(wù)非對(duì)稱性程度。以語(yǔ)音服務(wù)為主的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)是近似對(duì)稱的，但是隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)，這種情況正在發(fā)生變化。因此，存在一個(gè)這樣的強(qiáng)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(yīng)這種業(yè)務(wù)模式的變化情況。而TDD技術(shù)就可以滿足這種要求。
關(guān)于調(diào)制方案，可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的示例來(lái)說明一下TDD和FDD技術(shù)的差異。在這個(gè)示例中，我們假設(shè)兩種雙工技術(shù)采用相同的前向糾錯(cuò)技術(shù)、MAC開銷、有效信道帶寬，也假定兩種雙工技術(shù)采用相同的調(diào)制方案，以至于有效數(shù)據(jù)負(fù)載是1 bit/Hz，并且假定保護(hù)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)，F(xiàn)DD系統(tǒng)能夠提供25 Mbps下行數(shù)據(jù)流和25 Mbps的上行數(shù)據(jù)流。而采用單個(gè)25 MHz信道的TDD系統(tǒng)，在利用相同的調(diào)制解調(diào)方案時(shí)，可以提供總共25 Mbps的下行數(shù)據(jù)流以及上行業(yè)務(wù)流。如果像傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)一樣，業(yè)務(wù)具有對(duì)稱性，TDD系統(tǒng)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(tǒng)可以在任一方向上都提供25 MHz的業(yè)務(wù)傳輸能力?？傊?dāng)業(yè)務(wù)對(duì)稱以及采用相同的調(diào)制解調(diào)技術(shù)時(shí)，TDD和FDD系統(tǒng)具有相同的頻譜效率。但是，業(yè)務(wù)非對(duì)稱時(shí)的情況與對(duì)稱時(shí)情況將具有很大的差別。當(dāng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)越來(lái)越占主導(dǎo)地位時(shí)，業(yè)務(wù)非對(duì)稱性越來(lái)越明顯。
TDD系統(tǒng)能夠適應(yīng)這些無(wú)法預(yù)測(cè)的非對(duì)稱的業(yè)務(wù)模式。圖1給出了相對(duì)于FDD，自適應(yīng)TDD技術(shù)在不同的業(yè)務(wù)非對(duì)稱情況時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。

反應(yīng)時(shí)間
過大的延時(shí)將會(huì)對(duì)連續(xù)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)線接入網(wǎng)絡(luò)都將承載這些業(yè)務(wù)，反應(yīng)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(shù)據(jù)流和下行數(shù)據(jù)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(tǒng)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(zhǎng)為1ms時(shí)，不考慮雙工方案，僅MAC處理就導(dǎo)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(tǒng)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。通過最優(yōu)調(diào)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。即使沒有最優(yōu)調(diào)度，傳輸延時(shí)相對(duì)于其它TDD和FDD系統(tǒng)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(tǒng)延時(shí)的關(guān)鍵因素。

射頻規(guī)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(guī)劃過程中必須考慮。下面將要說明，當(dāng)TDD系統(tǒng)在進(jìn)行幀同步時(shí)，對(duì)干擾的敏感性與FDD系統(tǒng)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(qū)域的采用臨近頻譜分配的用戶之間產(chǎn)生的干擾。這種情況下，干擾可以在兩個(gè)臨近的TDD系統(tǒng)時(shí)間、兩個(gè)臨近的FDD系統(tǒng)之間或者一個(gè)TDD系統(tǒng)和一個(gè)FDD系統(tǒng)之間產(chǎn)生。在實(shí)際情況下，本地調(diào)整器都會(huì)控制帶外發(fā)射以確保用戶能夠共存。但是，由于一個(gè)運(yùn)營(yíng)者無(wú)法控制臨近運(yùn)營(yíng)者的(除了由調(diào)整器管理的)系統(tǒng)參數(shù)及特征，因此該運(yùn)營(yíng)者必須根據(jù)其設(shè)備對(duì)干擾的敏感性設(shè)置一個(gè)保護(hù)帶寬，從而提供額外的干擾保護(hù)。TDD和FDD系統(tǒng)都需要這類保護(hù)帶寬。
最近的點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)頻譜分配方案已經(jīng)考慮了保護(hù)帶寬。典型情況下，設(shè)置的保護(hù)帶寬等于最大預(yù)測(cè)到的信道帶寬，對(duì)于今天的系統(tǒng)來(lái)說，為28 MHz。這種保護(hù)帶寬對(duì)TDD系統(tǒng)和FDD系統(tǒng)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(qū)域的兩個(gè)用戶。這種情況下的共存問題與許可邊界上系統(tǒng)到系統(tǒng)的干擾有關(guān)。解決這個(gè)問題，一般來(lái)說，可通過調(diào)整功率譜密度限以及依靠用戶之間的協(xié)作來(lái)完成。
自干擾：自干擾是指一個(gè)特定的服務(wù)區(qū)域內(nèi)單個(gè)用戶配置內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。
由于存在自干擾，射頻規(guī)劃者必須考慮到同信道干擾(CCI)和鄰近信道干擾(ACI)。對(duì)于TDD和FDD系統(tǒng)來(lái)說，控制干擾的共同方法是頻率分集和互極化識(shí)別。此外，在TDD系統(tǒng)中，可以采用幀同步來(lái)控制時(shí)間間隔。從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)看，信道頻譜屏蔽和天線參數(shù)，如邊瓣標(biāo)準(zhǔn)和前后比率，在系統(tǒng)抗CCI干擾和ACI干擾的能力方面起著關(guān)鍵作用。
由于頻譜屏蔽比較重要，這里要說幾句。由于目前設(shè)計(jì)的點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)完全支持高階調(diào)制，因此比ETSI建議的系統(tǒng)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(tǒng)中都有簡(jiǎn)單的自適應(yīng)設(shè)備，這些設(shè)備都是最初為點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。盡管頻譜屏蔽可以滿足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(hù)系統(tǒng)，使系統(tǒng)不受ACI干擾的影響。頻譜屏蔽在點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)中從來(lái)就不是一個(gè)很重要的參數(shù)，因?yàn)橥ㄟ^角度隔離就可以基本上完全控制干擾。在傳輸鏈路的兩端，通過采用高增益、窄波束寬度的天線就可以實(shí)現(xiàn)角度隔離。但是，在點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心的收發(fā)信機(jī)可以在幾條不同的路徑上接收和發(fā)送信號(hào)。在這種類型的架構(gòu)中，必須考慮到將要發(fā)生的不相關(guān)衰落。這就要求對(duì)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(tǒng)中ETSI頻譜屏蔽的要求。

圖2 采用QPSK調(diào)制方案時(shí)ETSI頻譜屏蔽

圖3 采用64QAM調(diào)制方案時(shí)ETSI頻譜屏蔽

系統(tǒng)的相對(duì)復(fù)雜度
一般認(rèn)為，TDD微波無(wú)線系統(tǒng)比FDD微波無(wú)線系統(tǒng)簡(jiǎn)單。因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜度直接決定了系統(tǒng)成本，因此TDD系統(tǒng)成本較低。在FDD系統(tǒng)中，造成系統(tǒng)具有較大復(fù)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(hào)干擾十分敏感的接收機(jī)前端。若發(fā)送功率為+20dBm，接收機(jī)QPSK門限為-80dBm(假定噪聲功率約為-90dBm)，必須將間隔設(shè)計(jì)成大于110dB。在微波和毫米波段，當(dāng)頻譜分配要求發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間具有較小的頻率間隔時(shí)，滿足這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)將是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的難題。這些技術(shù)難題，再加上這些系統(tǒng)中濾波器的設(shè)計(jì)要求將大大增加FDD無(wú)線系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本價(jià)。
結(jié)語(yǔ)
TDD可以很容易地適應(yīng)任何類型的頻率分配方案。由于TDD系統(tǒng)架構(gòu)較簡(jiǎn)單，當(dāng)新的頻率分配方案出現(xiàn)時(shí)，很容易進(jìn)行重新設(shè)計(jì)且需要代價(jià)較小?！?/P>