TDD的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景

1、引言

時(shí)分雙工（TDD）是一種現(xiàn)代通信系統(tǒng)常用的雙工方式，在移動(dòng)通信系統(tǒng)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(tǒng)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)間來保證接收與發(fā)送信道的分離。而傳統(tǒng)的頻分雙工（FDD）方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)的接收和發(fā)送使用分離的兩個(gè)對(duì)稱頻率信道承載，用頻段來保證接收與發(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(tǒng)呈現(xiàn)出一定的獨(dú)有特點(diǎn)。例如頻率配置的便捷性，非對(duì)稱業(yè)務(wù)的相對(duì)靈活性和業(yè)務(wù)信道易于體現(xiàn)智能天線優(yōu)勢(shì)等。

目前，隨著以PHS、SCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等為代表的TDD方式移動(dòng)通信系統(tǒng)的陸續(xù)出現(xiàn)和發(fā)展，TDD相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)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方式在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中的地位等方面，分析采用TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。

2、TDD相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

2.1　智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)使用一組 天線和對(duì)應(yīng)的收發(fā)信機(jī)按照一定的方式進(jìn)行排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理產(chǎn)生具有較強(qiáng)方向性的輻射方向圖。智能天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤不同的期望用戶，提高用戶接收的信號(hào)功率，同時(shí)將賦形波束之外的非期望用戶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(tǒng)的容量，增加接收靈敏度。

20世紀(jì)90年代中期，世界各國(guó)開始考慮將智能天線技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。美國(guó)Arraycom公司在PHS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了智能天線；北京信威通信公司也成功開發(fā)使用智能天線技術(shù)的SCDMA無線通信系統(tǒng)。1998年中國(guó)向國(guó)際電聯(lián)提交的TD-SCDMA RTT建議就是第一次提出以智能天線為核心技術(shù)的CDMA通信系統(tǒng)。在WiMAX寬帶無線接入技術(shù)中，將智能天線作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)可選技術(shù)， 802.16e協(xié)議定義了專用流程來支持完全自適應(yīng)的波束賦形算法。

在TDD系統(tǒng)中，上下行鏈路使用相同頻率，且間隔時(shí)間較短，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，在賦形算法中可以近似使用相同權(quán)值。與之不同的是，由于 FDD系統(tǒng)上下行鏈路信號(hào)傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不同，根據(jù)上行鏈路計(jì)算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路。因而，TDD方式更能夠體現(xiàn)智能天線的優(yōu)勢(shì)。

但是智能天線在使用過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(tǒng)中，智能天線對(duì)每個(gè)用戶的上行信號(hào)均采用賦形波束，提高系統(tǒng)性能較為直接。但當(dāng)用戶僅處于接收狀態(tài)下，同時(shí)在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)（空閑狀態(tài)），基站無法預(yù)知用戶方位，必須使用全向波束進(jìn)行發(fā)射。

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

2.2　聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)

聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)是多用戶檢測(cè)技術(shù)的一種。傳統(tǒng)的CDMA系統(tǒng)信號(hào)分離方法是把MAI看作熱噪聲，將單個(gè)用戶信號(hào)看作是各自獨(dú)立的過程進(jìn)行分離。實(shí)際上，由于MAI中包含一定的先驗(yàn)信息，如已知的用戶信道碼和各用戶的信道估計(jì)等，因此MAI不應(yīng)該被當(dāng)作噪聲處理，它可以被利用起來以提高信號(hào)分離方法的準(zhǔn)確性。在采用TDD方式的TD-SCDMA系統(tǒng)中，幀結(jié)構(gòu)中專門設(shè)置了用于信道估計(jì)的訓(xùn)練序列，根據(jù)接收的訓(xùn)練序列信號(hào)和已知訓(xùn)練序列估算信道沖激響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合檢測(cè)算法。

通過聯(lián)合檢測(cè)算法，可以在一定程度上抑制干擾，擴(kuò)大容量，降低功控要求，削弱遠(yuǎn)近效應(yīng)。理論上說，聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)可以完全消除MAI的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，信道估計(jì)準(zhǔn)確性將直接影響到干擾消除的效果，同時(shí)，隨著處理信道數(shù)的增加，算法的復(fù)雜度指數(shù)也增加，如果進(jìn)一步考慮小區(qū)間干擾的抑制，實(shí)時(shí)算法將難以達(dá)到理論性能。

2.3　上下行時(shí)隙非對(duì)稱配置技術(shù)

在TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)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(duì)稱業(yè)務(wù)方面具有一定的靈活性。依據(jù)不同TDD系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過配置上下行業(yè)務(wù)時(shí)隙的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)需求下的數(shù)據(jù)傳送以滿足上下行非對(duì)稱業(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(duì)稱（上行3時(shí)隙/下行3時(shí)隙）和非對(duì)稱（上行1時(shí)隙/下行5時(shí)隙）的TDD幀結(jié)構(gòu)，其中TSO時(shí)隙是下行公共控制時(shí)隙。這種通過調(diào)整上下行時(shí)隙比例以滿足不同業(yè)務(wù)需求，提高無線資源利用率的技術(shù)，被稱為上下行非對(duì)稱時(shí)隙配置技術(shù)。而在使用FDD方式的系統(tǒng)中，非對(duì)稱業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)上行信道資源將存在一定的浪費(fèi)，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(duì)稱和非對(duì)稱業(yè)務(wù)的時(shí)隙分配方案

上下行非對(duì)稱時(shí)隙配置技術(shù)在為非對(duì)稱業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供一定靈活性的同時(shí)，對(duì)采用非對(duì)稱時(shí)隙的相鄰小區(qū)也帶來相互干擾問題，目前通常采用犧牲過渡帶小區(qū)時(shí)隙的方法加以規(guī)避，但過渡帶小區(qū)所處區(qū)域和數(shù)量的確定都會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的難度。

3、TDD方式的優(yōu)勢(shì)與風(fēng)險(xiǎn)

3.1　TDD方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）頻率配置相對(duì)便捷

隨著第三代移動(dòng)通信（IMT-2000）時(shí)代的到來，多媒體業(yè)務(wù)對(duì)于頻譜的需求日益增加。根據(jù)ITU的預(yù)測(cè)，至少需要380 MHz的頻率方能滿足第三代移動(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(tǒng)由于無需成對(duì)的頻率，因而便于配置在FDD系統(tǒng)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(guó)為TDD劃分了155 MHz的頻段（如圖3所示），為應(yīng)用TDD開展移動(dòng)通信創(chuàng)造了條件。

圖3　中國(guó)對(duì)移動(dòng)通信的頻率劃分

（2）對(duì)非對(duì)稱業(yè)務(wù)的支持相對(duì)靈活

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)以及未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，除了提供語音業(yè)務(wù)之外，數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)將成為主要內(nèi)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(duì)稱特性，如果用FDD方式提供，將會(huì)造成上行資源的部分浪費(fèi)。而在TDD方式移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通過調(diào)整時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，可提高下行時(shí)隙比例，從而具有一定的靈活性。當(dāng)然在改變時(shí)隙比例的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃必須解決相鄰非對(duì)稱時(shí)隙配置小區(qū)的干擾問題。

（3）射頻處理相對(duì)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(tǒng)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)，由于智能天線技術(shù)的引入，使用多個(gè)低功率功放代替大功率功放，節(jié)省了部分射頻成本。但是TDD系統(tǒng)制造成本的降低要真正轉(zhuǎn)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(guī)模化。

（4）技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

采用TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)上下行鏈路，工作于同一頻率，電波傳播的對(duì)稱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)的智能天線等新技術(shù)。

（5）業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)

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

3.2　TDD方式的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

（1）支持用戶高速移動(dòng)的能力風(fēng)險(xiǎn)

在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，ITU要求TDD方式系統(tǒng)移動(dòng)速度達(dá)到120 km/h，而FDD系統(tǒng)移動(dòng)速度要求達(dá)到500 km/h，主要是因?yàn)镕DD系統(tǒng)和TDD系統(tǒng)存在連續(xù)和非連續(xù)傳輸?shù)牟町悺Ｔ诟咚僖苿?dòng)時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)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(duì)TDD方式的系統(tǒng)具有更大的影響，因此TDD系統(tǒng)在支持高速移動(dòng)特性的終端實(shí)現(xiàn)方面存在一定的挑戰(zhàn)。

（2）系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間干擾風(fēng)險(xiǎn)

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

TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)于空閑狀態(tài)下的用戶，必須使用智能天線進(jìn)行全向賦形，由于干擾抑制作用的減弱，相鄰小區(qū)的下行控制信道信號(hào)將會(huì)相互干擾，特別是在采用復(fù)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(xiàn)象。同時(shí)，不同TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)鄰頻配置時(shí)，由于幀結(jié)構(gòu)的差異，基站間和終端間干擾易于發(fā)生。

為了避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，可能需要預(yù)留較大的保護(hù)帶，從而影響整體頻譜利用效率。

（3）全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)

除了PHS系統(tǒng)之外，WiMAX以及TD-SCDMA等采用TDD方式的系統(tǒng)，尚處于規(guī)模試驗(yàn)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(tǒng)，在產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、商用經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)際漫游方面存在一定挑戰(zhàn)。因?yàn)镕DD系統(tǒng)已占有龐大的市場(chǎng)份額，并具有其長(zhǎng)期壟斷經(jīng)營(yíng)形成的優(yōu)勢(shì)，如用戶的認(rèn)知、技術(shù)成熟和有效分布的基礎(chǔ)設(shè)施等。

4、TDD在IMT-Advanced中的作用

在國(guó)際電信聯(lián)盟的積極推動(dòng)下，世界各國(guó)已就移動(dòng)通信的遠(yuǎn)景目標(biāo)達(dá)成基本共識(shí)。同IMT-2000等已有數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，IMT- Advanced系統(tǒng)將具有更高的數(shù)據(jù)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(tǒng)應(yīng)能支持非對(duì)稱性業(yè)務(wù)和更多的業(yè)務(wù)類型，同時(shí)應(yīng)體現(xiàn)移動(dòng)與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)。隨著2007年世界無線電大會(huì)對(duì)IMT-Advanced使用頻譜的指定，下一代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的序幕將由此拉開，而今后幾年將是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)形成的關(guān)鍵時(shí)期。

ITU-R對(duì)IMT-Advanced系統(tǒng)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(tǒng)使用頻段在內(nèi)，依然存在500 MHz～1 GHz的頻譜需求。考慮到與已有無線系統(tǒng)共存干擾以及不同國(guó)家自身的利益問題，在適宜移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的3 GHz以下頻段，協(xié)調(diào)出相應(yīng)頻率進(jìn)行整體分配，存在較大的難度。因而，對(duì)于IMT-Advanced系統(tǒng)而言，頻率的使用具有零散化的趨勢(shì)，這必將對(duì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)方案的制定提出更高的要求。

單從技術(shù)方面考慮，隨著下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)帶寬要求的提高以及頻率分配的零散化趨勢(shì)，基于TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于具有頻譜配置和支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)方面的相對(duì)靈活性，相應(yīng)的技術(shù)方案在IMT-Advanced競(jìng)爭(zhēng)中將具有一定優(yōu)勢(shì)。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(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)組織以及設(shè)備廠商中，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(qiáng)調(diào)兼容性的增強(qiáng)型3G（E3G）平滑演進(jìn)版本，為TD-SCDMA系統(tǒng)提供性能提升的方案；TDD-OFDM方案則作為強(qiáng)調(diào)性能提升的全新版本，為TD-SCDMA系統(tǒng)向下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

以WiMAX為代表的寬帶無線接入系統(tǒng)，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(biāo)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(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

5、結(jié)束語

通過上述分析可以看出，由于TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)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(duì)稱業(yè)務(wù)方面具有相對(duì)的靈活性。隨著下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)帶寬要求的提高以及頻率分配的零散化趨勢(shì)，TDD方式的移動(dòng)通信系統(tǒng)在IMT-Advanced技術(shù)方案的競(jìng)爭(zhēng)中將具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但也要清楚地認(rèn)識(shí)到，TDD方式仍存在著不足之處，以TD-SCDMA和移動(dòng)WiMAX為代表的移動(dòng)通信系統(tǒng)，目前尚處于規(guī)模試驗(yàn)和初步商用階段，如果能夠進(jìn)行融合，取長(zhǎng)補(bǔ)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方式解決以語音為主和以數(shù)據(jù)為主的通信需求不失為一種好的解決方案。