TDD的關鍵技術及其應用前景

1、引言

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

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方式的移動通信系統呈現出一定的獨有特點。例如頻率配置的便捷性，非對稱業務的相對靈活性和業務信道易于體現智能天線優勢等。

目前，隨著以PHS、SCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等為代表的TDD方式移動通信系統的陸續出現和發展，TDD相關技術的研究和應用也日益受到重視。本文將從TDD方式的相關技術、優缺點以及TDD方式在未來移動通信系統中的地位等方面，分析采用TDD方式的移動通信系統的特點與發展趨勢。

2、TDD相關關鍵技術

2.1　智能天線技術

智能天線技術使用一組 天線和對應的收發信機按照一定的方式進行排列和激勵，利用波的干涉原理產生具有較強方向性的輻射方向圖。智能天線以多個高增益窄波束動態地跟蹤不同的期望用戶，提高用戶接收的信號功率，同時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），提高通信系統的容量，增加接收靈敏度。

20世紀90年代中期，世界各國開始考慮將智能天線技術應用于移動通信系統。美國Arraycom公司在PHS系統中實現了智能天線；北京信威通信公司也成功開發使用智能天線技術的SCDMA無線通信系統。1998年中國向國際電聯提交的TD-SCDMA RTT建議就是第一次提出以智能天線為核心技術的CDMA通信系統。在WiMAX寬帶無線接入技術中，將智能天線作為系統實現的一項可選技術， 802.16e協議定義了專用流程來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，且間隔時間較短，鏈路無線傳播環境差異不大，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線環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的優勢。

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方式的移動通信系統中，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，提高系統性能較為直接。但當用戶僅處于接收狀態下，同時在基站覆蓋區域內移動時（空閑狀態），基站無法預知用戶方位，必須使用全向波束進行發射。

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

2.2　聯合檢測技術

聯合檢測技術是多用戶檢測技術的一種。傳統的CDMA系統信號分離方法是把MAI看作熱噪聲，將單個用戶信號看作是各自獨立的過程進行分離。實際上，由于MAI中包含一定的先驗信息，如已知的用戶信道碼和各用戶的信道估計等，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，幀結構中專門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現聯合檢測算法。

通過聯合檢測算法，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，聯合檢測技術可以完全消除MAI的影響，但在實際應用中，信道估計準確性將直接影響到干擾消除的效果，同時，隨著處理信道數的增加，算法的復雜度指數也增加，如果進一步考慮小區間干擾的抑制，實時算法將難以達到理論性能。

2.3　上下行時隙非對稱配置技術

在TDD方式的移動通信系統中，接收和發送使用同一頻率的不同時隙，因此在支持不對稱業務方面具有一定的靈活性。依據不同TDD系統幀結構的特點，通過配置上下行業務時隙的數量，可以實現不同業務需求下的數據傳送以滿足上下行非對稱業務的需求，如瀏覽網頁、視頻點播等。圖2給出了對稱（上行3時隙/下行3時隙）和非對稱（上行1時隙/下行5時隙）的TDD幀結構，其中TSO時隙是下行公共控制時隙。這種通過調整上下行時隙比例以滿足不同業務需求，提高無線資源利用率的技術，被稱為上下行非對稱時隙配置技術。而在使用FDD方式的系統中，非對稱業務的實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。

圖2　對稱和非對稱業務的時隙分配方案

上下行非對稱時隙配置技術在為非對稱業務的實現提供一定靈活性的同時，對采用非對稱時隙的相鄰小區也帶來相互干擾問題，目前通常采用犧牲過渡帶小區時隙的方法加以規避，但過渡帶小區所處區域和數量的確定都會加大網絡規劃的難度。

3、TDD方式的優勢與風險

3.1　TDD方式的技術優勢

（1）頻率配置相對便捷

隨著第三代移動通信（IMT-2000）時代的到來，多媒體業務對于頻譜的需求日益增加。根據ITU的預測，至少需要380 MHz的頻率方能滿足第三代移動通信在全世界的使用。由于頻譜資源的緊張，采用TDD方式的移動通信系統由于無需成對的頻率，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TDD劃分了155 MHz的頻段（如圖3所示），為應用TDD開展移動通信創造了條件。

圖3　中國對移動通信的頻率劃分

（2）對非對稱業務的支持相對靈活

在第三代移動通信系統以及未來的移動通信系統中，除了提供語音業務之外，數據和多媒體業務將成為主要內容。由于上網、文件傳輸和多媒體業務通常具有上下行不對稱特性，如果用FDD方式提供，將會造成上行資源的部分浪費。而在TDD方式移動通信系統中，通過調整時隙轉換點，可提高下行時隙比例，從而具有一定的靈活性。當然在改變時隙比例的同時，網絡規劃必須解決相鄰非對稱時隙配置小區的干擾問題。

（3）射頻處理相對簡化，存在降低制造成本的可能

TDD方式的移動通信系統具有上下行信道一致的特點，基站的接收和發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，由于智能天線技術的引入，使用多個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成本的降低，依然需要產業發展和市場拓展的規模化。

（4）技術優勢明顯

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

（5）業務優勢

TD-SCDMA系統依靠其技術本身的優勢，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，這使得TD-SCDMA系統在差異化業務提供能力方面。具有得天獨厚的優勢。從理論上說，定位和非對稱業務（如視頻監視等）應該是TDD的特色業務。

3.2　TDD方式的技術風險

（1）支持用戶高速移動的能力風險

在第三代移動通信系統中，ITU要求TDD方式系統移動速度達到120 km/h，而FDD系統移動速度要求達到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。在高速移動時，多普勒效應會導致快衰落，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特性的終端實現方面存在一定的挑戰。

（2）系統內和系統間干擾風險

TDD方式收發信道同頻，無法借助頻率選擇性進行干擾隔離，可能對組網電磁兼容性能不利。

TDD方式的移動通信系統，對于空閑狀態下的用戶，必須使用智能天線進行全向賦形，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相互干擾，特別是在采用復用因子較低的組網方式時可能會產生接入困難和切換失敗等現象。同時，不同TDD方式的移動通信系統鄰頻配置時，由于幀結構的差異，基站間和終端間干擾易于發生。

為了避免與其他無線系統之間的干擾，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）全球范圍內的產業鏈風險

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方式的移動通信系統，在產業鏈發展、商用經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份額，并具有其長期壟斷經營形成的優勢，如用戶的認知、技術成熟和有效分布的基礎設施等。

4、TDD在IMT-Advanced中的作用

在國際電信聯盟的積極推動下，世界各國已就移動通信的遠景目標達成基本共識。同IMT-2000等已有數字移動通信系統相比，IMT- Advanced系統將具有更高的數據速率（下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s）、更好的業務質量（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性業務和更多的業務類型，同時應體現移動與無線接入網和IP網絡不斷融合的發展趨勢。隨著2007年世界無線電大會對IMT-Advanced使用頻譜的指定，下一代移動通信技術標準和產業發展的序幕將由此拉開，而今后幾年將是技術標準形成的關鍵時期。

ITU-R對IMT-Advanced系統在2020年之前的頻譜需求進行了分析，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。考慮到與已有無線系統共存干擾以及不同國家自身的利益問題，在適宜移動通信系統使用的3 GHz以下頻段，協調出相應頻率進行整體分配，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通信系統技術方案的制定提出更高的要求。

單從技術方面考慮，隨著下一代移動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方式的移動通信系統，由于具有頻譜配置和支持非對稱業務方面的相對靈活性，相應的技術方案在IMT-Advanced競爭中將具有一定優勢。因而，基于TD D方式的技術研究，在世界許多重要的科研機構、標準組織以及設備廠商中，日益受到重視。在3GPP中，TDD方式正在向多載波TD-SCDMA和TDD-OFDM兩個方向進行演進。多載波TD- SCDMA方案作為一個強調兼容性的增強型3G（E3G）平滑演進版本，為TD-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TD-SCDMA系統向下一代移動通信系統演進奠定基礎。

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

5、結束語

通過上述分析可以看出，由于TDD方式的移動通信系統上下行鏈路工作于同一頻率，因而在頻譜配置、新技術使用和支持非對稱業務方面具有相對的靈活性。隨著下一代移動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方式的移動通信系統在IMT-Advanced技術方案的競爭中將具有較強的優勢。但也要清楚地認識到，TDD方式仍存在著不足之處，以TD-SCDMA和移動WiMAX為代表的移動通信系統，目前尚處于規模試驗和初步商用階段，如果能夠進行融合，取長補短，必將進一步加快發展步伐。

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據為主的通信需求不失為一種好的解決方案。