TDD

TDD的起源

　　2000年5月5日，在土耳其舉行的ITU-R全會上，通過了包括中國提案在內(nèi)的五種無線傳輸技術(shù)的規(guī)范，其中三種基于CDMA技術(shù)，兩種基于TDMA技術(shù)。
        (1)基于CDMA的技術(shù)規(guī)范
　　IMT-2000CDMA DS(WCDMA、cdma2000 DS) IMT-2000 CDMA TDD(TD-SCDMA、TD-CDMA )
　　(2)基于TDMA技術(shù)的技術(shù)規(guī)范
　　IMT-2000 CDMA SC(uwc 136) IMT-2000 TDMA MC(DECT)
　　由于TDMA技術(shù)不是第三代移動通信的主流技術(shù)，所以TDMA SC和TDMA MC只作為區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)，用于IS-136和DECT系統(tǒng)的升級。
　　基于CDMA技術(shù)的三種RTT技術(shù)規(guī)范是第三代移動通信的主流技術(shù)，也稱為一個家庭，三個成員。CDMA DS和CDMA MC是頻分雙工模式(FDD)，CDMA TDD是時分雙工模式(TDD)，ITU-R為3G的FDD模式和TDD模式劃分了獨立的頻段，在將來的組網(wǎng)上，TDD模式和FDD模式將共存于3G網(wǎng)絡(luò)。
　　特點
　　TDD(Time Division Duplexing)時分雙工技術(shù)，在移動通信技術(shù)使用的雙工技術(shù)之一，與FDD相對應(yīng)。
　　在TDD模式的移動通信系統(tǒng)中，接收和傳送在同一頻率信道(即載波)的不同時隙，用保證時間來分離接收和傳送信道。該模式在不對稱業(yè)務(wù)中有著不可比擬的靈活性，TD-SCDMA只需一個不對稱頻段的頻率分配，其每載波為1.6MHz。由于每RC內(nèi)時域上下行切換的切換點可靈活變動，所以對于對稱業(yè)務(wù)(語音和多媒體等)和不對稱業(yè)務(wù)(包交換和因特網(wǎng)等)，可充分利用無線頻譜。
　　TDD系統(tǒng)有如下特點：
　　(1)不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源，適用于不對稱的上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，特別適用于IP型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；
　　(2)上下行工作于同一頻率，電波傳播的對稱特性使之便于使
　　(3)設(shè)備成本較低，比FDD系統(tǒng)低20%-50%。用智能天線等新技術(shù)，達(dá)到提高性能、降低成本的目的；
　　ITU要求TDD系統(tǒng)移動速度達(dá)到120km/h，要求FDD系統(tǒng)移動速度達(dá)到500km/h。FDD是連續(xù)控制的系統(tǒng)，TDD是時間分隔控制的系統(tǒng)。在高速移動時，多普勒效應(yīng)會導(dǎo)致快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深。在目前芯片處理速度和算法的基礎(chǔ)上，當(dāng)數(shù)據(jù)率為144kb/s時，TDD的最大移動速度可達(dá)250km/h，與FDD系統(tǒng)相比，還有一定差距。
　　在TDD模式的移動通信系統(tǒng)中，基站到移動臺之間的上行和下行通信使用同一頻率信道(即載波)的不同時隙，用時間來分離接收和傳送信道，某個時間段由基站發(fā)送信號給移動臺，另外的時間由移動臺發(fā)送信號給基站。基站和移動臺之間必須協(xié)同一致才能順利工作。
　　FDD模式的特點是在分離的兩個對稱頻率信道上，進(jìn)行接收和傳送，用保證頻段來分離接收和傳送信道。某些系統(tǒng)中上下行頻率間隔可以達(dá)到190MHz。
　　與FDD相比，TDD具有一些獨到的優(yōu)勢，也有一些明顯的不足。

TDD的優(yōu)勢

技術(shù)優(yōu)勢

　?。?）使用TDD技術(shù)時，只要基站和移動臺之間的上下行時間間隔不大，小于信道相干時間，就可以比較簡單的根據(jù)對方的信號估計信道特征。而對于一般的FDD技術(shù)，一般的上下行頻率間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道相干帶寬，幾乎無法利用上行信號估計下行，也無法用下行信號估計上行；這一特點使得TDD方式的移動通信體制在功率控制以及智能天線技術(shù)的使用方面有明顯的優(yōu)勢。
　?。?）TDD技術(shù)可以靈活的設(shè)置上行和下行轉(zhuǎn)換時刻，用于實現(xiàn)不對稱的上行和下行業(yè)務(wù)帶寬，有利于實現(xiàn)明顯上下行不對稱的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。但是，這種轉(zhuǎn)換時刻的設(shè)置必須與相鄰基站協(xié)同進(jìn)行。
　?。?）與FDD相比，TDD可以使用零碎的頻段，因為上下行由時間區(qū)別，不必要求帶寬對稱的頻段。
　?。?）TDD技術(shù)不需要收發(fā)隔離器，只需要一個開關(guān)即可。
　?。?）更高的頻譜利用率
　　第三代移動通信系統(tǒng)的頻段是在2GHz范圍，但分配給公共陸地移動通信系統(tǒng)使用的頻譜為155 MHz，僅為整個2GHz頻段的7%，這樣希望的帶寬也僅相當(dāng)于一個2GHz寬帶電纜的7%。面對日益高速增長和擴(kuò)展的移動業(yè)務(wù)，第三代系統(tǒng)的首要要求是更高的頻譜利用率。TDD模式具有更高的頻譜利用率主要是因為只有TDD模式能利用非對稱頻段，以及提供同樣速率的業(yè)務(wù)時TDD模式占用的帶寬較FDD模式少。
　?。?）功率控制要求降低
　　在FDD模式的CDMA移動通信系統(tǒng)中，為減少同道干擾，每個移動臺必須在保證可接收性能的前提下以最低功率傳送信息，這需要很精確的功率控制；同時為克服所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)，需要快速高效的功率控制；另外上下行鏈路的衰落因子是不相關(guān)的，這需要用閉環(huán)功率控制。所以FDD模式的CDMA移動通信系統(tǒng)對功率控制極其敏感，功率控制的失敗會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的系統(tǒng)容量下降。但對TDD模式的CDMA移動通信系統(tǒng)，上下行鏈路的衰落因子是相關(guān)的，僅需開環(huán)功率控制即可。
　　（7）預(yù)選擇天線分集
　　在移動通信系統(tǒng)中廣泛采用分集結(jié)合技術(shù)來縮短信道的衰落周期。對選擇性分集，接收機(jī)通過測量相互獨立的路徑來選擇最好的路徑接收信號電平，以提高接收性能，但接收機(jī)的復(fù)雜性也相應(yīng)提高了。在這種情況下，基站能容忍復(fù)雜性的提高，而手持機(jī)則不行，此時天線（空間）分集是為手持機(jī)提供分集接收的僅有方法。
　　根據(jù)TDD模式原理，基于TDD模式系統(tǒng)的上下行鏈路的衰落是相同的，基站通過測量它從每個天線接收到的上行鏈路信號功率估計最強(qiáng)的路徑，從而估計和選擇最好的天線用于下行鏈路下一幀的傳送。這樣手持機(jī)可在不增加復(fù)雜性的情況下，借助基站的天線分集設(shè)備實現(xiàn)預(yù)選擇天線分集，使接收性能得以改進(jìn)。
　?。?）預(yù)RAKE結(jié)合分集
　　CDMA系統(tǒng)的一個重要特點之一是在多徑環(huán)境利用RAKE接收機(jī)取得多徑分集增益。RAKE接收機(jī)是由多路相關(guān)器組成，每一路都跟蹤一路信號、估計脈沖響應(yīng)，然后加權(quán)合并后作為RAKE接收機(jī)輸出，因加權(quán)因子與各路信號的信噪比成正比，所以充分利用了多徑信號能量，取得多徑分集增益，但需要相當(dāng)?shù)男盘柼幚砉ぷ骱凸β氏摹?br />　　FDD系統(tǒng)的基站和手持機(jī)都需要多路相關(guān)器并估計信道的脈沖響應(yīng)，這對手持機(jī)是不理想的。而由于TDD系統(tǒng)上下行信道的脈沖響應(yīng)在一個時間周期內(nèi)是相同的，于是僅基站需要估計上行信道的脈沖響應(yīng)，然后將預(yù)RAKE信號傳送到手持機(jī)，手持機(jī)用一個匹配濾波器就行了。
　　對手持機(jī)來說RAKE接收機(jī)結(jié)合處理不僅增強(qiáng)了有用信號也增強(qiáng)了干擾，但預(yù)RAKE處理沒有這種情況，因此TDD系統(tǒng)的預(yù)RAKE性能比FDD的RAKE性能還好一些。
　　（9）智能天線分集
　　在基于TDD模式的TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的基站中采用了智能天線技術(shù)。一個智能天線系統(tǒng)由一個多天線陣、相干接收機(jī)和高級數(shù)字信號處理算法組成。與僅有一個固定波束的傳統(tǒng)天線比較，智能天線能有效地形成多波束賦型，每一個波束指向一個特定的用戶且能自適應(yīng)地跟蹤任何移動用戶。如此特點使得在接收邊實現(xiàn)空間選擇性分集，提高了接收靈敏度、減少了不同位置的同道用戶的同道干擾、抵消了多徑衰落和增加了上行容量。在發(fā)送邊，智能的空間選擇波束成型傳送降低了輸出功率要求、減少了同道干擾和提高了下行容量。
　　（10）低功耗袖珍多模式終端
　　低功耗袖珍多模式終端不僅給移動用戶帶來通信與攜帶的方便，也使購買與使用成本降低，這是未來移動通信系統(tǒng)的必然要求和追求的目標(biāo)。TDD模式系統(tǒng)具有上下行信道的互惠性，對功率控制的要求相對較低，實現(xiàn)預(yù)選擇天線分集、預(yù)RAKE結(jié)合分集和智能天線分集等技術(shù)，使得TDD模式的終端可以與基站共用一些設(shè)備，配置比FDD模式終端更少的功能單元，從而更容易實現(xiàn)低功耗袖珍多模式終端。
　?。?1）具有競爭優(yōu)勢的基站設(shè)備成本
　　具有競爭優(yōu)勢的基站設(shè)備成本可以從兩方面來分析：一方面，TDD模式移動通信系統(tǒng)的頻譜利用率高，同樣帶寬可提供更多的移動用戶和更大的容量，降低了移動通信系統(tǒng)運營商提供同樣業(yè)務(wù)對基站的投資；另一方面，TDD模式的移動通信系統(tǒng)具有上下行信道的互惠性，基站的接收和發(fā)送可以共用一些電子設(shè)備，從而降低了基站的制造成本?？梢姡琓DD模式的基站設(shè)備無論對運營商還是對制造商都有競爭優(yōu)勢。
 

應(yīng)用優(yōu)勢

　　TDD在3G中的優(yōu)勢有以下幾點：1．第三代移動通信系統(tǒng)的頻譜
　　國際無委會為第三代移動通信系統(tǒng)分配的頻譜如下：
　　A．1 885～1 900 MHz：在歐洲被DECT占用；
　　B．1 900～1 920 MHz：TDD公共陸地移動通信頻段；
　　C．1 920～1 980 MHz：FDD公共陸地移動通信頻段；
　　D．1 980～2 010 MHz：FDD衛(wèi)星通信頻段；
　　F．2 010～2 025 MHz：TDD公共陸地移動通信頻段；
　　G．2 110～2 170 MHz：FDD公共陸地移動通信頻段；
　　H．2 170～2 200 MHz：FDD衛(wèi)星通信頻段。
　　目前，已有歐洲和日本決定采用這個頻段分配，中國基本遵循國際無委會的頻段分配，不同的是：
　　A．1 880～1 900 MHz 分配給FDD的WLL系統(tǒng)；
　　B．1 900～1 920 MHz 分配給TDD的WLL系統(tǒng)，日本分配給PHS系統(tǒng)；
　　I．1 785～1 805MHz 分配給TD-SCDMA系統(tǒng)，即中國第三代TDD移動通信系統(tǒng)。
　　其中，B或I，F(xiàn)兩個頻段是不對稱的，F(xiàn)DD模式無法使用，因此只有采用TDD模式的移動通信系統(tǒng)才能充分利用第三代的所有頻段。
　　2．業(yè)務(wù)方面
　　第二代移動通信系統(tǒng)主要面向話音業(yè)務(wù)，而第三代移動通信系統(tǒng)除了提供話音外、還可以提供數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)。由于Internet、文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)常常上下行容量不對稱，因此如果用FDD模式提供這些業(yè)務(wù)，或者會造成下行資源的浪費，或者需通過十分復(fù)雜的控制措施來改善這種浪費現(xiàn)象。而TDD模式上下行信道不固定，可以通過調(diào)整時隙交換點很方便地動態(tài)分配上下行信道的容量，因此用于非對稱業(yè)務(wù)的通信是很理想的。
　　3．覆蓋方面
　　理論研究和現(xiàn)場實驗均證明，TDD模式的移動通信系統(tǒng)適合于微小區(qū)、業(yè)務(wù)量繁忙、上下行業(yè)務(wù)不對稱且低速移動性的環(huán)境。因此從移動通信的覆蓋規(guī)劃來看，TDD模式的系統(tǒng)與FDD模式的系統(tǒng)可以互相補充，相得益彰。在提交的第三代移動通信系統(tǒng)RTT草案中也反映出這種情況。
　　4．上下行信道的互惠性
　　由于多徑傳播導(dǎo)致的快衰落現(xiàn)象依賴于傳輸頻率，在FDD模式的移動通信系統(tǒng)中上下行信道處于不同的頻段，上下行信道之間是不相關(guān)的，這樣FDD傳送器不能預(yù)測快衰落對傳輸?shù)挠绊?。在TDD模式的移動通信系統(tǒng)中，上下行信道用同樣的頻率，基于接收信號，TDD傳送器能知道多徑信道的快衰落。這種上下行信道的互惠性可以降低移動臺與基站設(shè)備的復(fù)雜性，從而降低成本和減少功耗。
 

TDD的不足

　　1．干擾問題
　　TDD模式的CDMA移動通信系統(tǒng)的干擾問題主要包括上下行鏈路之間的干擾，不同運營者之間的干擾和來自功率脈沖的干擾。
　　上下行鏈路之間的干擾分為小區(qū)內(nèi)上下行鏈路之間的干擾和小區(qū)間上下行鏈路之間的干擾。前者是因為在一個小區(qū)內(nèi)用戶間的同步受到破壞或上下行鏈路的時間分配不平衡。對于后者，非對稱的TDD時隙將影響鄰近小區(qū)的無線資源并導(dǎo)致小區(qū)間的上下行鏈路干擾，另外高功率的基站會阻塞鄰近小區(qū)的基站接收本小區(qū)的終端，處在小區(qū)邊界的高功率終端也會阻塞鄰近小區(qū)的具有不同時隙分配的終端。
　　當(dāng)同一地理環(huán)境有幾個運營商用同一TDD 頻率時，由于基站之間的同步問題以及上下行鏈路之間非對稱的動態(tài)分配，不同運營者之間會發(fā)生干擾，這是TDD模式所特有的。
　　來自功率脈沖的干擾是由于短的TDD幀的短傳輸時間，以及為了袖珍的語音終端設(shè)計在終端內(nèi)部的設(shè)備之間的脈沖傳輸。
　　2．同步要求高
　　由于基站不能同時接收和發(fā)送，移動終端的傳送必須在基站停止發(fā)送時開始，這意味著同一小區(qū)內(nèi)的不同用戶之間，用戶與基站之間需嚴(yán)格同步，后一同步破壞會發(fā)生通信阻塞，前一同步破壞將導(dǎo)致嚴(yán)重干擾，這是FDD的CDMA移動通信系統(tǒng)所沒有的問題。
　　另外，因為小區(qū)之間和不同操作者之間的干擾問題，鄰近小區(qū)的基站之間要求是同步的，并且一般是符號級的精確同步。這樣的同步要求在基站有GPS接收機(jī)或公共的分布式時鐘，這些都增加了移動蜂窩網(wǎng)的費用。
　　3．移動速度受限
　　對于TDD模式的CDMA移動通信系統(tǒng)，上下行鏈路利用同一頻率，根據(jù)接收信號TDD發(fā)射機(jī)能知道多徑信道的快衰落，這給TDD模式的系統(tǒng)帶來許多優(yōu)勢，但這是基于TDD幀長比相干時間短的前提。因為TDD幀很短，導(dǎo)致移動速度受到限制，所以通常人們認(rèn)為TDD模式適合于室內(nèi)、低速移動的微小區(qū)環(huán)境。
　　應(yīng)該指出的是，已有研究顯示TDD模式的移動通信系統(tǒng)在結(jié)合智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)后可以用于高速移動的環(huán)境，在中國目前開發(fā)的第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA中采用了這個方案，模擬結(jié)果顯示了較好的性能。