TDD的关键技术及其应用前景

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摘要  本文从时分双工（TDD）方式的相关关键技术、优缺点以及在未来移动通信系统中的地位等方面，对采用TDD方式的移动通信系统的特点与发展趋势进行了深入分析，并给出了一些发展建议。
1、引言
    时分双工（TDD）是一种现代通信系统常用的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与发送信道（或上下行链路）。如图1所示，在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，用时间来保证接收与发送信道的分离。而传统的频分双工（FDD）方式的移动通信系统的接收和发送使用分离的两个对称频率信道承载，用频段来保证接收与发送信道的分离。

图1　TDD和FDD的工作原理

    由于TDD方式中上下行信道使用同样的频率，上下行信道具有互惠性，从而使TDD方式的移动通信系统呈现出一定的独有特点。例如频率配置的便捷性，非对称业务的相对灵活性和业务信道易于体现智能天线优势等。
    目前，随着以PHS、SCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等为代表的TDD方式移动通信系统的陆续出现和发展，TDD相关技术的研究和应用也日益受到重视。本文将从TDD方式的相关技术、优缺点以及TDD方式在未来移动通信系统中的地位等方面，分析采用TDD方式的移动通信系统的特点与发展趋势。
2、TDD相关关键技术
    2.1　智能天线技术
    智能天线技术使用一组天线和对应的收发信机按照一定的方式进行排列和激励，利用波的干涉原理产生具有较强方向性的辐射方向图。智能天线以多个高增益窄波束动态地跟踪不同的期望用户，提高用户接收的信号功率，同时将赋形波束之外的非期望用户受到的干扰加以抑制，从而在一定程度上降低多址干扰（MAI），提高通信系统的容量，增加接收灵敏度。
    20世纪90年代中期，世界各国开始考虑将智能天线技术应用于移动通信系统。美国Arraycom公司在PHS系统中实现了智能天线；北京信威通信公司也成功开发使用智能天线技术的SCDMA无线通信系统。1998年中国向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。在WiMAX宽带无线接入技术中，将智能天线作为系统实现的一项可选技术，802.16e协议定义了专用流程来支持完全自适应的波束赋形算法。
    在TDD系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，链路无线传播环境差异不大，在赋形算法中可以近似使用相同权值。与之不同的是，由于FDD系统上下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不同，根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。因而，TDD方式更能够体现智能天线的优势。
    但是智能天线在使用过程中依然存在诸多的限制。在采用TDD方式的移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能较为直接。但当用户仅处于接收状态下，同时在基站覆盖区域内移动时（空闲状态），基站无法预知用户方位，必须使用全向波束进行发射。
    此外，必须在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间进行折中。目前的实用智能天线算法还难以解决时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，将智能天线和其他抗干扰的技术结合使用，才可能达到更好的效果。另外，智能天线的性能随天线阵元数目的增加而增强，但是增加天线阵元的数量，必将提高系统的复杂性，特别是在较低频段工作时。巨大的智能天线重量将会给工程施工带来麻烦。
    2.2　联合检测技术
    联合检测技术是多用户检测技术的一种。传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声，将单个用户信号看作是各自独立的过程进行分离。实际上，由于MAI中包含一定的先验信息，如已知的用户信道码和各用户的信道估计等，因此MAI不应该被当作噪声处理，它可以被利用起来以提高信号分离方法的准确性。在采用TDD方式的TD-SCDMA系统中，帧结构中专门设置了用于信道估计的训练序列，根据接收的训练序列信号和已知训练序列估算信道冲激响应可以实现联合检测算法。
    通过联合检测算法，可以在一定程度上抑制干扰，扩大容量，降低功控要求，削弱远近效应。理论上说，联合检测技术可以完全消除MAI的影响，但在实际应用中，信道估计准确性将直接影响到干扰消除的效果，同时，随着处理信道数的增加，算法的复杂度指数也增加，如果进一步考虑小区间干扰的抑制，实时算法将难以达到理论性能。
    2.3　上下行时隙非对称配置技术
    在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率的不同时隙，因此在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。依据不同TDD系统帧结构的特点，通过配置上下行业务时隙的数量，可以实现不同业务需求下的数据传送以满足上下行非对称业务的需求，如浏览网页、视频点播等。图2给出了对称（上行3时隙/下行3时隙）和非对称（上行1时隙/下行5时隙）的TDD帧结构，其中TSO时隙是下行公共控制时隙。这种通过调整上下行时隙比例以满足不同业务需求，提高无线资源利用率的技术，被称为上下行非对称时隙配置技术。而在使用FDD方式的系统中，非对称业务的实现对上行信道资源将存在一定的浪费，必须采用高速分组接入（HSPA）、EV-DO和广播/组播等技术。

图2　对称和非对称业务的时隙分配方案

    上下行非对称时隙配置技术在为非对称业务的实现提供一定灵活性的同时，对采用非对称时隙的相邻小区也带来相互干扰问题，目前通常采用牺牲过渡带小区时隙的方法加以规避，但过渡带小区所处区域和数量的确定都会加大网络规划的难度。
3、TDD方式的优势与风险
    3.1　TDD方式的技术优势
     （1）频率配置相对便捷
     随着第三代移动通信（IMT-2000）时代的到来，多媒体业务对于频谱的需求日益增加。根据ITU的预测，至少需要380 MHz的频率方能满足第三代移动通信在全世界的使用。由于频谱资源的紧张，采用TDD方式的移动通信系统由于无需成对的频率，因而便于配置在FDD系统所不易使用的更低频段的零散频段上，具有一定的频谱灵活性。
     中国为TDD划分了155 MHz的频段（如图3所示），为应用TDD开展移动通信创造了条件。

图3　中国对移动通信的频率划分

     （2）对非对称业务的支持相对灵活
     在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中，除了提供语音业务之外，数据和多媒体业务将成为主要内容。由于上网、文件传输和多媒体业务通常具有上下行不对称特性，如果用FDD方式提供，将会造成上行资源的部分浪费。而在TDD方式移动通信系统中，通过调整时隙转换点，可提高下行时隙比例，从而具有一定的灵活性。当然在改变时隙比例的同时，网络规划必须解决相邻非对称时隙配置小区的干扰问题。
     （3）射频处理相对简化，存在降低制造成本的可能
     TDD方式的移动通信系统具有上下行信道一致的特点，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本，同时，由于智能天线技术的引入，使用多个低功率功放代替大功率功放，节省了部分射频成本。但是TDD系统制造成本的降低要真正转化为市场成本的降低，依然需要产业发展和市场拓展的规模化。
     （4）技术优势明显
     采用TDD方式的移动通信系统上下行链路，工作于同一频率，电波传播的对称特性使之在降低功率控制要求的同时，更便于使用与信道估值密切相关的智能天线等新技术。
     （5）业务优势
     TD-SCDMA系统依靠其技术本身的优势，应该具有较低的成本、较高的频谱利用率、灵活的上下行设置等特点，这使得TD-SCDMA系统在差异化业务提供能力方面。具有得天独厚的优势。从理论上说，定位和非对称业务（如视频监视等）应该是TDD的特色业务。
    3.2　TDD方式的技术风险
     （1）支持用户高速移动的能力风险
     在第三代移动通信系统中，ITU要求TDD方式系统移动速度达到120 km/h，而FDD系统移动速度要求达到500 km/h，主要是因为FDD系统和TDD系统存在连续和非连续传输的差异。在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越大。由于快衰落对TDD方式的系统具有更大的影响，因此TDD系统在支持高速移动特性的终端实现方面存在一定的挑战。
     （2）系统内和系统间干扰风险
     TDD方式收发信道同频，无法借助频率选择性进行干扰隔离，可能对组网电磁兼容性能不利。
     TDD方式的移动通信系统，对于空闲状态下的用户，必须使用智能天线进行全向赋形，由于干扰抑制作用的减弱，相邻小区的下行控制信道信号将会相互干扰，特别是在采用复用因子较低的组网方式时可能会产生接入困难和切换失败等现象。同时，不同TDD方式的移动通信系统邻频配置时，由于帧结构的差异，基站间和终端间干扰易于发生。
     为了避免与其他无线系统之间的干扰，可能需要预留较大的保护带，从而影响整体频谱利用效率。
     （3）全球范围内的产业链风险
     除了PHS系统之外，WiMAX以及TD-SCDMA等采用TDD方式的系统，尚处于规模试验和初步商用阶段，较之GSM、cdma2000 1x、WCDMA等FDD方式的移动通信系统，在产业链发展、商用经验以及国际漫游方面存在一定挑战。因为FDD系统已占有庞大的市场份额，并具有其长期垄断经营形成的优势，如用户的认知、技术成熟和有效分布的基础设施等。
4、TDD在IMT-Advanced中的作用
    在国际电信联盟的积极推动下，世界各国已就移动通信的远景目标达成基本共识。同IMT-2000等已有数字移动通信系统相比，IMT-Advanced系统将具有更高的数据速率（下行1 Gbit/s，上行500 Mbit/s）、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率（＞10 bit/s/Hz）、更高的安全性、更高的智能性、更高的灵活性。IMT-Advanced系统应能支持非对称性业务和更多的业务类型，同时应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势。随着2007年世界无线电大会对IMT-Advanced使用频谱的指定，下一代移动通信技术标准和产业发展的序幕将由此拉开，而今后几年将是技术标准形成的关键时期。
    ITU-R对IMT-Advanced系统在2020年之前的频谱需求进行了分析，考虑已有2G和3G系统使用频段在内，依然存在500 MHz～1 GHz的频谱需求。考虑到与已有无线系统共存干扰以及不同国家自身的利益问题，在适宜移动通信系统使用的3 GHz以下频段，协调出相应频率进行整体分配，存在较大的难度。因而，对于IMT-Advanced系统而言，频率的使用具有零散化的趋势，这必将对下一代移动通信系统技术方案的制定提出更高的要求。
    单从技术方面考虑，随着下一代移动通信系统对带宽要求的提高以及频率分配的零散化趋势，基于TDD方式的移动通信系统，由于具有频谱配置和支持非对称业务方面的相对灵活性，相应的技术方案在IMT-Advanced竞争中将具有一定优势。因而，基于TDD方式的技术研究，在世界许多重要的科研机构、标准组织以及设备厂商中，日益受到重视。在3GPP中，TDD方式正在向多载波TD-SCDMA和TDD-OFDM两个方向进行演进。多载波TD-SCDMA方案作为一个强调兼容性的增强型3G（E3G）平滑演进版本，为TD-SCDMA系统提供性能提升的方案；TDD-OFDM方案则作为强调性能提升的全新版本，为TD-SCDMA系统向下一代移动通信系统演进奠定基础。
    以WiMAX为代表的宽带无线接入系统，在大量引入先进技术以提高传输性能的同时，支持TDD方式。近日，IEEE 802委员会成立802.16m工作组，其总体目标和技术需求与IMT-Advanced相一致，相信802.16m同样会成为IMT-Advanced TDD系统的有力竞争者。
5、结束语
    通过上述分析可以看出，由于TDD方式的移动通信系统上下行链路工作于同一频率，因而在频谱配置、新技术使用和支持非对称业务方面具有相对的灵活性。随着下一代移动通信系统对带宽要求的提高以及频率分配的零散化趋势，TDD方式的移动通信系统在IMT-Advanced技术方案的竞争中将具有较强的优势。但也要清楚地认识到，TDD方式仍存在着不足之处，以TD-SCDMA和移动WiMAX为代表的移动通信系统，目前尚处于规模试验和初步商用阶段，如果能够进行融合，取长补短，必将进一步加快发展步伐。
    另外由于目前IMT-Advanced最可能将频段分为1 GHz以下和2 GHz以上两大部分，分别采用FDD和TDD方式解决以语音为主和以数据为主的通信需求不失为一种好的解决方案。