TDD:時分雙工技術-中文百科頻道

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内的五種無線傳輸技術的規範，其中三種基于CDMA技術，兩種基于TDMA技術。

(1)基于CDMA的技術規範

IMT-2000 CDMA DS(WCDMA、cdma2000 DS) IMT-2000 CDMA TDD(TD-SCDMA、TD-CDMA )

(2)基于TDMA技術的技術規範

IMT-2000 CDMA SC(UWC 136) IMT-2000 TDMA MC(DECT)

由于TDMA技術不是第三代移動通信的主流技術，所以TDMA SC和TDMA MC隻作為區域性标準，用于IS-136和DECT系統的升級。

基于CDMA技術的三種RTT技術規範是第三代移動通信的主流技術，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，在将來的組網上，TDD模式和FDD模式将共存于3G網絡。

系統特點

在TDD模式的移動通信系統中，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。

該模式在不對稱業務中有着不可比拟的靈活性，TD-SCDMA隻需一個不對稱頻段的頻率分配，其每載波為1.6MHz。由于每RC内時域上下行切換的切換點可靈活變動，所以對于對稱業務(語音和多媒體等)和不對稱業務(包交換和因特網等)，可充分利用無線頻譜。

TDD系統有如下特點：

(1)不需要成對的頻率，能使用各種頻率資源，适用于不對稱的上下行數據傳輸速率，特别适用于IP型的數據業務；

(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

用智能天線等新技術，達到提高性能、降低成本的目的；

(3)設備成本較低，比FDD系統低20%-50%。

ITU要求TDD系統移動速度達到120km/h，要求FDD系統移動速度達到500km/h。FDD是連續控制的系統，TDD是時間分隔控制的系統。在高速移動時，多普勒效應會導緻快衰落，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上，當數據率為144kb/s時，TDD的最大移動速度可達250km/h，與FDD系統相比，還有一定差距。

優勢

TDD的優勢包括以下幾點：

1．更高的頻譜利用率

第三代移動通信系統的頻段是在2GHz範圍，但分配給公共陸地移動通信系統使用的頻譜為155 MHz，僅為整個2GHz頻段的7％，這樣希望的帶寬也僅相當于一個2GHz寬帶電纜的7％。面對日益高速增長和擴展的移動業務，第三代系統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隻有TDD模式能利用非對稱頻段，以及提供同樣速率的業務時TDD模式占用的帶寬較FDD模式少。

2．功率控制要求降低

在FDD模式的CDMA移動通信系統中，為減少同道幹擾，每個移動台必須在保證可接收性能的前提下以最低功率傳送信息，這需要很精确的功率控制；同時為克服所謂遠近效應，需要快速高效的功率控制；另外上下行鍊路的衰落因子是不相關的，這需要用閉環功率控制。所以FDD模式的CDMA移動通信系統對功率控制極其敏感，功率控制的失敗會導緻十分嚴重的系統容量下降。但對TDD模式的CDMA移動通信系統，上下行鍊路的衰落因子是相關的，僅需開環功率控制即可。

3．預選擇天線分集

在移動通信系統中廣泛采用分集結合技術來縮短信道的衰落周期。對選擇性分集，接收機通過測量相互獨立的路徑來選擇最好的路徑接收信号電平，以提高接收性能，但接收機的複雜性也相應提高了。在這種情況下，基站能容忍複雜性的提高，而手持機則不行，此時天線（空間）分集是為手持機提供分集接收的僅有方法。

根據TDD模式原理，基于TDD模式系統的上下行鍊路的衰落是相同的，基站通過測量它從每個天線接收到的上行鍊路信号功率估計最強的路徑，從而估計和選擇最好的天線用于下行鍊路下一幀的傳送。這樣手持機可在不增加複雜性的情況下，借助基站的天線分集設備實現預選擇天線分集，使接收性能得以改進。

4．預RAKE結合分集

CDMA系統的一個重要特點之一是在多徑環境利用RAKE接收機取得多徑分集增益。RAKE接收機是由多路相關器組成，每一路都跟蹤一路信号、估計脈沖響應，然後加權合并後作為RAKE接收機輸出，因加權因子與各路信号的信噪比成正比，所以充分利用了多徑信号能量，取得多徑分集增益，但需要相當的信号處理工作和功率消耗。

FDD系統的基站和手持機都需要多路相關器并估計信道的脈沖響應，這對手持機是不理想的。而由于TDD系統上下行信道的脈沖響應在一個時間周期内是相同的，于是僅基站需要估計上行信道的脈沖響應，然後将預RAKE信号傳送到手持機，手持機用一個匹配濾波器就行了。

對手持機來說RAKE接收機結合處理不僅增強了有用信号也增強了幹擾，但預RAKE處理沒有這種情況，因此TDD系統的預RAKE性能比FDD的RAKE性能還好一些。

5．智能天線分集

在基于TDD模式的TD-SCDMA移動通信系統的基站中采用了智能天線技術。一個智能天線系統由一個多天線陣、相幹接收機和高級數字信号處理算法組成。與僅有一個固定波束的傳統天線比較，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适應地跟蹤任何移動用戶。如此特點使得在接收邊實現空間選擇性分集，提高了接收靈敏度、減少了不同位置的同道用戶的同道幹擾、抵消了多徑衰落和增加了上行容量。在發送邊，智能的空間選擇波束成型傳送降低了輸出功率要求、減少了同道幹擾和提高了下行容量。

6．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的必然要求和追求的目标。TDD模式系統具有上下行信道的互惠性，對功率控制的要求相對較低，實現預選擇天線分集、預RAKE結合分集和智能天線分集等技術，使得TDD模式的終端可以與基站共用一些設備，配置比FDD模式終端更少的功能單元，從而更容易實現低功耗袖珍多模式終端。

7．具有競争優勢的基站設備成本

具有競争優勢的基站設備成本可以從兩方面來分析：一方面，TDD模式移動通信系統的頻譜利用率高，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運營商提供同樣業務對基站的投資；另一方面，TDD模式的移動通信系統具有上下行信道的互惠性，基站的接收和發送可以共用一些電子設備，從而降低了基站的制造成本。可見，TDD模式的基站設備無論對運營商還是對制造商都有競争優勢。

存在的問題

TDD中存在以下幾個問題：

1．幹擾問題

TDD模式的CDMA移動通信系統的幹擾問題主要包括上下行鍊路之間的幹擾，不同運營者之間的幹擾和來自功率脈沖的幹擾。

上下行鍊路之間的幹擾分為小區内上下行鍊路之間的幹擾和小區間上下行鍊路之間的幹擾。前者是因為在一個小區内用戶間的同步受到破壞或上下行鍊路的時間分配不平衡。對于後者，非對稱的TDD時隙将影響鄰近小區的無線資源并導緻小區間的上下行鍊路幹擾，另外高功率的基站會阻塞鄰近小區的基站接收本小區的終端，處在小區邊界的高功率終端也會阻塞鄰近小區的具有不同時隙分配的終端。

當同一地理環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鍊路之間非對稱的動态分配，不同運營者之間會發生幹擾，這是TDD模式所特有的。

來自功率脈沖的幹擾是由于短的TDD幀的短傳輸時間，以及為了袖珍的語音終端設計在終端内部的設備之間的脈沖傳輸。

2．同步要求高

由于基站不能同時接收和發送，移動終端的傳送必須在基站停止發送時開始，這意味着同一小區内的不同用戶之間，用戶與基站之間需嚴格同步，後一同步破壞會發生通信阻塞，前一同步破壞将導緻嚴重幹擾，這是FDD的CDMA移動通信系統所沒有的問題。

另外，因為小區之間和不同操作者之間的幹擾問題，鄰近小區的基站之間要求是同步的，并且一般是符号級的精确同步。這樣的同步要求在基站有GPS接收機或公共的分布式時鐘，這些都增加了移動蜂窩網的費用。

3．移動速度受限

對于TDD模式的CDMA移動通信系統，上下行鍊路利用同一頻率，根據接收信号TDD發射機能知道多徑信道的快衰落，這給TDD模式的系統帶來許多優勢，但這是基于TDD幀長比相幹時間短的前提。因為TDD幀很短，導緻移動速度受到限制，所以通常人們認為TDD模式适合于室内、低速移動的微小區環境。

應該指出的是，已有研究顯示TDD模式的移動通信系統在結合智能天線和聯合檢測技術後可以用于高速移動的環境，在中國目前開發的第三代移動通信系統TD-SCDMA中采用了這個方案，模拟結果顯示了較好的性能。

基于TDD方式的無線通信系統在國内目前的應用中還相對較少,但随着我國的TD-SCDMA标準不斷深入而越來越受到重視。

在3G的優勢

TDD在3G中的優勢有以下幾點：

1．第三代移動通信系統的頻譜

國際無委會為第三代移動通信系統分配的頻譜如下：

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；

B．1 900～1 920 MHz 分配給TDD的WLL系統，日本分配給PHS系統；

I．1 785～1 805MHz 分配給TD-SCDMA系統，即中國第三代TDD移動通信系統。

其中，B或Ｉ，Ｆ兩個頻段是不對稱的，FDD模式無法使用，因此隻有采用TDD模式的移動通信系統才能充分利用第三代的所有頻段。

2．業務方面

第二代移動通信系統主要面向話音業務，而第三代移動通信系統除了提供話音外、還可以提供數據和多媒體業務。由于Internet、文件傳輸和多媒體業務常常上下行容量不對稱，因此如果用FDD模式提供這些業務，或者會造成下行資源的浪費，或者需通過十分複雜的控制措施來改善這種浪費現象。而TDD模式上下行信道不固定，可以通過調整時隙交換點很方便地動态分配上下行信道的容量，因此用于非對稱業務的通信是很理想的。

3．覆蓋方面

理論研究和現場實驗均證明，TDD模式的移動通信系統适合于微小區、業務量繁忙、上下行業務不對稱且低速移動性的環境。因此從移動通信的覆蓋規劃來看，TDD模式的系統與FDD模式的系統可以互相補充，相得益彰。在提交的第三代移動通信系統RTT草案中也反映出這種情況。

4．上下行信道的互惠性

由于多徑傳播導緻的快衰落現象依賴于傳輸頻率，在FDD模式的移動通信系統中上下行信道處于不同的頻段，上下行信道之間是不相關的，這樣FDD傳送器不能預測快衰落對傳輸的影響。在TDD模式的移動通信系統中，上下行信道用同樣的頻率，基于接收信号，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台與基站設備的複雜性，從而降低成本和減少功耗。

對比FDD

由于移動數據業務的增長、通信個人化和寬帶化的要求，移動通信正在向第三代發展，估計21世紀初（2002年）第三代移動通信系統将開始全面商用。回顧第一二代移動通信系統的建設，中國幾乎100％依靠進口國外産品。現在的情況已有所不同。1997年6月，中國提交了第三代移動通信标準草案（TD-SCDMA），其TDD模式及智能天線新技術等特色受到高度評價并成為三個主要候選标準之一，同時TD-SCDMA移動通信系統的基站設備正在加緊開發。在第一代和第二代移動通信系統中，FDD模式一統天下，TDD模式沒有引起重視，但由于新業務的需要和新技術的發展，TDD模式将日益受到重視。

在TDD模式的移動通信系統中，基站到移動台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送信号給移動台，另外的時間由移動台發送信号給基站。基站和移動台之間必須協同一緻才能順利工作。

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。某些系統中上下行頻率間隔可以達到190MHz。

與FDD相比，TDD具有一些獨到的優勢，也有一些明顯的不足。

優勢：

（1）使用TDD技術時，隻要基站和移動台之間的上下行時間間隔不大，小于信道相幹時間，就可以比較簡單的根據對方的信号估計信道特征。而對于一般的FDD技術，一般的上下行頻率間隔遠遠大于信道相幹帶寬，幾乎無法利用上行信号估計下行，也無法用下行信号估計上行；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的使用方面有明顯的優勢。

（2）TDD技術可以靈活的設置上行和下行轉換時刻，用于實現不對稱的上行和下行業務帶寬，有利于實現明顯上下行不對稱的互聯網業務。但是，這種轉換時刻的設置必須與相鄰基站協同進行。

（3）與FDD相比，TDD可以使用零碎的頻段，因為上下行由時間區别，不必要求帶寬對稱的頻段。

（4）TDD技術不需要收發隔離器，隻需要一個開關即可。

不足：

（1）移動台移動速度受限制。在高速移動時，多普勒效應會導緻快衰落，速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深，因此必須要求移動速度不能太高。例如在使用了TDD的TD-SCDMA系統中，在目前芯片處理速度和算法的基礎上，當數據率為144kb/s時，TDD的最大移動速度可達250km/h，與FDD系統相比，還有一定差距。一般TDD移動台的移動速度隻能達到FDD移動台的一半甚至更低。

（2）覆蓋半徑小。也是由于上下行時間間隔的緣故，基站覆蓋半徑明顯小于FDD基站。否則，小區邊緣的用戶信号到達基站時會不能同步。

（3）發射功率受限。如果TDD要發送和FDD同樣多的數據，但是發射時間隻有FDD的大約一半，這要求TDD的發送功率要大。

（4）需要更複雜的網絡規劃和優化技術。

目前，由中國提出的3G技術标準TD-SCDMA是三個3G标準中唯一使用TDD技術的标準。