[转帖]4G演进之路：FDD还是TDD?

fuyue2000

达到更高频谱利用率、覆盖率，同时保证多媒体应用的QoS服务质量，已经成为第四代蜂窝4G网络的挑战和目标。在4G系统里，有许多关于物理层和多接入以提高频谱利用率方面的研究，以支持高达100Mbps甚至更高的数据传输速率。例如，正交频分多址OFDMA、MIMO天线，以及跨层资源优化，被认为是4G系统中的核心技术，并同时在频率选择的衰落信道中提供高可靠通信。 　　另一方面，4G系统双工方式的选择，是FDD还是TDD这个问题，还悬而未决，FDD和TDD模式都互有技术上的优势和挑战。在4G网络中谁占据更大的市场份额，要看市场需求和竞争的需要，同时还要结合各国国情、各运营商的具体情况以及市场竞争等因素。
　　3G时代的 TDD和FDD
　　只要是双向通信，就需要一定的双工工作模式。当前2G和3G通信领域使用双工模式主要是频分双工和时分双工，即FDD（Frequency Division Duplex)与TDD（Time Division Duplex），它们是各种无线系统中常用的双工方式。
　　在现有的3G有三大主流技术标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，虽然它们都属于CDMA技术，但是从它们的主要应用方面可分为两类：WCDMA、CDMA2000属于FDD标准；而TD-SCDMA属于TDD标准。另外，3.5G 的HSDPA系统中兼有FDD和TDD，而4G的前驱Mobile WiMAX兼有TDD、FDD、半双工FDD。
　　如图1所示，FDD和TDD具体的特征是：
　　（1）FDD采用两个对称的频率信道，发送和接收信道之间存在着一定的频段保护间隔。如GSM、CDMA 1X的收发信道间隔为45 MHz，WCDMA的间隔为190 MHz。
　　（2）TDD的发送和接收信号在同一频率信道的不同时隙中进行，彼此之间采用一定的保证时间予以分离。它不需要分配对称频段的频率，在进行不对称的数据传输时，可充分利用有限的频谱资源。

　　图1   FDD和TDD双工

TDD v.s. FDD：孰优孰劣?

　　采用FDD的移动系统与采用TDD的移动系统相比，互有以下优缺点：
　　（1）FDD必须使用成对的收发频率。在支持以语音为代表的对称业务时能充分利用上下行的频谱，但在进行以IP为代表非对称的数据交换业务时，频谱的利用率则大为降低，约为对称业务时的60%。而TDD则不需要成对的频率，通信网络可根据实际情况灵活地变换信道上下行的切换点，能有效地提高系统传输不对称业务时的频谱利用率。
　　（2）根据ITU对3G的要求，采用FDD模式的系统的最高移动速度可达500千米/小时，而采用TDD模式的系统的最高移动速度只有12千米/小时。这是因为，目前TDD系统在芯片处理速度和算法上还达不到更高的标准。
　　（3）采用TDD模式工作的系统，上、下行工作于同一频率，其电波传输的一致性使之适用智能天线技术，可有效减少多径干扰，提高设备的可靠性。而收、发采用一定频段间隔的FDD系统则难以采用。据测算，TDD系统的基站设备成本比FDD系统的基站成本低约20%～50%。
　　（4）在抗干扰方面，使用FDD可消除邻近蜂窝区基站和本区基站之间的干扰，FDD系统的抗干扰性能在一定程度上好于TDD系统。
　　根据FDD、TDD模式以上不同的特点，在3G移动网络中，它们各自有着不同的适用范围：
　　（1）采用FDD系统多是连续控制，适应于大区制的国家和国际间覆盖漫游，适合于对称业务（如话音、交互式适时数据等）。
　　（2）采用TDD系统多是时间分隔控制，适用于城市及近郊等高密度地区的局部覆盖和对称及不对称数据业务。特别是它的不对称传输数据的功能，尤为适合接入基于IP的各种数据业务。因为，在Internet的数据传输过程中，往往要求下行速率远大于上行速率。
TDD和FDD共存4G网络？
　　目前有研究利用邻近信道使TDD和FDD共存的情况，在这种情况下，运营商可以在邻近通道上使用不同的双工模式。这是因为TDD适合微蜂窝，其服务小区半径小，信号切换频繁，容易掉线，因而对高速移动的支持较差。而由于FDD比TDD适合于大区，因此在FDD宏蜂窝里加小TDD蜂窝的混合型网络结构被提出。
　　这种混合FDD/TDD系统在最近有可能被实现。在混合的FDD/TDD系统中，一些没有充分利用的FDD通道将由TDD通道代替，以支持非对称数据流。混合系统也允许运营商逐渐从现有的FDD系统逐渐过渡到TDD系统上来。TDD和FDD系统共存的最大因素为TDD和FDD之间的干扰，它是两系统能够共存的最大瓶颈。
　　如图2，当TDD与FDD工作于相邻频段时，需考虑彼此间的干扰问题，即TDD系统可能对FDD系统造成于扰，FDD系统也可能对TDD系统造成干扰。为克服TDD中心站对FDD中心站的干扰，在TDD工作频段与FDD频段间就需要设置保护带。

　　图2  FDD与TDD混合网络之间的干扰

　　在4G系统中，如果干扰没有超过一定的范围，FDD和TDD这两种就可以运行在同一波段内，这种情况适用于室内模型：室外的蜂窝用FDD，室内的蜂窝在同一频段上用TDD，而建筑物的墙和隔离物可以减轻TDD和FDD之间的干扰。
4G对TDD和FDD的选择
　　FDD上下行信号被不同频率隔离，因此需要对称频谱。对语音应用来说，上下行流量是对称的，因此FDD在2G和3G蜂窝网络中效率很高。而TDD上下行信号在时域上是分开的，它具有上下行流量的非对称性和单一频谱的灵活性，然而TDD在宏小区覆盖方面面临困难，目前仅仅在热点业务中应用，像TDS-CDMA。

　　图3  从3G到4G的应用演进

　　不过，因为TDD在高带宽的多媒体应用中上下行流量的非对称性和单一频谱的灵活性，更适合基于IP的数据业务，在核心网、移动网IP化的潮流下，TDD在各种下一代无线网络中都得到了重视。
　　如图3和图4所示，在4G网络时代，视频流媒体、交互Web等下行流占据绝对优势，也因此人们对TDD在4G的应用充满了期待，TDD受到了下一代无线系统WiMAX和IEEE 802.20的关注。
　　然而在目前，TDD模式在运营中还面临一系列技术问题，如交叉时隙干扰、操作干扰、转接时延以及发送信道状态信息超时，所以使用单一模式的TDD还是不现实的。

　　图4  移动用户增长及对上下行带宽的需求

　　TDD和FDD在技术特点上各有各的优势，中国是世界第一移动大国，频谱资源日益短缺是移动网络建设迫切需要解决的第一问题。对频谱资源，每一个人都会明白：FDD频谱资源紧张，TDD频谱资源丰富。在这一点上，TDD的优势更明显一些，所以在中国，从TDS-CDMA 3G到4G的各个阶段，都将更倾向于使用TDD技术。