固定无线接入点到多点系统中时分双工与频分双工之对比

引言
频分双工(FDD)，也称为全双工，操作时需要两个独立的信道。一个信道用来向下传送信息，另一个信道用来向上传送信息。两个信道之间存在一个保护频段，以防止邻近的发射机和接收机之间产生相互干扰。
时分双工(TDD)，也称为半双工，只需要一个信道。无论向下还是向上传送信息都采用这同一个信道。因为发射机和接收机不会同时操作，它们之间不可能产生干扰。
为了全面对比这两种双工方式，必须提供每种方式的下列属性：
频段位置及时分/FDD方式的合适性
频谱效率及业务非对称性反应时间
射频规划及干扰，包括自干扰和共存干扰
系统的相对复杂度(代价差异)

前两项是选择TDD而非FDD方式的主要因素，后三项是FDD方式支持者提出的采用TDD方式时必须克服的缺点。

频率分配及FDD或TDD的适宜性
在固定无线接入系统的频率分配及发放执照的工作中，大部分国家都采用了较适宜于FDD方案的初始频率分配。因为这些频率分配方案都具有间隔很宽的信道，或者很宽的连续频段，因此在采用FDD方案时，能够保证充分的发送-接收频率间隔，从而克服了FDD收发信机中必须将发送信号和接收信号隔离开来的困难。
但是，并非所有的点到多点系统中的频率分配方案都适宜于FDD。例如，为了有效利用LMDS的B段频谱，必须满足发送-接收间隔约为225MHz的要求。这对于工作于31GHz的FDD无线电是一个非常大的挑战。近年来，越来越多的频率分配方案已经不再采用传统的成对信道分配方法了，因此为采用TDD方案产生了巨大的促进作用。

图1 自适应TDD技术的频谱效率优点

频谱效率及业务非对称性
频谱效率涉及到许多因素，其中两个最重要的因素是使用的调制方案和业务非对称性程度。以语音服务为主的网络业务是近似对称的，但是随着数据业务不断增长，这种情况正在发生变化。因此，存在一个这样的强烈的动因，能否在不影响频谱效率的前提下，采用某种技术可以适应这种业务模式的变化情况。而TDD技术就可以满足这种要求。
关于调制方案，可以利用一个简单的示例来说明一下TDD和FDD技术的差异。在这个示例中，我们假设两种双工技术采用相同的前向纠错技术、MAC开销、有效信道带宽，也假定两种双工技术采用相同的调制方案，以至于有效数据负载是1 bit/Hz，并且假定保护频段不会造成两种双工技术频谱利用率的差异。
利用两个25 MHz的信道(共50 MHz)，FDD系统能够提供25 Mbps下行数据流和25 Mbps的上行数据流。而采用单个25 MHz信道的TDD系统，在利用相同的调制解调方案时，可以提供总共25 Mbps的下行数据流以及上行业务流。如果像传统的电话系统一样，业务具有对称性，TDD系统可以在任一方向上都提供12.5 Mbps的业务传输能力。若加上另一个25 MHzTDD的信道，在同样的50 MHz频谱上，TDD系统可以在任一方向上都提供25 MHz的业务传输能力。总之，当业务对称以及采用相同的调制解调技术时，TDD和FDD系统具有相同的频谱效率。但是，业务非对称时的情况与对称时情况将具有很大的差别。当数据业务越来越占主导地位时，业务非对称性越来越明显。
TDD系统能够适应这些无法预测的非对称的业务模式。图1给出了相对于FDD，自适应TDD技术在不同的业务非对称情况时的优点。

反应时间
过大的延时将会对连续比特速率和实时可变比特速率业务产生有害影响。由于实际的所有固定无线接入网络都将承载这些业务，反应时间将是一个十分关键的配置考虑因素。
为了避免上行数据流和下行数据流在发送时发生碰撞，必须在上行和下行发送时隙之间留出时间间隔。在TDD和FDD系统中，MAC逐帧管理带宽分配。MAC处理一般都需要占用2~3帧的时间。在帧长为1ms时，不考虑双工方案，仅MAC处理就导致4~6ms的处理延时。假定传输延时为3微秒/千米，在6千米的路程中，为了避免TDD系统中的往返传输延时造成上下行链路冲突只需要加36微秒的时间间隔。通过最优调度不同终端间上下行业务还可以进一步减小该时间间隔。即使没有最优调度，传输延时相对于其它TDD和FDD系统中的固有延时也是非常小的，因此传输延时并非整个系统延时的关键因素。

射频规划和干扰
为了控制和减轻多网络中心配置间的干扰，许多因素在射频规划过程中必须考虑。下面将要说明，当TDD系统在进行帧同步时，对干扰的敏感性与FDD系统是一样的。
在任何点到多点配置中，有两个干扰因素必须考虑。它们是：
共存干扰：共存干扰有两种形式。一种形式是，两个同一地理区域的采用临近频谱分配的用户之间产生的干扰。这种情况下，干扰可以在两个临近的TDD系统时间、两个临近的FDD系统之间或者一个TDD系统和一个FDD系统之间产生。在实际情况下，本地调整器都会控制带外发射以确保用户能够共存。但是，由于一个运营者无法控制临近运营者的(除了由调整器管理的)系统参数及特征，因此该运营者必须根据其设备对干扰的敏感性设置一个保护带宽，从而提供额外的干扰保护。TDD和FDD系统都需要这类保护带宽。
最近的点到多点系统频谱分配方案已经考虑了保护带宽。典型情况下，设置的保护带宽等于最大预测到的信道带宽，对于今天的系统来说，为28 MHz。这种保护带宽对TDD系统和FDD系统是一样的。
另一种共存干扰来自于具有完全相同频谱分配和临近地理区域的两个用户。这种情况下的共存问题与许可边界上系统到系统的干扰有关。解决这个问题，一般来说，可通过调整功率谱密度限以及依靠用户之间的协作来完成。
自干扰：自干扰是指一个特定的服务区域内单个用户配置内部产生的干扰。
由于存在自干扰，射频规划者必须考虑到同信道干扰(CCI)和邻近信道干扰(ACI)。对于TDD和FDD系统来说，控制干扰的共同方法是频率分集和互极化识别。此外，在TDD系统中，可以采用帧同步来控制时间间隔。从设计观点看，信道频谱屏蔽和天线参数，如边瓣标准和前后比率，在系统抗CCI干扰和ACI干扰的能力方面起着关键作用。
由于频谱屏蔽比较重要，这里要说几句。由于目前设计的点到多点系统完全支持高阶调制，因此比ETSI建议的系统具有更好的频谱屏蔽效果。但是，目前的许多点到多点FDD系统中都有简单的自适应设备，这些设备都是最初为点到点系统设计的。尽管频谱屏蔽可以满足ETSI建议要求，但是，在点到多点环境中，其性能不能足以完全保护系统，使系统不受ACI干扰的影响。频谱屏蔽在点到点系统中从来就不是一个很重要的参数，因为通过角度隔离就可以基本上完全控制干扰。在传输链路的两端，通过采用高增益、窄波束宽度的天线就可以实现角度隔离。但是，在点到多点系统中，每个网络中心的收发信机可以在几条不同的路径上接收和发送信号。在这种类型的架构中，必须考虑到将要发生的不相关衰落。这就要求对邻近信道干扰有较高的容忍度。
图2和图3给出了点到多点系统中ETSI频谱屏蔽的要求。

图2 采用QPSK调制方案时ETSI频谱屏蔽

图3 采用64QAM调制方案时ETSI频谱屏蔽

系统的相对复杂度
一般认为，TDD微波无线系统比FDD微波无线系统简单。因为系统复杂度直接决定了系统成本，因此TDD系统成本较低。在FDD系统中，造成系统具有较大复杂度和较高成本的一个主要部件是双工器。双工器必须防止高功率的发送信号干扰十分敏感的接收机前端。若发送功率为+20dBm，接收机QPSK门限为-80dBm(假定噪声功率约为-90dBm)，必须将间隔设计成大于110dB。在微波和毫米波段，当频谱分配要求发送机和接收机之间具有较小的频率间隔时，满足这个设计目标将是一个十分具有挑战性的难题。这些技术难题，再加上这些系统中滤波器的设计要求将大大增加FDD无线系统的复杂度和成本价。
结语
TDD可以很容易地适应任何类型的频率分配方案。由于TDD系统架构较简单，当新的频率分配方案出现时，很容易进行重新设计且需要代价较小。■