1.2 TDD在移動通信發展中的作用及意義

1.2.1 頻率重要性及TDD技術原理

頻譜是移動通信數據的載體，是不可再生的戰略資源，是移動通信網絡建設與發展的必備條件。頻率可類比“土地資源”，為了讓頻率使用更為有序和有效，需要主管部門根據移動通信業務發展需求，對頻率進行規劃（確定某段頻率使用的系統）和分配（確定誰可以“開發”某段頻譜），更需要設備廠商、運營商在不同頻段上量身開發、部署和運營，最終為各類用戶提供優質的服務。

FDD和TDD是移動通信系統中最主要的兩種雙工方式。第一代和第二代移動通信系統均是FDD制式，從第三代移動通信系統開始，出現了TDD制式。這兩種雙工方式在頻譜的使用上有明顯的區別。采用FDD模式的無線通信系統的接收和傳送在分離的兩個對稱頻率信道上，用保護頻率間隔分離上下行鏈路。而 TDD 是一種通信系統的雙工方式，在無線通信系統中用時間區分，接收和傳送在同一頻率信道（載頻）的不同時隙，用保護時間間隔分離上下行鏈路。FDD 和TDD原理示意圖如圖1-5所示。

1.2.2 TDD的技術優勢

與FDD相比，TDD主要有以下優勢。

（1）靈活高效承載非對稱數據業務，資源使用更有效

在多樣化的業務應用中，非對稱的數據業務會占據越來越大的比例，大部分業務的典型特征是上行鏈路和下行鏈路中的業務量不對稱。早期移動通信業務以雙向語音業務為主，每個用戶的上下行通信速率相當，因此具有上下行對稱頻率帶寬的FDD 系統更加適配這種應用，但在3G及后續世代承載以數據通信為主的非對稱業務時會造成對頻譜資源的浪費。而 TDD 系統可以通過配置上下行切換點位置，靈活地調度系統上下行資源，使系統資源利用率最大化，如圖1-6所示。因此TDD系統更加適合非對稱數據業務和移動互聯網業務。隨著智能手機的飛速發展及其日益增長的應用，移動應用越來越以下載為中心。視頻下載已經占整個網絡的整體數據傳輸的很大一部分，導致網絡下行和上行流量比例常達到4:1～6:1甚至更高。事實上，一些運營商正面臨大約10:1的下行和上行流量比例。TDD靈活可配置的上下行時隙比例，使其能夠滿足上行鏈路/下行鏈路業務傳輸的不對稱性。

（2）TDD頻譜規劃和分配靈活、頻率資源豐富，更容易獲取大帶寬頻率資源

頻譜是所有無線通信的基礎，除了2G、3G、4G、5G公眾移動通信系統所屬的移動業務以外，常見的還有無線電定位業務、固定業務、衛星固定業務、衛星移動業務、廣播業務、航空移動業務、射電天文業務等，此外，移動業務中除了公眾移動通信系統外還包括專用移動通信系統，如對講機所屬的數字集群系統應用、電力、石油、水力等專有的移動通信系統等。上述應用占用了大量的適合通信的頻譜，未來想獲得新的空閑頻譜或者重耕現有頻譜變得越來越困難。

TDD采用非對稱頻譜，不像FDD那樣需要成對的頻譜資源，對頻率分配的要求更簡單、靈活，能夠靈活地利用一些零碎的頻譜，更容易獲得連續的大帶寬頻譜。而 FDD 要求的成對頻譜資源越來越稀缺，特別是大帶寬的頻譜更加難以獲得。對于5G、6G等制式，對于中高頻段，大的載波帶寬是該制式的特色配置，采用TDD更容易獲得連續的大帶寬頻率資源。因此，TDD成為5G時代2GHz以上新頻率的優選劃分方式。目前全球主要經濟體的FDD和TDD頻譜規劃和分配情況統計見表1-4。

（3）TDD具有信道互易性，有利于智能天線、大規模天線等先進天線技術的使用，可以帶來更高的頻譜效率

智能天線采用空分多址（Space Division Multiple Access,SDMA）技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區內其他用戶之間，以及與相鄰小區用戶之間的干擾，也減少了移動通信信道的多徑效應。智能天線的應用達到了提高天線增益和減少系統干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統容量，提高了單位頻率帶寬上傳輸的數據量，提升了頻譜效率。

智能天線在本質上是利用多個天線單元空間的正交性（即空分多址復用功能）來提高系統的容量和頻譜利用率。智能天線的核心在于數字信號處理部分，它根據一定的準則，使天線陣產生定向波束指向用戶，并自動地調整系數以實現所需的空間濾波。智能天線需要解決的兩個關鍵問題是辨識信號的方向和數字賦形的實現。根據以上基本原理，采用智能天線和波束成形技術，能夠在多個方面大大改善通信系統的性能，概括地講主要有：提高了基站接收機的靈敏度和基站發射機的等效發射功率、降低了系統的干擾、增加了 CDMA 系統的容量、改進了小區的覆蓋、降低了無線基站的成本。由于采用智能天線后，應用波束成形技術顯著提高了基站的接收靈敏度和等效發射功率，因此，能夠大大降低系統內部的干擾和相鄰小區之間的干擾，從而使系統容量得到擴大，同時也可以使業務密度高的市區和郊區所要求的基站數目減少。

TDD模式，上下行采用相同的頻帶，與上下行采用不同頻帶的 FDD 模式相比，使用智能天線能獲得更好的性能。這是因為通常來講，智能天線賦形功能的實現需要在對接收信號進行估計的基礎上獲得一組權重參數，并使用這組權重參數對發射的信號進行加權處理，從而形成發射賦形波束。TDD模式中，上下行采用相同的頻帶，因此上下行信道具有高度互易性。換句話說，根據對接收信號的估計提取的參數能準確地適應發射信道的特性。而 FDD 模式中，為了避免上下行間干擾，通常在上下行頻帶間設置較大的隔離頻帶，因此上下行信道的互易性相對 TDD 要差很多，使用智能天線的增益也就遠低于期望值。

智能天線技術在3G的TD-SCDMA、4G的TD-LTE中都得到了廣泛應用。在基于TDD的5G NR中，TDD的信道互易性使它更有利于部署大規模MIMO。依賴于 TDD 的上下行鏈路的信道互易性，基站可以基于測量的上行信道質量信息，估計下行信道質量，從而更好地進行波束成形。大規模MIMO正是利用這一點增強下行鏈路傳輸容量，同時最小化干擾，從而可以帶來數倍的傳輸效率的提升。

1.2.3 TDD面臨的挑戰

與FDD相比，TDD主要面臨以下挑戰。

（1）系統內干擾更為復雜、基站間同頻自干擾是影響TDD能否大規模組網的關鍵TDD除了具有FDD的上行信號對上行信號和下行信號對下行信號的干擾外，還具有 FDD 所沒有的下行信號對上行信號的干擾、上行信號對下行信號的干擾。由于上下行使用相同的頻率，遠端基站的發射經過一定的傳輸時延后，有可能落到本地基站的上行接收時間窗內，從而造成 TDD 特有的基站間的上下行干擾，大規模組網下，若不做任何控制，基站間自由傳播將造成站間時序失步，導致大面積基站癱瘓，且站間干擾如藥物“副作用”，因場景而異，發現、識別和根除均非常困難。TDD基站自干擾特性導致前期應用的TDD系統僅能作為局域組網技術（如“小靈通”“大靈通”）。只有攻克干擾問題，TDD 技術才能大規模組網，成為全球移動通信主流技術。

為了降低上述干擾，TDD系統在系統設計中需要預留或加大上下行時隙保護間隔的設置，并采用一些工程手段。

（2）TDD系統對系統同步要求更為嚴格

為了避免上下行信號間的干擾，相對于FDD系統，TDD系統對上下行信號的時隙對齊的要求更為嚴格，因此對系統設備的時間同步實現要求更高。

（3）TDD系統時延略大于FDD

由于上下行信號發送通過時分方式進行區分，在信號傳輸過程中，相對于FDD系統，TDD系統存在一定的時延。傳輸時延包括功率控制、自適應編碼調制、多天線信道狀態的反饋、測量反饋、切換/用戶平面和控制平面傳輸時延等。這些時延給系統性能帶來一定影響。時延大小取決于上下行切換點的周期長短。以TD-LTE為例，由于采用1ms的傳輸間隔，上下行信號切換周期最短為5ms，因此造成的時延很小，對系統性能影響不大。

（4）TDD系統高速移動支持能力弱于FDD

FDD系統上下行信號在時間上連續發射，而TDD系統上下行信號不連續發射，當用戶的移動速度很高時，信道估計和多普勒頻移估計難以跟上高速移動速度的變化，導致TDD系統在高速移動場景的性能弱于FDD。

（5）TDD系統有利于智能天線、大規模天線等先進技術的使用，但也因此帶來相應的復雜度的增加。

智能天線及大規模天線是TDD系統先進技術的特色。TDD系統的性能將隨著天線陣元數目的增加而增加，但是增加天線陣元的數量，將增加系統的復雜性，基帶數字信號處理的量將呈幾何級數遞增，并帶來設備成本的增加。同時，通道數及天線陣元數的增加，將帶來設備重量體積的增加，給工程施工部署提出了更高的要求；并將帶來設備功耗的增加，給網絡運維帶來了更高的挑戰。