首先我們先看看一些基本概念,明確下TDD和FDD的區別,以及實現TDD的必要性。
移動通信的主要參與方是基站和終端(最常用的是手機,下文將直接以手機稱呼)。雙方通信時,需要有個明確的收發關系。
由于基站高高在上,因此把基站發射,手機接收這條路徑叫做“下行”;反過來,把手機發射,基站接收這條路徑叫做“上行”。如下圖中的箭頭所示。
上下行同時工作就叫做“雙工”,是移動通信必須要解決的最基礎問題。那么怎么使用有限的頻率來實現雙工呢?業界一直有兩種解決方案:頻分雙工(FDD:Frequency Division Duplex)和時分雙工(TDD:Time Division Duplex)。
FDD的思路是,上下行使用不同的兩段頻譜,相當于兩條車道一樣,上下行在各自的頻譜上并行不悖,互不干擾。
而TDD的思路是,我上下行使用一模一樣的頻譜,雖然相當于只有一條車道,但我讓上下行數據在不同的時間來使用這條通道,上行發一會數據,下行再發一會,輪著來。由于上行和下行每次發送信息占用的時間非常短,人根本感覺不到斷續,這樣也就實現了雙工。
在實際的應用中,由于FDD的方式簡單粗暴,易于實現,性能可靠,因此在2G時代得到了大量的應用。我們熟悉的GSM和CDMA都是頻分雙工。
到了3G時代,由于數據業務的興起,上下行需求不對稱開始顯現。大部分人上網都是以下載為主,上傳的需求很小,因此下行流量往往是遠大于上行流量的。
而FDD方式上下行使用了相同帶寬的頻譜資源,無法靈活調整,明顯是對寶貴資源的浪費。并且,隨著頻譜資源越來越緊張,上下行成對的頻譜是越來越難找了,因此FDD的弊端越來越明顯。
而TDD由于上下行的占用時長可以靈活配置,比如對于下載業務,可以把下行時間設為80%,上行時間設為20%,頻譜利用率因此得以提升。且TDD上下行使用同一段頻譜,不用像FDD那樣成對,因此可以很方便的利用零碎的頻譜。
就這樣,從3G時代TDD開始嶄露頭角,誕生了TD-SCDMA技術;在4G時代,TDD LTE已經開始挑戰FDD LTE,在全球得到了廣泛的應用;而到了5G時代,TDD雙工方式已經成為了絕對首選。
下面我們來看看5G是怎么實現TDD的。首先回顧一下5G的幀結構,如下圖所示。
首先,每個無線幀時長10毫秒,含10個1毫秒的子幀。每個子幀根據參數集的不同,含有不同的時隙數,子載波寬度越寬,時隙數越多(具體數值見上圖),但子幀的長度都是1毫秒不變的。
每個時隙,不論時間長短,都含有14個符號,這是5G無線資源分配的最小時間單位。為了靈活使用這些符號,3GPP了定義了56種時隙格式,明確了時隙內部的符號組合方式。
在一個時隙中,可以有3種符號:下行符號(D),上行符號(U),以及靈活符號(F)。靈活符號既可以作為上行使用,也可以作為下行使用。
那么這些時隙格式該怎么組合使用呢?3GPP定義了TDD的幀格式,可以采用如下等式表示:
TDD幀格式 = 若干個下行時隙 + 1個靈活時隙 + 若干個上行時隙。
其中,下行時隙可以有多個,每個時隙中的14個符號全部配置為下行;上行時隙也可以有多個,每個時隙中的14個符號全部配置為上行;靈活時隙只有一個,可以靈活設置下行符號,靈活符號和上行符號的比例,只要上面那張表里有定義就行。
綜上,TDD的幀結構如下圖所示。
基于這樣的定義,為了滿足不同的上下行性能需求,在5G收發頻段3.5GHz上,采用30KHz子載波間隔,業界有如下三種主流的幀格式。
2毫秒單周期:每個周期內2個下行時隙(D),1個上行時隙(U),1個靈活時隙(S)。
2.5毫秒單周期:每個周期內3個下行時隙(D),1個上行時隙(U),1個靈活時隙(S)。
2.5毫秒雙周期:雙周期是指兩個周期的配置不同,一起合成一個大的循環,其中含有5個下行時隙(D),3個上行時隙(U),2個靈活時隙(S)。
在這三種幀格式中,對于靈活時隙,可配置為:10個下行符號 + 2個靈活符號 + 2個上行符號。其中兩個靈活符號用作上下行之間轉換的隔離,不用于收發信號。
把靈活時隙中的上下行符號也考慮進來計算可得,2毫秒單周期的上行資源占比約為29%,2.5毫秒單周期的上行資源占比約為23%,2.5毫秒雙周期的上行資源占比約為33%。因而導致了幾種幀結構在上下行性能上的差異。
由上述時隙示例可以看出,5G對TDD的實現是非常靈活的,不再像TDD那樣預定義子幀配比,可以根據需求靈活配置上下行時隙數量,用于5G需求各異的應用。
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