一、引言

最近在工作中接觸到了TDD和FDD這兩種無線的傳輸技術(shù)，相信對通信稍有了解的同學(xué)一定不會陌生，本文先對TDD以及FDD技術(shù)做一個基本的介紹，待后續(xù)有了進一步的了解后再進行深入的剖析。

TDD（Time Division Duplexing）指的是時分雙工；FDD（Frequency Division Duplexing）指的是頻分雙工。

解釋下什么是雙工，顧名思義就是雙向工作的意思，比如甲乙兩個人打電話，雙方可以同時說和聽，就是全雙工；比如甲乙兩個人在使用對講機，同一時間只能一方說一方聽，那就是半雙工；比如甲在廣播說話，而乙只能聽，那就是單工。TDD和FDD的區(qū)別，就在于雙工的方式。

二、定義

TDD的上行和下行（發(fā)送和接收）采用相同的射頻頻點，但是以時間來區(qū)分，有時候上行、有時候下行，你可以將其理解為上面講述的半雙工。

TDD的優(yōu)點包括靈活性高、頻譜利用率高、易于部署和管理等；然而，TDD也面臨著一些挑戰(zhàn)，如時隙配置和上下行資源協(xié)調(diào)，相關(guān)的解決方案就是采用動態(tài)時隙配置和資源調(diào)度算法等。

FDD的上行和下行則采用不同的射頻頻點，不受時間限制，它們支持同時收發(fā)，可以將其理解為全雙工。

FDD的優(yōu)點包括數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強、適用于長距離通信等；同樣FDD也不是完美的，例如存在著頻譜資源分配較為困難、相鄰頻段干擾等問題，目前一般采用動態(tài)頻譜分配和智能干擾管理技術(shù)來應(yīng)對。

做個類比，TDD就像潮汐可變車道，不同時間允許走不同的方向；而FDD就像雙車道，兩個車道分別行駛著兩個方向的車輛、且互不干擾。所以在給TDD分配頻段時，只會給到一個，既用于上行也用于下行；而FDD一般都是成對分配，給一個上行頻段的同時再給一個不同的下行頻段。

三、物理層

我們熟悉的4G LTE網(wǎng)絡(luò)就分為TD-LTE和FDD-LTE，從整個系統(tǒng)來看，兩者的區(qū)別很小：核心網(wǎng)完全一樣、無線接口絕大部分協(xié)議也相同，主要的區(qū)別就在于最底層的物理層（PHY）。

在通信的物理層中，幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體單位，TDD的幀結(jié)構(gòu)會比FDD更加復(fù)雜。如下圖所示，可以看到TDD的幀結(jié)構(gòu)比FDD多了DwPTS、GP和UpPTS，這些被稱之為特殊子幀。DwPTS（Downlink Pilot Time Slot）是下行導(dǎo)頻時隙、GP（Guard Period）是保護間隔、UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）上行導(dǎo)頻時隙。

又回到上面潮汐可變車道的例子，TDD相當(dāng)于一條車道有兩個方向的車輛，必然會存在控制和調(diào)度的問題。為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)開銷，TD-LTE允許使用上述特殊子幀進行“指揮”：DwPTS和UpPTS用于傳輸系統(tǒng)控制信息、GP用于對上行和下行進行隔離。

TDD對于特殊子幀，定制化設(shè)計了不同的配比方案，如下圖所示。其中D指的是Downlink subframe（下行子幀）、U指的是Uplink subframe（上行子幀）、S指的是Special subframe（特殊子幀）。表格中的5毫秒和10毫秒代表了轉(zhuǎn)換周期，即5毫秒或者10毫秒就會有一個特殊子幀，前者適合時延要求高的場景、后者對時延的保證性略差但系統(tǒng)損失的容量較小，總而言之魚與熊掌不可兼得。

四、業(yè)務(wù)場景

這里依然采用車道的例子，便于大家理解。對于同一車道，一般會存在不同的運輸場景：例如A->B方向的車輛比較多、B->A方向的車輛比較少，這種屬于不對稱場景；或者A->B和B->A的車輛一樣多，這種就屬于對稱場景。

在實際的無線通信環(huán)境中，不對稱場景的占比會更高。如果采用FDD，就會出現(xiàn)某條鏈路資源浪費的情況；如果采用TDD，面對同樣的場景，雖然會帶來一些管理上的開銷，但總體上資源的利用率會更高。

對于非對稱業(yè)務(wù)場景，如視頻流媒體和互聯(lián)網(wǎng)接入等，TDD相對于FDD具有更大的優(yōu)勢，它可以靈活配置上行和下行時隙，根據(jù)實際需求合理分配資源。此外，TDD的頻譜利用率較高，在頻譜資源有限的情況下，TDD可以更好地滿足非對稱業(yè)務(wù)的需求。

對于對稱業(yè)務(wù)場景，如語音、視頻通話等，F(xiàn)DD相對于TDD具有更大的優(yōu)勢。由于FDD使用不同的頻點進行上行和下行通信，可以避免兩者之間的干擾，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，F(xiàn)DD在長距離通信方面表現(xiàn)更好、數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠。

五、優(yōu)劣對比

TDD和FDD技術(shù)在適用的場景上有所不同，選擇TDD或FDD時需要考慮頻譜資源、數(shù)據(jù)傳輸需求和網(wǎng)絡(luò)容量等各種因素。

TDD相對于FDD的優(yōu)勢：

能靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；

可通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，靈活支持非對稱業(yè)務(wù)；

具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設(shè)備成本；

TDD接收上下行數(shù)據(jù)時，不需要收發(fā)隔離器，只需一個開關(guān)即可，降低了設(shè)備的復(fù)雜度。

TDD相對于FDD的劣勢：

TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時間比FDD短，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；

TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進行干擾隔離，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間概率性存在干擾；

為避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預(yù)留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率；

高速運動下信道變化快，TDD分時系統(tǒng)導(dǎo)致手機報告信道消息有所延遲，故TDD系統(tǒng)在高速場景下不如FDD。

這里再著重闡述下高速移動的場景：在通信系統(tǒng)中，快速移動的設(shè)備會造成多普勒效應(yīng)，從而導(dǎo)致快衰落。速度越快，信道變化越快，信道估計和資源調(diào)度的應(yīng)對時間要求也會逐步提升。在FDD中，上下行是同時的，如果手機端發(fā)現(xiàn)接收信道質(zhì)量變差，可以通過上行快速告訴基站做調(diào)整。但在TDD中，由于分時，手機報告的信道信息就會有延遲，在某次接收發(fā)現(xiàn)信道變化后，不能馬上通過上行信道進行反饋。

用過對講機的人就深有體會，在對方講話時，你不能同時講話，對方一頓長篇大論輸出，你無法打斷或者響應(yīng)，等輪到你講話時，你可能只記住了對方的最后幾句話，前面的完全記不得，最終導(dǎo)致答非所問。所以在高速場景下，F(xiàn)DD具有絕對的優(yōu)勢。

六、功耗

TDD和FDD技術(shù)介紹得差不多了，下面再從理論上（速率、噪聲等都相同的情況下）分析兩種技術(shù)對設(shè)備功耗的影響。

在硬件上，由于TDD系統(tǒng)的上行和下行頻譜是共用的，電路上的部分射頻單元完全通用，而在通訊設(shè)備的射頻模塊里，功耗最大的元器件就是功放，因此使用TDD的設(shè)備既降低了成本、又降低了功耗；FDD系統(tǒng)則需要獨立的收發(fā)隔離器，增加設(shè)備的復(fù)雜度的同時也會增加功耗。

并且在實際應(yīng)用中，不對稱的業(yè)務(wù)場景占大多數(shù)，特別是在幾乎只有上行或者只有下行的情況下，F(xiàn)DD的其中一條鏈路就會處于閑置狀態(tài)，造成了功耗的浪費；而TDD可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，只做對應(yīng)的上行或者下行數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)然以上都是理論的分析，最終還是要用實測數(shù)據(jù)來證明，搜索相關(guān)資料后，發(fā)現(xiàn)太平洋手機網(wǎng)有類似的功耗對比測試。

實驗一：

測試平臺：高通驍龍821

測試機型：華碩Zenfone 3旗艦

測試方式：同樣條件下，每隔10秒向測試機發(fā)送一次微信會話消息，記錄聯(lián)通4G和移動4G的功耗曲線和平均功耗，每種制式測試時長1分鐘

為了最大程度上避免其它變量對結(jié)果的影響，測試均采用同一臺手機，并關(guān)閉除測試項目（微信）之外的所有聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及應(yīng)用推送。

測試前還對聯(lián)通和移動的信號強度進行了一次測試，保證整個測試過程都處在相對良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行。

測試結(jié)果如下圖：

?

從測試的結(jié)果來看，兩者之間的差別并不大（圖表開頭和結(jié)尾的兩處峰值為開啟測試工具和保存測試數(shù)據(jù)時所產(chǎn)生的功耗），不過，本次測試中聯(lián)通4G的平均功率約為421mW，移動4G平均功率為407mW，可以得知聯(lián)通4G確實更加耗電。

但由于測試時間不長，數(shù)據(jù)也不夠多，上述實驗的差距非常小，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，實驗人員又做了一次下載測試。

實驗二：

測試平臺：高通驍龍821

測試機型：華碩Zenfone 3旗艦

下載軟件：手機迅雷（V5.11，新版已不支持下載速度限制）

測試方式：同樣條件下，采用手機迅雷下載同一個文件，進行兩次測試——限速（50KB）下載和不限速下載，并匯總其平均功耗，每次測試時長1分鐘

為了最大程度避免其它變量對結(jié)果的影響，測試均采用同一臺手機，并關(guān)閉除測試項目（迅雷）之外的所有聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及應(yīng)用推送。測試結(jié)果如下圖：

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看出，在限速50KB的情況下，聯(lián)通4G和移動4G下載1分鐘平均功耗約為520mW和452mW；不限速的情況下，聯(lián)通4G和移動4G下載1分鐘平均功耗約為979mW和705mW，功耗差距進一步擴大，聯(lián)通4G確實會比移動4G更加耗電。 ?

七、總結(jié)

TDD和FDD是無線通信中常用的傳輸技術(shù)，它們在應(yīng)用場景上有所差異，了解TDD和FDD的原理和特性，有助于我們在實際應(yīng)用中選擇合適的技術(shù)方案。

通過本文的介紹，希望讀者能夠?qū)DD和FDD有更深入的了解，同時我們也期待TDD和FDD在未來的發(fā)展中能夠不斷創(chuàng)新和完善，以滿足不斷變化的通信需求。

作者簡介：「hsd」

審核編輯：黃飛

?