1.2 TDD在移动通信发展中的作用及意义

1.2.1 频率重要性及TDD技术原理

频谱是移动通信数据的载体，是不可再生的战略资源，是移动通信网络建设与发展的必备条件。频率可类比“土地资源”，为了让频率使用更为有序和有效，需要主管部门根据移动通信业务发展需求，对频率进行规划（确定某段频率使用的系统）和分配（确定谁可以“开发”某段频谱），更需要设备厂商、运营商在不同频段上量身开发、部署和运营，最终为各类用户提供优质的服务。

FDD和TDD是移动通信系统中最主要的两种双工方式。第一代和第二代移动通信系统均是FDD制式，从第三代移动通信系统开始，出现了TDD制式。这两种双工方式在频谱的使用上有明显的区别。采用FDD模式的无线通信系统的接收和传送在分离的两个对称频率信道上，用保护频率间隔分离上下行链路。而 TDD 是一种通信系统的双工方式，在无线通信系统中用时间区分，接收和传送在同一频率信道（载频）的不同时隙，用保护时间间隔分离上下行链路。FDD 和TDD原理示意图如图1-5所示。

1.2.2 TDD的技术优势

与FDD相比，TDD主要有以下优势。

（1）灵活高效承载非对称数据业务，资源使用更有效

在多样化的业务应用中，非对称的数据业务会占据越来越大的比例，大部分业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量不对称。早期移动通信业务以双向语音业务为主，每个用户的上下行通信速率相当，因此具有上下行对称频率带宽的FDD 系统更加适配这种应用，但在3G及后续世代承载以数据通信为主的非对称业务时会造成对频谱资源的浪费。而 TDD 系统可以通过配置上下行切换点位置，灵活地调度系统上下行资源，使系统资源利用率最大化，如图1-6所示。因此TDD系统更加适合非对称数据业务和移动互联网业务。随着智能手机的飞速发展及其日益增长的应用，移动应用越来越以下载为中心。视频下载已经占整个网络的整体数据传输的很大一部分，导致网络下行和上行流量比例常达到4:1～6:1甚至更高。事实上，一些运营商正面临大约10:1的下行和上行流量比例。TDD灵活可配置的上下行时隙比例，使其能够满足上行链路/下行链路业务传输的不对称性。

（2）TDD频谱规划和分配灵活、频率资源丰富，更容易获取大带宽频率资源

频谱是所有无线通信的基础，除了2G、3G、4G、5G公众移动通信系统所属的移动业务以外，常见的还有无线电定位业务、固定业务、卫星固定业务、卫星移动业务、广播业务、航空移动业务、射电天文业务等，此外，移动业务中除了公众移动通信系统外还包括专用移动通信系统，如对讲机所属的数字集群系统应用、电力、石油、水力等专有的移动通信系统等。上述应用占用了大量的适合通信的频谱，未来想获得新的空闲频谱或者重耕现有频谱变得越来越困难。

TDD采用非对称频谱，不像FDD那样需要成对的频谱资源，对频率分配的要求更简单、灵活，能够灵活地利用一些零碎的频谱，更容易获得连续的大带宽频谱。而 FDD 要求的成对频谱资源越来越稀缺，特别是大带宽的频谱更加难以获得。对于5G、6G等制式，对于中高频段，大的载波带宽是该制式的特色配置，采用TDD更容易获得连续的大带宽频率资源。因此，TDD成为5G时代2GHz以上新频率的优选划分方式。目前全球主要经济体的FDD和TDD频谱规划和分配情况统计见表1-4。

（3）TDD具有信道互易性，有利于智能天线、大规模天线等先进天线技术的使用，可以带来更高的频谱效率

智能天线采用空分多址（Space Division Multiple Access,SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其他用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，也减少了移动通信信道的多径效应。智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了单位频率带宽上传输的数据量，提升了频谱效率。

智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性（即空分多址复用功能）来提高系统的容量和频谱利用率。智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线需要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。根据以上基本原理，采用智能天线和波束成形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：提高了基站接收机的灵敏度和基站发射机的等效发射功率、降低了系统的干扰、增加了 CDMA 系统的容量、改进了小区的覆盖、降低了无线基站的成本。由于采用智能天线后，应用波束成形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率，因此，能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量得到扩大，同时也可以使业务密度高的市区和郊区所要求的基站数目减少。

TDD模式，上下行采用相同的频带，与上下行采用不同频带的 FDD 模式相比，使用智能天线能获得更好的性能。这是因为通常来讲，智能天线赋形功能的实现需要在对接收信号进行估计的基础上获得一组权重参数，并使用这组权重参数对发射的信号进行加权处理，从而形成发射赋形波束。TDD模式中，上下行采用相同的频带，因此上下行信道具有高度互易性。换句话说，根据对接收信号的估计提取的参数能准确地适应发射信道的特性。而 FDD 模式中，为了避免上下行间干扰，通常在上下行频带间设置较大的隔离频带，因此上下行信道的互易性相对 TDD 要差很多，使用智能天线的增益也就远低于期望值。

智能天线技术在3G的TD-SCDMA、4G的TD-LTE中都得到了广泛应用。在基于TDD的5G NR中，TDD的信道互易性使它更有利于部署大规模MIMO。依赖于 TDD 的上下行链路的信道互易性，基站可以基于测量的上行信道质量信息，估计下行信道质量，从而更好地进行波束成形。大规模MIMO正是利用这一点增强下行链路传输容量，同时最小化干扰，从而可以带来数倍的传输效率的提升。

1.2.3 TDD面临的挑战

与FDD相比，TDD主要面临以下挑战。

（1）系统内干扰更为复杂、基站间同频自干扰是影响TDD能否大规模组网的关键TDD除了具有FDD的上行信号对上行信号和下行信号对下行信号的干扰外，还具有 FDD 所没有的下行信号对上行信号的干扰、上行信号对下行信号的干扰。由于上下行使用相同的频率，远端基站的发射经过一定的传输时延后，有可能落到本地基站的上行接收时间窗内，从而造成 TDD 特有的基站间的上下行干扰，大规模组网下，若不做任何控制，基站间自由传播将造成站间时序失步，导致大面积基站瘫痪，且站间干扰如药物“副作用”，因场景而异，发现、识别和根除均非常困难。TDD基站自干扰特性导致前期应用的TDD系统仅能作为局域组网技术（如“小灵通”“大灵通”）。只有攻克干扰问题，TDD 技术才能大规模组网，成为全球移动通信主流技术。

为了降低上述干扰，TDD系统在系统设计中需要预留或加大上下行时隙保护间隔的设置，并采用一些工程手段。

（2）TDD系统对系统同步要求更为严格

为了避免上下行信号间的干扰，相对于FDD系统，TDD系统对上下行信号的时隙对齐的要求更为严格，因此对系统设备的时间同步实现要求更高。

（3）TDD系统时延略大于FDD

由于上下行信号发送通过时分方式进行区分，在信号传输过程中，相对于FDD系统，TDD系统存在一定的时延。传输时延包括功率控制、自适应编码调制、多天线信道状态的反馈、测量反馈、切换/用户平面和控制平面传输时延等。这些时延给系统性能带来一定影响。时延大小取决于上下行切换点的周期长短。以TD-LTE为例，由于采用1ms的传输间隔，上下行信号切换周期最短为5ms，因此造成的时延很小，对系统性能影响不大。

（4）TDD系统高速移动支持能力弱于FDD

FDD系统上下行信号在时间上连续发射，而TDD系统上下行信号不连续发射，当用户的移动速度很高时，信道估计和多普勒频移估计难以跟上高速移动速度的变化，导致TDD系统在高速移动场景的性能弱于FDD。

（5）TDD系统有利于智能天线、大规模天线等先进技术的使用，但也因此带来相应的复杂度的增加。

智能天线及大规模天线是TDD系统先进技术的特色。TDD系统的性能将随着天线阵元数目的增加而增加，但是增加天线阵元的数量，将增加系统的复杂性，基带数字信号处理的量将呈几何级数递增，并带来设备成本的增加。同时，通道数及天线阵元数的增加，将带来设备重量体积的增加，给工程施工部署提出了更高的要求；并将带来设备功耗的增加，给网络运维带来了更高的挑战。