TDD的关键技术及其应用前景

1、引言

时分双工（TDD）是一种现代通信系统常用的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与发送信道（或上下行链路）。如图1所示，在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，用时间来保证接收与发送信道的分离。而传统的频分双工（FDD）方式的移动通信系统的接收和发送使用分离的两个对称频率信道承载，用频段来保证接收与发送信道的分离。

图1　TDD和FDD的工作原理

由于TDD方式中上下行信道使用同样的频率，上下行信道具有互惠性，从而使TDD方式的移动通信系统呈现出一定的独有特点。例如频率配置的便捷性，非对称业务的相对灵活性和业务信道易于体现智能天线优势等。

目前，随着以PHS、SCDMA、TD-SCDMA和WiMAX等为代表的TDD方式移动通信系统的陆续出现和发展，TDD相关技术的研究和应用也日益受到重视。本文将从TDD方式的相关技术、优缺点以及TDD方式在未来移动通信系统中的地位等方面，分析采用TDD方式的移动通信系统的特点与发展趋势。

2、TDD相关关键技术

2.1　智能天线技术

智能天线技术使用一组 天线和对应的收发信机按照一定的方式进行排列和激励，利用波的干涉原理产生具有较强方向性的辐射方向图。智能天线以多个高增益窄波束动态地跟踪不同的期望用户，提高用户接收的信号功率，同时将赋形波束之外的非期望用户受到的干扰加以抑制，从而在一定程度上降低多址干扰（MAI），提高通信系统的容量，增加接收灵敏度。

20世纪90年代中期，世界各国开始考虑将智能天线技术应用于移动通信系统。美国Arraycom公司在PHS系统中实现了智能天线；北京信威通信公司也成功开发使用智能天线技术的SCDMA无线通信系统。1998年中国向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统。在WiMAX宽带无线接入技术中，将智能天线作为系统实现的一项可选技术， 802.16e协议定义了专用流程来支持完全自适应的波束赋形算法。

在TDD系统中，上下行链路使用相同频率，且间隔时间较短，链路无线传播环境差异不大，在赋形算法中可以近似使用相同权值。与之不同的是，由于 FDD系统上下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不同，根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路。因而，TDD方式更能够体现智能天线的优势。

但是智能天线在使用过程中依然存在诸多的限制。在采用TDD方式的移动通信系统中，智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束，提高系统性能较为直接。但当用户仅处于接收状态下，同时在基站覆盖区域内移动时（空闲状态），基站无法预知用户方位，必须使用全向波束进行发射。

此外，必须在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间进行折中。目前的实用智能天线算法还难以解决时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒效应造成的信道恶化。在多径严重的高速移动环境下，将智能天线和其他抗干扰的技术结合使用，才可能达到更好的效果。另外，智能天线的性能随天线阵元数目的增加而增强，但是增加天线阵元的数量，必将提高系统的复杂性，特别是在较低频段工作时。巨大的智能天线重量将会给工程施工带来麻烦。

2.2　联合检测技术

联合检测技术是多用户检测技术的一种。传统的CDMA系统信号分离方法是把MAI看作热噪声，将单个用户信号看作是各自独立的过程进行分离。实际上，由于MAI中包含一定的先验信息，如已知的用户信道码和各用户的信道估计等，因此MAI不应该被当作噪声处理，它可以被利用起来以提高信号分离方法的准确性。在采用TDD方式的TD-SCDMA系统中，帧结构中专门设置了用于信道估计的训练序列，根据接收的训练序列信号和已知训练序列估算信道冲激响应可以实现联合检测算法。

通过联合检测算法，可以在一定程度上抑制干扰，扩大容量，降低功控要求，削弱远近效应。理论上说，联合检测技术可以完全消除MAI的影响，但在实际应用中，信道估计准确性将直接影响到干扰消除的效果，同时，随着处理信道数的增加，算法的复杂度指数也增加，如果进一步考虑小区间干扰的抑制，实时算法将难以达到理论性能。

2.3　上下行时隙非对称配置技术

在TDD方式的移动通信系统中，接收和发送使用同一频率的不同时隙，因此在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。依据不同TDD系统帧结构的特点，通过配置上下行业务时隙的数量，可以实现不同业务需求下的数据传送以满足上下行非对称业务的需求，如浏览网页、视频点播等。图2给出了对称（上行3时隙/下行3时隙）和非对称（上行1时隙/下行5时隙）的