14.1 TDD原理在线视频

同学们大家好

今天我们讲第14章的内容

TDD移动通讯系统

这一章我们分为5个部分来介绍

首先先给大家

概念性的

描述一下TDD的一个基本原理

也就是时分双功

它的基本原理

然后我们从3G还有B3G

移动通信的一些典型方案

出发给大家讲一讲

实际的移动通信标准当中的应用

第二部分

我们重点给大家介绍了

TD-SCDMA

也就是我们国家的

自主知识产权的3G标准

它的一些关键技术

第三部分

和第四部分

我们简单的描述一下

3G之后

TDD系统的一些增强

包括UTRA TDD和TD-HSPA

最后我们做一下总结

好

首先我们先看一下呢

TDD

时分双功这个概念

咱们在前面

其实已经反复的提到过

我们是单独列到这一张内容

给大家重点介绍一下

它相对于FDD

频分双功的一些差异性

我们在第三章

讲多址的时候

曾经已经提到过

现在最主要的双功方式

就是两种

一种是FDD

双功方式

也就是所谓的频分双功

另外一种也就是时分双功

那么所谓双功

指的是它的上下型链路

工作的模式有所差异性

如果是频分双功的话

上下线电路采用的是不同的频率

假如是时分双功TDD方式的话

上下行实际上采用的是相同的

频率

但是不同的这个时间

我们用时间来区分的上下限

这个系统

它的从射频端来看

我们看一看

TDD系统

相对于FDD系统

它的主要的特点

大家看胶片上给的

这就是一个tTDD系统的结构

那么上半支路是发送

下半支路是接收

我们把这个系统

与FDD的系统做一下比较

我们看FDD的系统

它也是类似的

有基带发送

这是鸡蛋

然后中频有射频

这是一个功放

发出去

然后类似接受端

也应该有个低噪放

来接受放大

然后再进行了下变频和基带处理

我们就不写了

对于FDD系统来讲

大家注意

它也是依附天线

但是有两个支路方向

那么这两个支路方向

对于FDD系统而言

它是通过合路器

因为我们这儿应该有个合路器

也就是所谓的上下行两个链路

我们把它合并到一起去

通过耦合合录的方式

然后在同一幅天线上进行发送

人家观察

上之路相当于是发送

下之路相当于是接收

那么上下这两个之路

他都是在同一个天线上

承载的

所以fFDD系统

它实际上区分上下行链路

我们合路器

你可以理解为是两个滤波器

那么是

发送呢

得有一个发送的载波

比如这是fc1

接收

有个接收的载波

比如说fc2

所谓合路器

有两个滤波器

合并起来的

那么发送和接收他们的工作频段

有滤波器可以隔离

这就是FDD的结构

一般来讲

合路器

它的成本是比较高的

它这个是一个宽带的

高指标的高性能的模拟滤波器

一组模拟滤波器

所以它的成本比较贵

我们与之相类比

咱们看对比分析一下

看看TDD系统结构

它在基带产生信号以后

要进行上变频

这个和FDD是一样的

我们经过正交调制

然后把它从基带搬移到

或者是中频

或者直接临中频搬移到射频

上变频了之后

搬到载波频段以后

然后进行带通滤波

滤波以后把小型号放大

后面加上一个大功率的功放

这是一个大功率

工作

那么这样的话就发出去了

收端一样的

也要做一个低噪放带通滤波

然后下变频

从射频或者中频的搬运到基站

然后基带来进行接收处理

因为这就是接收制度

那么发射之路和接收之路

在FDD系统当中

我们观察

它与 TDD系统而言

主要的差别

就在这天线

下来的信号

那么天线端口信号的合并处理

以我们刚才已经提到过

FDD的系统

它有上下行两个链路上的

信号

实际上是通过这种合路器

来合并为一路的

而在系统当中

我们不再用合路器了

我们换成了开关

大家观察这就是个开关

如果开关打到上支路

那么这个信号

也就发送的信号

就能从天线上发出去

如果说开关打到呢下支路

那么天线就所接收到的信号

就能够送到

接收电路当中来

而这个开关它是一个

模拟器件

请大家注意

它是一个

模拟器件

不是数字的这是模拟器件

开关

它是靠靠这个时间

不同时间段

来进行控制的

有的时间段

打到上之路发送

另外的时间段

切换到下之路来进行接收

也就是说我们靠

不同的时间或者时期

来区分上下行

所以

TDD和FDD之间的差别

就在于这

FDD是靠合路器

来合并上下进行链路

而它是靠这种模拟的开关

和开关器件

来合并上下行的支路

这就是它们两者最主要的差别

一般而言

模拟开关

它的成本要远低于

合路器

所以TDD在器件上的成本

相对于FDD而言

要低一些

所以这是它在设备成本方面的

一个优势

我们简单的回顾一下

TDD双功方式

在移动通信当中的应用

用TDD这种双功方式

它的应用可以追溯到2G时代

在GSM那个时代

有一些2G局部区域

有一些国家的2G商用系统里面

已经初步应用了TDD系统

比如说

PHS

我们在前面

曾经给大家介绍它的

一些基本概念

就是小灵通

那么日本原来运营过的小灵通

业务

后来在咱们国家也做过

一段时间的运营

还要能像欧洲的

这些知识当中

其实已经拥有过了TDD双功方式

但是当年因为模拟器件呢

模拟开关

它的质量

还不是令人特别满意

在控制上面还有一些缺陷

所以这个只是一个初步应用

到了3G时代

我们国家集中了很多的人力物力

还是研究

我们具有我国自主知识产权的

3G标准

那么代表性置身就是TD

SCDMA

由于TD-SCDMA的

标准化

以及后来

中国移动

大规模商用

3G制式

也就TDSCDMA 所以TDD技术

优势

越来越得到人们的重视

到了第4代移动通讯体制当中

TDLTE就变得

成为

与FDDLTE同等重要的

制式

那么现在TDD的模式

与MD一样

它具有很大的商用的成熟度和

潜力

下面我们就来给大家归纳一下

TDD在技术上面

它的一些特点

它主要的一些优势

首先我们先看一看呢

TDD最典型的一个特点

所谓的信道互易性

我们举胶片上的场景图

是做示例

我们说明一下

大家看

在这个场景图当中

有基站有移动台

基站和移动盘

相互通信的时候

因为我们现在是TDD模式

时分双功的场景下

那么基站和移动台

它的工作频段

是相同的

比如说都是载波fc

因此

基站向移动台发射的电磁波

和移动台向基站发射的电磁波

也就是上下线电路的信号

因为他工作在相同的频段上

所以上下行链路

他经历的电磁波

所在传播环境当中

所经历的衰落

或者是地理环境的差变化

实际上呢是类似的

也就是说

上下行

链路

具有对称性

同学们看这个场景图当中

移动台到基站

还有这4条路径

对吧

有路径一

这是一棵树

一个路径二

这是一个房子

有路径三

这是辆汽车

路径四

这可能是个建筑物

因为他的工作频段

上下心是一致的

第一站段来看

基站发射的电磁波

也要经过这4个不同的障碍物

或者路径

才能够汇聚到移动台段

所以我们就能观察到的

基站和移动台

它所经历的衰落

或者地理环境是类似的

近似相等

我们就称为是互易

也就是说它的上行和下行电路

它经历了相同的地理环境

或者接近于相同的

路径衰落

或者信道衰落

这就是它的信道互易系统

信道互易性是TDD最大的一个

特点

这是它的典型特性

典型的特性

正因为有这样的典型特性

大家想想

相当于是说信道的冲激响应

在上行和下行

移动台和基站端

所经历的信道冲击响应

就是近似相等的

正因为具有特性

那么我们就没有必要

在上下线链路发送的时候

插入

这个开销很大的导频了

实际上

因为它上一项新内容是类似的

我们在一端插入一部分导频

那么在另外一个方向上进行估计

只要信道响应

都属于是同一个相干带宽

那么这个时延

就我要估计的时间

小于呢

相干带宽的话

那么我们就能够在基站和移动台

这两侧

都能够获得

相对比较准确的

信贷响应信息

这样既能够减少

当庭的看一下

又能够提高信道估计的准确性

所以信道互易性

就是很大的一个优势

它是TDD系统的

最典型的一个特性

但是需要指出的是

请大家注意

信道互易性

我们现在讨论的

只是一个理想的情况

也就是只讨论单链路上的TDD

系统

它的发射和接收

确实具有信道互易行

但如果在实际的蜂窝场景当中

有临小区的干扰

有同频的用户间干扰

那么由于这些干扰的存在呢

这个信道互易性

只能是近似成立的

那么理论上

我们可以知道呢

信道互易

要成立的话

必须要求信道

是一个线性系统

一般来说只有

它是一个对于实际情况而言

只有衰落性倒是线性时变

或者时不变系统

那么信达互易行才是成立的

假如我们是多小区

多基站

多用户来进行组网的话

往往发射机和接收机

它经历的干扰会有差一些

还有其他一些非线性效应

这个时候呢

信道互易性就不完全成立了

这是它的第一个特点

第二个请大家注意

信道互易性

我们在延时上面是有要求的

其实我们刚才已经强调过了

也就是说

你要插入

再比如说在基站端我插入导频

那么在下行发送

移动台这一侧

我在上行进行估计

一个方向上插着导频

在另外一个方向上

估计新岛襄应

想这么做

一方面

我们得利用了信道互易性的特点

另外一方面

请大家注意

它的信道互易在延时上面

必须要满足

这个信道估计

与我预测

你要信道估计和预测

它的时间间隔

也是我们刚才提到的T

要远小于呢

相干时间

也就是说呢我这是一个

信道冲激响应

你要在这个地方插导频

我估计

一个相干时间当中的

其他位置上的寻找响应

估计或者预测

这是可以做得到的

因为它是在一个相干时间里面

这都是一个TC 但如果说

你是在这个位置上插导频

然后隔了好几个相干时间之后

故这个位置上信道响应

那这是不可能的

因为这已经超过了相干时间了

插导屏的位置

和你估计的位置之间

它们已经不具有相关性

它就变成了独立了

所以这样的话就失去意义了

考虑到这个问题

请大家想一想

信到互易性的成立

实质上是依赖于相干时间的长短

只有相干时间

相对长一些的情况下

那么我们插导频估信道

才能够得到比较准确的结果

假如相干时间很短

信道变化特别剧烈的话

那么我们这种信道互易性就不

满足了

它就跟不上现代的动态时变

信到的相干时间

我们前面曾经提到的倒数

它的

实际上就约等于

最大多谱的平移

也就意味着说

只有在低速运动

多普勒效应

不是特别明显的情况下

TDD

利用信道互易性

才能够做到减少开

提高了新的估计的准确性

反之

如果说

是高速运动

车速

或者是高铁

或者是磁悬浮

或者是飞机

这些高速运动的场景下

它的多普勒平移很大

相干时间呢就会非常的短

这种情况下

信道互易很难成立

所以我们进行插入导频

进行对端

或者另外一个方向的估计

误差就非常大了

在高速运动的情况下

其实TDD系统

它们是没有优势的

往往是存在一定的

具技术的局限性

这也是 TDD系统

它的一些技术局限性

一般情况下

TDD系统只适用于中低速移动

通信

在高速运动的情况下

的早期

人们认为这是TDD不太适用

的场景

当然因为现在随着技术的发展

哪怕是4G

或者5G这样的系统当中

即使是TDD的模式

实质上讲

也可以支持高速移动

场景下的传输了那么嗯

对于信互易行

我们就介绍这么多了

我们下面再看

TDD系统的另外一个特点

TDD系统

因为它的上下行

都是工作在相同频段

不同时间的

所以它比较方便的

可以对非对称的业务进行适配

我们在移动通信当中

有两大类业务

一类是话音业务

一类是数据业务

这个数据业务

往往具有这种非对称性

那么是一般来讲是下行链路

速率高

上行链路

一般是速率低的

也就是说呢我们下载的多

上传的少

数据业务与无线

或者移动的数据业务

是一种典型的非对称业务

那么在FDD系统当中

对于这种非对称业务的支持

实际上是不够经济的

我不管你是上下型电路

它的数据实际传输的速率有多高

差异性有多大

我总得跟你分配两个对称的频段

一个频段传下去

一个频段传上去

而对于TDD系统来讲

它就可以比较灵活和方便的

去支持非德省业务

因为它都是时分方式的

也分配不同的时间

给上下线链路

假如说下行链路数据速率高

我再分配时隙的时候

你就多分配一些

上线链路数据速率低

我分配时隙的时候

就可以少分配一些

并且上下行时隙的配比

可以根据

业务上下行的数据速率的变化

而进行优化调整

这样

方式

对于TDD系统而言

相比于FDD系统

可以更好的去适配

非对称的数据业务的要求

所以这种信道的非对称性

对于TDD系统而言

是更容易支持的

TDD系统的第4个特点

我们得着重强调一下

这个并不是他的技术优势

而是他必须要保证的一个技术

条件

TDD系统当中

非常严格的要求

同步关系

这是我们所谓的同步发送

请大家再回顾一下

我在前面提到过的同步这个概念

我们这儿讲的同步

并不是最基本的

收发之间

数字通讯系统的同步

我们这儿讲的是

一个小区当中

各个用户之间的同步

也就是所谓的小区内

同步

同时我们在考虑小区间同步

那么对于TDD系统来讲

比如说我们在胶片上

给的场景图

这是一个基站

有两个移动台

有UE1有UE2

这是

同一个服务小区的两个移动台

因为这两个移动台

他距离基站有远有近

比如说

U1

还是在小区中心

距离基站比较近

它的相对时间比较小

U2在小区边缘

它距离基站远时间

那么对于这两个

不同延时的用户而言

如果我们不考虑这个时延的补偿

那就变成一个用户间的异步系统

如果是这样的话

这两个用户之间

由于达到了理想的同步关系

就很容易产生用户间的相互干扰

这种干扰请大家注意

还不是我们在FDD系统当中

只是下行和下行

或者上行和上行之间的干扰

实际上比这些干扰

要增加一倍以上的干扰

因为这两个用户

他们还要靠

时分的方式

来区分的上下行电路

也就是说在UE1和UE2这两

与基站的通信的这两条链路上

它既有下行

也有上行

极有可能

一个链路的下行

与另外一个链路的上行

因为时序没有对齐

没有同步

没有完全同步

它们之间会有重叠

换言之的这样的干扰呢

比原来的同步情况下的

FDD系统

要增加一倍以上

考虑到这个问题

在系统当中

要求采用两类措施

第一类措施

必须在上下行之间

上下行时隙之间

要引入保护时间间隔

要实现可靠稳定的上下行的切换

要有一段保护时间

保护时间里面

什么都不传

只不过是在保护时间里面

必须实现的双向性的切换

第二个

我们要求严格同步

对于TDD系统而言

都要求严格同步

请大家注意

这个地方的同步指的是各个用户

之间

他们在时序上

在接收端看起来是同步的

就像我们在胶片上给的事例一样

用户一和用户二发送和发送

接收和接收

从两侧来看

我收到的

这个不管是用户的信号

还是基站的信号

都应当相互对齐

这样才能够不产生

链路间

以及用户间的相互干扰

所以同步的发送

对于TDD系统来讲

是必不可少的

如何来实现呢

同步发送呢

它所用到的机制

和我们在上一章讲过的是类似的

其实都是通过反馈

信令通过反馈的信令

发送同步的调整指令

从而能够保证

这个接收端所说的

不同用户的信号

在时序上是相互对齐的

是近似同步的 那么紧接着我们再看

TDD系统的

第5个特点

这个特点实际上和前一个同特点

就同步发送

是密切关联的

TDD系统对于同步的要求

比FDD系统要严格

只有在严格同步的情况下

TDD系统才能够正常工作

如果我们从反面来理解的话

假如说这个系统它存在

由于偶发的原因

导致存在的同步误差差

那么这个时候

TDD系统

相对FDD系统来讲

更容易受到干扰

它所经历的干扰更大

这也就是 TDD系统

它的一个根本性的局限

也就是说我们看胶片给的示意

假如说你同步完全同步好了

那么用户之间

是没有任何干扰的

也就是我们看到这个图的右侧

这就无干扰情况

但是如果说你同步不好的话

这干扰也很大

他们上下行之间相互干扰

上行之间相互干扰

同时上限和下限之间也相互干扰

所以这样的话

这个系统的干扰

相对FDD系统而言

是更大的

为了减少系统内部的干扰

一般来讲

TDD系统当中

往往需要采用一些

减少干扰的措施的

典型的措施

你比如说可以采用异频组网

相邻的小区

采用的工作频率是不一样

这样子虽然可以减少干扰

但是也降低了

整个频谱的使用效率

也就是频频谱的用率

更好一点的方法是

现在我们普遍采用的

也就是所谓的

无线资源管理

或者是动态性的分配

就DCA

通过这样的时隙的动态分配

可以尽量降低用户间的干扰

提高了系统的吞吐率

这也是TDD一个一大特色

好

那么我们把前面讲过的

TDD的一些技术特点

我们做一些归纳

它既有优势也有缺点

TDD系统的技术优势

主要可以概括为三点

第一点

我们刚才已经介绍了

它用模拟的切换开关

代替了双功器

那么模拟切换开关的成本也远

低于双功器

所以它的系统结构比较简化

成本比较低

有利于新技术的应用

第二个特点

TDD系统它灵活支持

非对称业务

它对于非数据业务的

非对称性适配

要远好于FDD系统

第三个优点就是TDD系统

它的频段分配

更灵活

它的频谱效率呢更高

或者频谱的利用率更高

这一点是很容易理解的

因为我们知道

TDD系统

它其实只需要一个频道

因为上下行

都是工作在频段上的

好多在这种无线频段当中

很难去找到完全对称的两个宽频段

用于去支持ITD系统
很难去找到完全对称的两个宽频段

用于去支持ITD系统

好多时候呢有一些频谱碎片

那么只有很窄的一段带宽

那么这样的

碎片化的一些频谱

就可以拿来做TDD运营

因为它只要一个平台就够了

所以它的灵活性

和平台利用率

相对于FDD要更好一些

当然整个TDD技术

也是存在一些缺点

就没有任何一项技术

是只有优点

没有缺点

这是不够客观的

我们从辩证的角度来讲

也可以归纳TDD系统的一些缺陷

第一个

由于它的信道互易性

它的应用是受限制

它只能应用于低速场景

所以TDD的技术

它的移动速度

是受到限制的

小区的覆盖距离也受到限制

这是它首要的一个缺陷

第二个我们看

TDD系统

它的信号的发射

实际上是一个间隙式发射的

因为它的上下行要进行切换

有信号

在特定的时期发送

那么过了这个时期

你就能静默了

所以它这个信号是突发式的

或者说

是脉冲式的

脉冲式的这样的发送信号

它往往在瞬时

信号的功率会比较大

对其他的一些这种电器信号设备

会产生比较明显的干扰

你比如说像电视机

就会很容易受到

这个低频移动通信的

一些低频的突发事干扰

比如说像以前的GSM

我们大家有过这样的生活经验

以前我们看电视

都看的是那种

外接电视

就靠天线

然后收到无线的电

整个电视台的信号

然后在球形屏幕上放出来

那个时候如果我们在

用GSM手机打电话

这个有手机信号

并且我这个电话

简直放到了

电视屏幕的附近

而且很容易能看到的

电视屏幕上的

球星屏幕上的扫描线会有波纹

那就是受到了

Gsm的突破信号的干扰

那么TDD系统也是类似的

还有这样的突发干扰

第三个局限性就是TDD

它对于时频

或者系统的时频

同步要求是比较高的

同步精度要求是比较高的

因为这个原因

TDD系统

它在时频同步技术上的处理难度

比FDD系统比较大一些

在尤其是网络侧的处理

是比较复杂的

好

以上就是我们对TDD的一些

基本原理的介绍