【5G百科】5G是怎么實(shí)現(xiàn)TDD的?
本期5G百科的主題是:5G是怎么實(shí)現(xiàn)TDD的? 首先我們先看看一些基本概念,明確下TDD和FDD的區(qū)別,以及實(shí)現(xiàn)TDD的必要性。
移動(dòng)通信的主要參與方是基站和終端(最常用的是手機(jī),下文將直接以手機(jī)稱呼)。雙方通信時(shí),需要有個(gè)明確的收發(fā)關(guān)系。由于基站高高在上,因此把基站發(fā)射,手機(jī)接收這條路徑叫做“下行”;反過來,把手機(jī)發(fā)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(shí)工作就叫做“雙工”,是移動(dòng)通信必須要解決的最基礎(chǔ)問題。那么怎么使用有限的頻率來實(shí)現(xiàn)雙工呢?業(yè)界一直有兩種解決方案:頻分雙工(FDD:Frequency Division Duplex)和時(shí)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(dāng)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(dāng)于只有一條車道,但我讓上下行數(shù)據(jù)在不同的時(shí)間來使用這條通道,上行發(fā)一會(huì)數(shù)據(jù),下行再發(fā)一會(huì),輪著來。由于上行和下行每次發(fā)送信息占用的時(shí)間非常短,人根本感覺不到斷續(xù),這樣也就實(shí)現(xiàn)了雙工。
在實(shí)際的應(yīng)用中,由于FDD的方式簡(jiǎn)單粗暴,易于實(shí)現(xiàn),性能可靠,因此在2G時(shí)代得到了大量的應(yīng)用。我們熟悉的GSM和CDMA都是頻分雙工。
到了3G時(shí)代,由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的興起,上下行需求不對(duì)稱開始顯現(xiàn)。大部分人上網(wǎng)都是以下載為主,上傳的需求很小,因此下行流量往往是遠(yuǎn)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(diào)整,明顯是對(duì)寶貴資源的浪費(fèi)。并且,隨著頻譜資源越來越緊張,上下行成對(duì)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(shí)長(zhǎng)可以靈活配置,比如對(duì)于下載業(yè)務(wù),可以把下行時(shí)間設(shè)為80%,上行時(shí)間設(shè)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(duì),因此可以很方便的利用零碎的頻譜。就這樣,從3G時(shí)代TDD開始嶄露頭角,誕生了TD-SCDMA技術(shù);在4G時(shí)代,TDD LTE已經(jīng)開始挑戰(zhàn)FDD LTE,在全球得到了廣泛的應(yīng)用;而到了5G時(shí)代,TDD雙工方式已經(jīng)成為了絕對(duì)首選。下面我們來看看5G是怎么實(shí)現(xiàn)TDD的。首先回顧一下5G的幀結(jié)構(gòu),如下圖所示。
首先,每個(gè)無線幀時(shí)長(zhǎng)10毫秒,含10個(gè)1毫秒的子幀。每個(gè)子幀根據(jù)參數(shù)集的不同,含有不同的時(shí)隙數(shù),子載波寬度越寬,時(shí)隙數(shù)越多(具體數(shù)值見上圖),但子幀的長(zhǎng)度都是1毫秒不變的。每個(gè)時(shí)隙,不論時(shí)間長(zhǎng)短,都含有14個(gè)符號(hào),這是5G無線資源分配的最小時(shí)間單位。為了靈活使用這些符號(hào),3GPP了定義了56種時(shí)隙格式,明確了時(shí)隙內(nèi)部的符號(hào)組合方式。
在一個(gè)時(shí)隙中,可以有3種符號(hào):下行符號(hào)(D),上行符號(hào)(U),以及靈活符號(hào)(F)。靈活符號(hào)既可以作為上行使用,也可以作為下行使用。
那么這些時(shí)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(gè)下行時(shí)隙 + 1個(gè)靈活時(shí)隙 + 若干個(gè)上行時(shí)隙。其中,下行時(shí)隙可以有多個(gè),每個(gè)時(shí)隙中的14個(gè)符號(hào)全部配置為下行;上行時(shí)隙也可以有多個(gè),每個(gè)時(shí)隙中的14個(gè)符號(hào)全部配置為上行;靈活時(shí)隙只有一個(gè),可以靈活設(shè)置下行符號(hào),靈活符號(hào)和上行符號(hào)的比例,只要上面那張表里有定義就行。綜上,TDD的幀結(jié)構(gòu)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(fā)頻段3.5GHz上,采用30KHz子載波間隔,業(yè)界有如下三種主流的幀格式。2毫秒單周期:每個(gè)周期內(nèi)2個(gè)下行時(shí)隙(D),1個(gè)上行時(shí)隙(U),1個(gè)靈活時(shí)隙(S)。
2.5毫秒單周期:每個(gè)周期內(nèi)3個(gè)下行時(shí)隙(D),1個(gè)上行時(shí)隙(U),1個(gè)靈活時(shí)隙(S)。
2.5毫秒雙周期:雙周期是指兩個(gè)周期的配置不同,一起合成一個(gè)大的循環(huán),其中含有5個(gè)下行時(shí)隙(D),3個(gè)上行時(shí)隙(U),2個(gè)靈活時(shí)隙(S)。
在這三種幀格式中,對(duì)于靈活時(shí)隙,可配置為:10個(gè)下行符號(hào) + 2個(gè)靈活符號(hào) + 2個(gè)上行符號(hào)。其中兩個(gè)靈活符號(hào)用作上下行之間轉(zhuǎn)換的隔離,不用于收發(fā)信號(hào)。把靈活時(shí)隙中的上下行符號(hào)也考慮進(jìn)來計(jì)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(dǎo)致了幾種幀結(jié)構(gòu)在上下行性能上的差異。由上述時(shí)隙示例可以看出,5G對(duì)TDD的實(shí)現(xiàn)是非常靈活的,不再像TDD那樣預(yù)定義子幀配比,可以根據(jù)需求靈活配置上下行時(shí)隙數(shù)量,用于5G需求各異的應(yīng)用。