【5G百科】5G是怎么实现TDD的?

本期5G百科的主题是:5G是怎么实现TDD的? 首先我们先看看一些基本概念,明确下TDD和FDD的区别,以及实现TDD的必要性。

移动通信的主要参与方是基站和终端(最常用的是手机,下文将直接以手机称呼)。双方通信时,需要有个明确的收发关系。由于基站高高在上,因此把基站发射,手机接收这条路径叫做“下行”;反过来,把手机发射,基站接收这条路径叫做“上行”。如下图中的箭头所示。

上下行同时工作就叫做“双工”,是移动通信必须要解决的最基础问题。那么怎么使用有限的频率来实现双工呢?业界一直有两种解决方案:频分双工(FDD:Frequency Division Duplex)和时分双工(TDD:Time Division Duplex)。FDD的思路是,上下行使用不同的两段频谱,相当于两条车道一样,上下行在各自的频谱上并行不悖,互不干扰。

而TDD的思路是,我上下行使用一模一样的频谱,虽然相当于只有一条车道,但我让上下行数据在不同的时间来使用这条通道,上行发一会数据,下行再发一会,轮着来。由于上行和下行每次发送信息占用的时间非常短,人根本感觉不到断续,这样也就实现了双工。

在实际的应用中,由于FDD的方式简单粗暴,易于实现,性能可靠,因此在2G时代得到了大量的应用。我们熟悉的GSM和CDMA都是频分双工。

到了3G时代,由于数据业务的兴起,上下行需求不对称开始显现。大部分人上网都是以下载为主,上传的需求很小,因此下行流量往往是远大于上行流量的。而FDD方式上下行使用了相同带宽的频谱资源,无法灵活调整,明显是对宝贵资源的浪费。并且,随着频谱资源越来越紧张,上下行成对的频谱是越来越难找了,因此FDD的弊端越来越明显。而TDD由于上下行的占用时长可以灵活配置,比如对于下载业务,可以把下行时间设为80%,上行时间设为20%,频谱利用率因此得以提升。且TDD上下行使用同一段频谱,不用像FDD那样成对,因此可以很方便的利用零碎的频谱。就这样,从3G时代TDD开始崭露头角,诞生了TD-SCDMA技术;在4G时代,TDD LTE已经开始挑战FDD LTE,在全球得到了广泛的应用;而到了5G时代,TDD双工方式已经成为了绝对首选。下面我们来看看5G是怎么实现TDD的。首先回顾一下5G的帧结构,如下图所示。

首先,每个无线帧时长10毫秒,含10个1毫秒的子帧。每个子帧根据参数集的不同,含有不同的时隙数,子载波宽度越宽,时隙数越多(具体数值见上图),但子帧的长度都是1毫秒不变的。每个时隙,不论时间长短,都含有14个符号,这是5G无线资源分配的最小时间单位。为了灵活使用这些符号,3GPP了定义了56种时隙格式,明确了时隙内部的符号组合方式。

在一个时隙中,可以有3种符号:下行符号(D),上行符号(U),以及灵活符号(F)。灵活符号既可以作为上行使用,也可以作为下行使用。

那么这些时隙格式该怎么组合使用呢?3GPP定义了TDD的帧格式,可以采用如下等式表示:

TDD帧格式 = 若干个下行时隙 + 1个灵活时隙 + 若干个上行时隙。其中,下行时隙可以有多个,每个时隙中的14个符号全部配置为下行;上行时隙也可以有多个,每个时隙中的14个符号全部配置为上行;灵活时隙只有一个,可以灵活设置下行符号,灵活符号和上行符号的比例,只要上面那张表里有定义就行。综上,TDD的帧结构如下图所示。

基于这样的定义,为了满足不同的上下行性能需求,在5G收发频段3.5GHz上,采用30KHz子载波间隔,业界有如下三种主流的帧格式。2毫秒单周期:每个周期内2个下行时隙(D),1个上行时隙(U),1个灵活时隙(S)。

2.5毫秒单周期:每个周期内3个下行时隙(D),1个上行时隙(U),1个灵活时隙(S)。

2.5毫秒双周期:双周期是指两个周期的配置不同,一起合成一个大的循环,其中含有5个下行时隙(D),3个上行时隙(U),2个灵活时隙(S)。

在这三种帧格式中,对于灵活时隙,可配置为:10个下行符号 + 2个灵活符号 + 2个上行符号。其中两个灵活符号用作上下行之间转换的隔离,不用于收发信号。把灵活时隙中的上下行符号也考虑进来计算可得,2毫秒单周期的上行资源占比约为29%,2.5毫秒单周期的上行资源占比约为23%,2.5毫秒双周期的上行资源占比约为33%。因而导致了几种帧结构在上下行性能上的差异。由上述时隙示例可以看出,5G对TDD的实现是非常灵活的,不再像TDD那样预定义子帧配比,可以根据需求灵活配置上下行时隙数量,用于5G需求各异的应用。

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