淺談TDD和FDD無線傳輸技術

一、引言

最近在工作中接觸到了TDD和FDD這兩種無線的傳輸技術，相信對通信稍有了解的同學一定不會陌生，本文先對TDD以及FDD技術做一個基本的介紹，待后續有了進一步的了解后再進行深入的剖析。

TDD（Time Division Duplexing）指的是時分雙工；FDD（Frequency Division Duplexing）指的是頻分雙工。

解釋下什么是雙工，顧名思義就是雙向工作的意思，比如甲乙兩個人打電話，雙方可以同時說和聽，就是全雙工；比如甲乙兩個人在使用對講機，同一時間只能一方說一方聽，那就是半雙工；比如甲在廣播說話，而乙只能聽，那就是單工。TDD和FDD的區別，就在于雙工的方式。

二、定義

TDD的上行和下行（發送和接收）采用相同的射頻頻點，但是以時間來區分，有時候上行、有時候下行，你可以將其理解為上面講述的半雙工。

TDD的優點包括靈活性高、頻譜利用率高、易于部署和管理等；然而，TDD也面臨著一些挑戰，如時隙配置和上下行資源協調，相關的解決方案就是采用動態時隙配置和資源調度算法等。

FDD的上行和下行則采用不同的射頻頻點，不受時間限制，它們支持同時收發，可以將其理解為全雙工。

FDD的優點包括數據傳輸穩定、抗干擾能力強、適用于長距離通信等；同樣FDD也不是完美的，例如存在著頻譜資源分配較為困難、相鄰頻段干擾等問題，目前一般采用動態頻譜分配和智能干擾管理技術來應對。

做個類比，TDD就像潮汐可變車道，不同時間允許走不同的方向；而FDD就像雙車道，兩個車道分別行駛著兩個方向的車輛、且互不干擾。所以在給TDD分配頻段時，只會給到一個，既用于上行也用于下行；而FDD一般都是成對分配，給一個上行頻段的同時再給一個不同的下行頻段。

三、物理層

我們熟悉的4G LTE網絡就分為TD-LTE和FDD-LTE，從整個系統來看，兩者的區別很?。汉诵木W完全一樣、無線接口絕大部分協議也相同，主要的區別就在于最底層的物理層（PHY）。

在通信的物理層中，幀是數據傳輸的載體單位，TDD的幀結構會比FDD更加復雜。如下圖所示，可以看到TDD的幀結構比FDD多了DwPTS、GP和UpPTS，這些被稱之為特殊子幀。DwPTS（Downlink Pilot Time Slot）是下行導頻時隙、GP（Guard Period）是保護間隔、UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）上行導頻時隙。

又回到上面潮汐可變車道的例子，TDD相當于一條車道有兩個方向的車輛，必然會存在控制和調度的問題。為了節約網絡開銷，TD-LTE允許使用上述特殊子幀進行“指揮”：DwPTS和UpPTS用于傳輸系統控制信息、GP用于對上行和下行進行隔離。

TDD對于特殊子幀，定制化設計了不同的配比方案，如下圖所示。其中D指的是Downlink subframe（下行子幀）、U指的是Uplink subframe（上行子幀）、S指的是Special subframe（特殊子幀）。表格中的5毫秒和10毫秒代表了轉換周期，即5毫秒或者10毫秒就會有一個特殊子幀，前者適合時延要求高的場景、后者對時延的保證性略差但系統損失的容量較小，總而言之魚與熊掌不可兼得。

四、業務場景

這里依然采用車道的例子，便于大家理解。對于同一車道，一般會存在不同的運輸場景：例如A->B方向的車輛比較多、B->A方向的車輛比較少，這種屬于不對稱場景；或者A->B和B->A的車輛一樣多，這種就屬于對稱場景。

在實際的無線通信環境中，不對稱場景的占比會更高。如果采用FDD，就會出現某條鏈路資源浪費的情況；如果采用TDD，面對同樣的場景，雖然會帶來一些管理上的開銷，但總體上資源的利用率會更高。

對于非對稱業務場景，如視頻流媒體和互聯網接入等，TDD相對于FDD具有更大的優勢，它可以靈活配置上行和下行時隙，根據實際需求合理分配資源。此外，TDD的頻譜利用率較高，在頻譜資源有限的情況下，TDD可以更好地滿足非對稱業務的需求。

對于對稱業務場景，如語音、視頻通話等，FDD相對于TDD具有更大的優勢。由于FDD使用不同的頻點進行上行和下行通信，可以避免兩者之間的干擾，從而提高數據傳輸的穩定性。此外，FDD在長距離通信方面表現更好、數據傳輸更加穩定可靠。

五、優劣對比

TDD和FDD技術在適用的場景上有所不同，選擇TDD或FDD時需要考慮頻譜資源、數據傳輸需求和網絡容量等各種因素。

TDD相對于FDD的優勢：

能靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；

可通過調整上下行時隙轉換點，靈活支持非對稱業務；

具有上下行信道一致性，基站的接收和發送可以共用部分射頻單元，降低了設備成本；

TDD接收上下行數據時，不需要收發隔離器，只需一個開關即可，降低了設備的復雜度。

TDD相對于FDD的劣勢：

TDD系統上行鏈路發射功率的時間比FDD短，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；

TDD系統收發信道同頻，無法進行干擾隔離，系統內和系統間概率性存在干擾；

為避免與其他無線系統之間的干擾，TDD需要預留較大的保護帶，影響了整體頻譜利用效率；

高速運動下信道變化快，TDD分時系統導致手機報告信道消息有所延遲，故TDD系統在高速場景下不如FDD。

這里再著重闡述下高速移動的場景：在通信系統中，快速移動的設備會造成多普勒效應，從而導致快衰落。速度越快，信道變化越快，信道估計和資源調度的應對時間要求也會逐步提升。在FDD中，上下行是同時的，如果手機端發現接收信道質量變差，可以通過上行快速告訴基站做調整。但在TDD中，由于分時，手機報告的信道信息就會有延遲，在某次接收發現信道變化后，不能馬上通過上行信道進行反饋。

用過對講機的人就深有體會，在對方講話時，你不能同時講話，對方一頓長篇大論輸出，你無法打斷或者響應，等輪到你講話時，你可能只記住了對方的最后幾句話，前面的完全記不得，最終導致答非所問。所以在高速場景下，FDD具有絕對的優勢。

六、功耗

TDD和FDD技術介紹得差不多了，下面再從理論上（速率、噪聲等都相同的情況下）分析兩種技術對設備功耗的影響。

在硬件上，由于TDD系統的上行和下行頻譜是共用的，電路上的部分射頻單元完全通用，而在通訊設備的射頻模塊里，功耗最大的元器件就是功放，因此使用TDD的設備既降低了成本、又降低了功耗；FDD系統則需要獨立的收發隔離器，增加設備的復雜度的同時也會增加功耗。

并且在實際應用中，不對稱的業務場景占大多數，特別是在幾乎只有上行或者只有下行的情況下，FDD的其中一條鏈路就會處于閑置狀態，造成了功耗的浪費；而TDD可以充分發揮其優勢，只做對應的上行或者下行數據處理。

當然以上都是理論的分析，最終還是要用實測數據來證明，搜索相關資料后，發現太平洋手機網有類似的功耗對比測試。

實驗一：

測試平臺：高通驍龍821

測試機型：華碩Zenfone 3旗艦

測試方式：同樣條件下，每隔10秒向測試機發送一次微信會話消息，記錄聯通4G和移動4G的功耗曲線和平均功耗，每種制式測試時長1分鐘

為了最大程度上避免其它變量對結果的影響，測試均采用同一臺手機，并關閉除測試項目（微信）之外的所有聯網應用以及應用推送。

測試前還對聯通和移動的信號強度進行了一次測試，保證整個測試過程都處在相對良好的網絡環境下進行。

測試結果如下圖：

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從測試的結果來看，兩者之間的差別并不大（圖表開頭和結尾的兩處峰值為開啟測試工具和保存測試數據時所產生的功耗），不過，本次測試中聯通4G的平均功率約為421mW，移動4G平均功率為407mW，可以得知聯通4G確實更加耗電。

但由于測試時間不長，數據也不夠多，上述實驗的差距非常小，為了保證結果的準確性，實驗人員又做了一次下載測試。

實驗二：

測試平臺：高通驍龍821

測試機型：華碩Zenfone 3旗艦

下載軟件：手機迅雷（V5.11，新版已不支持下載速度限制）

測試方式：同樣條件下，采用手機迅雷下載同一個文件，進行兩次測試——限速（50KB）下載和不限速下載，并匯總其平均功耗，每次測試時長1分鐘

為了最大程度避免其它變量對結果的影響，測試均采用同一臺手機，并關閉除測試項目（迅雷）之外的所有聯網應用以及應用推送。測試結果如下圖：

根據測試數據可以看出，在限速50KB的情況下，聯通4G和移動4G下載1分鐘平均功耗約為520mW和452mW；不限速的情況下，聯通4G和移動4G下載1分鐘平均功耗約為979mW和705mW，功耗差距進一步擴大，聯通4G確實會比移動4G更加耗電。 ?

七、總結

TDD和FDD是無線通信中常用的傳輸技術，它們在應用場景上有所差異，了解TDD和FDD的原理和特性，有助于我們在實際應用中選擇合適的技術方案。

通過本文的介紹，希望讀者能夠對TDD和FDD有更深入的了解，同時我們也期待TDD和FDD在未來的發展中能夠不斷創新和完善，以滿足不斷變化的通信需求。

作者簡介：「hsd」

審核編輯：黃飛

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