5G是怎么实现TDD的？

大家好，我是蜉蝣君。

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：TimeDivision 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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