浅谈TDD和FDD无线传输技术

一、引言

最近在工作中接触到了TDD和FDD这两种无线的传输技术，相信对通信稍有了解的同学一定不会陌生，本文先对TDD以及FDD技术做一个基本的介绍，待后续有了进一步的了解后再进行深入的剖析。

TDD（Time Division Duplexing）指的是时分双工；FDD（Frequency Division Duplexing）指的是频分双工。

解释下什么是双工，顾名思义就是双向工作的意思，比如甲乙两个人打电话，双方可以同时说和听，就是全双工；比如甲乙两个人在使用对讲机，同一时间只能一方说一方听，那就是半双工；比如甲在广播说话，而乙只能听，那就是单工。TDD和FDD的区别，就在于双工的方式。

二、定义

TDD的上行和下行（发送和接收）采用相同的射频频点，但是以时间来区分，有时候上行、有时候下行，你可以将其理解为上面讲述的半双工。

TDD的优点包括灵活性高、频谱利用率高、易于部署和管理等；然而，TDD也面临着一些挑战，如时隙配置和上下行资源协调，相关的解决方案就是采用动态时隙配置和资源调度算法等。

FDD的上行和下行则采用不同的射频频点，不受时间限制，它们支持同时收发，可以将其理解为全双工。

FDD的优点包括数据传输稳定、抗干扰能力强、适用于长距离通信等；同样FDD也不是完美的，例如存在着频谱资源分配较为困难、相邻频段干扰等问题，目前一般采用动态频谱分配和智能干扰管理技术来应对。

做个类比，TDD就像潮汐可变车道，不同时间允许走不同的方向；而FDD就像双车道，两个车道分别行驶着两个方向的车辆、且互不干扰。所以在给TDD分配频段时，只会给到一个，既用于上行也用于下行；而FDD一般都是成对分配，给一个上行频段的同时再给一个不同的下行频段。

三、物理层

我们熟悉的4G LTE网络就分为TD-LTE和FDD-LTE，从整个系统来看，两者的区别很小：核心网完全一样、无线接口绝大部分协议也相同，主要的区别就在于最底层的物理层（PHY）。

在通信的物理层中，帧是数据传输的载体单位，TDD的帧结构会比FDD更加复杂。如下图所示，可以看到TDD的帧结构比FDD多了DwPTS、GP和UpPTS，这些被称之为特殊子帧。DwPTS（Downlink Pilot Time Slot）是下行导频时隙、GP（Guard Period）是保护间隔、UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）上行导频时隙。

又回到上面潮汐可变车道的例子，TDD相当于一条车道有两个方向的车辆，必然会存在控制和调度的问题。为了节约网络开销，TD-LTE允许使用上述特殊子帧进行“指挥”：DwPTS和UpPTS用于传输系统控制信息、GP用于对上行和下行进行隔离。

TDD对于特殊子帧，定制化设计了不同的配比方案，如下图所示。其中D指的是Downlink subframe（下行子帧）、U指的是Uplink subframe（上行子帧）、S指的是Special subframe（特殊子帧）。表格中的5毫秒和10毫秒代表了转换周期，即5毫秒或者10毫秒就会有一个特殊子帧，前者适合时延要求高的场景、后者对时延的保证性略差但系统损失的容量较小，总而言之鱼与熊掌不可兼得。

四、业务场景

这里依然采用车道的例子，便于大家理解。对于同一车道，一般会存在不同的运输场景：例如A->B方向的车辆比较多、B->A方向的车辆比较少，这种属于不对称场景；或者A->B和B->A的车辆一样多，这种就属于对称场景。

在实际的无线通信环境中，不对称场景的占比会更高。如果采用FDD，就会出现某条链路资源浪费的情况；如果采用TDD，面对同样的场景，虽然会带来一些管理上的开销，但总体上资源的利用率会更高。

对于非对称业务场景，如视频流媒体和互联网接入等，TDD相对于FDD具有更大的优势，它可以灵活配置上行和下行时隙，根据实际需求合理分配资源。此外，TDD的频谱利用率较高，在频谱资源有限的情况下，TDD可以更好地满足非对称业务的需求。

对于对称业务场景，如语音、视频通话等，FDD相对于TDD具有更大的优势。由于FDD使用不同的频点进行上行和下行通信，可以避免两者之间的干扰，从而提高数据传输的稳定性。此外，FDD在长距离通信方面表现更好、数据传输更加稳定可靠。

五、优劣对比

TDD和FDD技术在适用的场景上有所不同，选择TDD或FDD时需要考虑频谱资源、数据传输需求和网络容量等各种因素。

TDD相对于FDD的优势：

能灵活配置频率，使用FDD不易使用的零散频段；

可通过调整上下行时隙转换点，灵活支持非对称业务；

具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；

TDD接收上下行数据时，不需要收发隔离器，只需一个开关即可，降低了设备的复杂度。

TDD相对于FDD的劣势：

TDD系统上行链路发射功率的时间比FDD短，因此TDD基站的覆盖范围明显小于FDD基站；

TDD系统收发信道同频，无法进行干扰隔离，系统内和系统间概率性存在干扰；

为避免与其他无线系统之间的干扰，TDD需要预留较大的保护带，影响了整体频谱利用效率；

高速运动下信道变化快，TDD分时系统导致手机报告信道消息有所延迟，故TDD系统在高速场景下不如FDD。

这里再着重阐述下高速移动的场景：在通信系统中，快速移动的设备会造成多普勒效应，从而导致快衰落。速度越快，信道变化越快，信道估计和资源调度的应对时间要求也会逐步提升。在FDD中，上下行是同时的，如果手机端发现接收信道质量变差，可以通过上行快速告诉基站做调整。但在TDD中，由于分时，手机报告的信道信息就会有延迟，在某次接收发现信道变化后，不能马上通过上行信道进行反馈。

用过对讲机的人就深有体会，在对方讲话时，你不能同时讲话，对方一顿长篇大论输出，你无法打断或者响应，等轮到你讲话时，你可能只记住了对方的最后几句话，前面的完全记不得，最终导致答非所问。所以在高速场景下，FDD具有绝对的优势。

六、功耗

TDD和FDD技术介绍得差不多了，下面再从理论上（速率、噪声等都相同的情况下）分析两种技术对设备功耗的影响。

在硬件上，由于TDD系统的上行和下行频谱是共用的，电路上的部分射频单元完全通用，而在通讯设备的射频模块里，功耗最大的元器件就是功放，因此使用TDD的设备既降低了成本、又降低了功耗；FDD系统则需要独立的收发隔离器，增加设备的复杂度的同时也会增加功耗。

并且在实际应用中，不对称的业务场景占大多数，特别是在几乎只有上行或者只有下行的情况下，FDD的其中一条链路就会处于闲置状态，造成了功耗的浪费；而TDD可以充分发挥其优势，只做对应的上行或者下行数据处理。

当然以上都是理论的分析，最终还是要用实测数据来证明，搜索相关资料后，发现太平洋手机网有类似的功耗对比测试。

实验一：

测试平台：高通骁龙821

测试机型：华硕Zenfone 3旗舰

测试方式：同样条件下，每隔10秒向测试机发送一次微信会话消息，记录联通4G和移动4G的功耗曲线和平均功耗，每种制式测试时长1分钟

为了最大程度上避免其它变量对结果的影响，测试均采用同一台手机，并关闭除测试项目（微信）之外的所有联网应用以及应用推送。

测试前还对联通和移动的信号强度进行了一次测试，保证整个测试过程都处在相对良好的网络环境下进行。

测试结果如下图：

 

从测试的结果来看，两者之间的差别并不大（图表开头和结尾的两处峰值为开启测试工具和保存测试数据时所产生的功耗），不过，本次测试中联通4G的平均功率约为421mW，移动4G平均功率为407mW，可以得知联通4G确实更加耗电。

但由于测试时间不长，数据也不够多，上述实验的差距非常小，为了保证结果的准确性，实验人员又做了一次下载测试。

实验二：

测试平台：高通骁龙821

测试机型：华硕Zenfone 3旗舰

下载软件：手机迅雷（V5.11，新版已不支持下载速度限制）

测试方式：同样条件下，采用手机迅雷下载同一个文件，进行两次测试——限速（50KB）下载和不限速下载，并汇总其平均功耗，每次测试时长1分钟

为了最大程度避免其它变量对结果的影响，测试均采用同一台手机，并关闭除测试项目（迅雷）之外的所有联网应用以及应用推送。测试结果如下图：

根据测试数据可以看出，在限速50KB的情况下，联通4G和移动4G下载1分钟平均功耗约为520mW和452mW；不限速的情况下，联通4G和移动4G下载1分钟平均功耗约为979mW和705mW，功耗差距进一步扩大，联通4G确实会比移动4G更加耗电。  

七、总结

TDD和FDD是无线通信中常用的传输技术，它们在应用场景上有所差异，了解TDD和FDD的原理和特性，有助于我们在实际应用中选择合适的技术方案。

通过本文的介绍，希望读者能够对TDD和FDD有更深入的了解，同时我们也期待TDD和FDD在未来的发展中能够不断创新和完善，以满足不断变化的通信需求。

作者简介：「hsd」

审核编辑：黄飞