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(shù)，相信對(duì)通信稍有了解的同學(xué)一定不會(huì)陌生，本文先對(duì)TDD以及FDD技術(shù)做一個(gè)基本的介紹，待后續(xù)有了進(jìn)一步的了解后再進(jìn)行深入的剖析。

TDD（Time Division Duplexing）指的是時(shí)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(gè)人打電話，雙方可以同時(shí)說和聽，就是全雙工；比如甲乙兩個(gè)人在使用對(duì)講機(jī)，同一時(shí)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(qū)別，就在于雙工的方式。

二、定義

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

TDD的優(yōu)點(diǎn)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(zhàn)，如時(shí)隙配置和上下行資源協(xié)調(diào)，相關(guān)的解決方案就是采用動(dòng)態(tài)時(shí)隙配置和資源調(diào)度算法等。

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

FDD的優(yōu)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、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(dòng)態(tài)頻譜分配和智能干擾管理技術(shù)來應(yīng)對(duì)。

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

三、物理層

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

在通信的物理層中，幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體單位，TDD的幀結(jié)構(gòu)會(huì)比FDD更加復(fù)雜。如下圖所示，可以看到TDD的幀結(jié)構(gòu)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(dǎo)頻時(shí)隙、GP（Guard Period）是保護(hù)間隔、UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）上行導(dǎo)頻時(shí)隙。

又回到上面潮汐可變車道的例子，TDD相當(dāng)于一條車道有兩個(gè)方向的車輛，必然會(huì)存在控制和調(diào)度的問題。為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)開銷，TD-LTE允許使用上述特殊子幀進(jìn)行“指揮”：DwPTS和UpPTS用于傳輸系統(tǒng)控制信息、GP用于對(duì)上行和下行進(jìn)行隔離。

TDD對(duì)于特殊子幀，定制化設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換周期，即5毫秒或者10毫秒就會(huì)有一個(gè)特殊子幀，前者適合時(shí)延要求高的場景、后者對(duì)時(shí)延的保證性略差但系統(tǒng)損失的容量較小，總而言之魚與熊掌不可兼得。

四、業(yè)務(wù)場景

這里依然采用車道的例子，便于大家理解。對(duì)于同一車道，一般會(huì)存在不同的運(yùn)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(duì)稱場景；或者A->B和B->A的車輛一樣多，這種就屬于對(duì)稱場景。

在實(shí)際的無線通信環(huán)境中，不對(duì)稱場景的占比會(huì)更高。如果采用FDD，就會(huì)出現(xiàn)某條鏈路資源浪費(fèi)的情況；如果采用TDD，面對(duì)同樣的場景，雖然會(huì)帶來一些管理上的開銷，但總體上資源的利用率會(huì)更高。

對(duì)于非對(duì)稱業(yè)務(wù)場景，如視頻流媒體和互聯(lián)網(wǎng)接入等，TDD相對(duì)于FDD具有更大的優(yōu)勢，它可以靈活配置上行和下行時(shí)隙，根據(jù)實(shí)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(duì)稱業(yè)務(wù)的需求。

對(duì)于對(duì)稱業(yè)務(wù)場景，如語音、視頻通話等，F(xiàn)DD相對(duì)于TDD具有更大的優(yōu)勢。由于FDD使用不同的頻點(diǎn)進(jìn)行上行和下行通信，可以避免兩者之間的干擾，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。此外，F(xiàn)DD在長距離通信方面表現(xiàn)更好、數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠。

五、優(yōu)劣對(duì)比

TDD和FDD技術(shù)在適用的場景上有所不同，選擇TDD或FDD時(shí)需要考慮頻譜資源、數(shù)據(jù)傳輸需求和網(wǎng)絡(luò)容量等各種因素。

TDD相對(duì)于FDD的優(yōu)勢：

能靈活配置頻率，使用FDD不易使用的零散頻段；

可通過調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)，靈活支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；

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

TDD接收上下行數(shù)據(jù)時(shí)，不需要收發(fā)隔離器，只需一個(gè)開關(guān)即可，降低了設(shè)備的復(fù)雜度。

TDD相對(duì)于FDD的劣勢：

TDD系統(tǒng)上行鏈路發(fā)射功率的時(shí)間比FDD短，因此TDD基站的覆蓋范圍明顯小于FDD基站；

TDD系統(tǒng)收發(fā)信道同頻，無法進(jìn)行干擾隔離，系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間概率性存在干擾；

為避免與其他無線系統(tǒng)之間的干擾，TDD需要預(yù)留較大的保護(hù)帶，影響了整體頻譜利用效率；

高速運(yùn)動(dòng)下信道變化快，TDD分時(shí)系統(tǒng)導(dǎo)致手機(jī)報(bào)告信道消息有所延遲，故TDD系統(tǒng)在高速場景下不如FDD。

這里再著重闡述下高速移動(dòng)的場景：在通信系統(tǒng)中，快速移動(dòng)的設(shè)備會(huì)造成多普勒效應(yīng)，從而導(dǎo)致快衰落。速度越快，信道變化越快，信道估計(jì)和資源調(diào)度的應(yīng)對(duì)時(shí)間要求也會(huì)逐步提升。在FDD中，上下行是同時(shí)的，如果手機(jī)端發(fā)現(xiàn)接收信道質(zhì)量變差，可以通過上行快速告訴基站做調(diào)整。但在TDD中，由于分時(shí)，手機(jī)報(bào)告的信道信息就會(huì)有延遲，在某次接收發(fā)現(xiàn)信道變化后，不能馬上通過上行信道進(jìn)行反饋。

用過對(duì)講機(jī)的人就深有體會(huì)，在對(duì)方講話時(shí)，你不能同時(shí)講話，對(duì)方一頓長篇大論輸出，你無法打斷或者響應(yīng)，等輪到你講話時(shí)，你可能只記住了對(duì)方的最后幾句話，前面的完全記不得，最終導(dǎo)致答非所問。所以在高速場景下，F(xiàn)DD具有絕對(duì)的優(yōu)勢。

六、功耗

TDD和FDD技術(shù)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(shù)對(duì)設(shè)備功耗的影響。

在硬件上，由于TDD系統(tǒng)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(shè)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(shè)備既降低了成本、又降低了功耗；FDD系統(tǒng)則需要獨(dú)立的收發(fā)隔離器，增加設(shè)備的復(fù)雜度的同時(shí)也會(huì)增加功耗。

并且在實(shí)際應(yīng)用中，不對(duì)稱的業(yè)務(wù)場景占大多數(shù)，特別是在幾乎只有上行或者只有下行的情況下，F(xiàn)DD的其中一條鏈路就會(huì)處于閑置狀態(tài)，造成了功耗的浪費(fèi)；而TDD可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，只做對(duì)應(yīng)的上行或者下行數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)然以上都是理論的分析，最終還是要用實(shí)測數(shù)據(jù)來證明，搜索相關(guān)資料后，發(fā)現(xiàn)太平洋手機(jī)網(wǎng)有類似的功耗對(duì)比測試。

實(shí)驗(yàn)一：

測試平臺(tái)：高通驍龍821

測試機(jī)型：華碩Zenfone 3旗艦

測試方式：同樣條件下，每隔10秒向測試機(jī)發(fā)送一次微信會(huì)話消息，記錄聯(lián)通4G和移動(dòng)4G的功耗曲線和平均功耗，每種制式測試時(shí)長1分鐘

為了最大程度上避免其它變量對(duì)結(jié)果的影響，測試均采用同一臺(tái)手機(jī)，并關(guān)閉除測試項(xiàng)目（微信）之外的所有聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及應(yīng)用推送。

測試前還對(duì)聯(lián)通和移動(dòng)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了一次測試，保證整個(gè)測試過程都處在相對(duì)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。

測試結(jié)果如下圖：

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從測試的結(jié)果來看，兩者之間的差別并不大（圖表開頭和結(jié)尾的兩處峰值為開啟測試工具和保存測試數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的功耗），不過，本次測試中聯(lián)通4G的平均功率約為421mW，移動(dòng)4G平均功率為407mW，可以得知聯(lián)通4G確實(shí)更加耗電。

但由于測試時(shí)間不長，數(shù)據(jù)也不夠多，上述實(shí)驗(yàn)的差距非常小，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)人員又做了一次下載測試。

實(shí)驗(yàn)二：

測試平臺(tái)：高通驍龍821

測試機(jī)型：華碩Zenfone 3旗艦

下載軟件：手機(jī)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(jī)迅雷下載同一個(gè)文件，進(jìn)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(shí)長1分鐘

為了最大程度避免其它變量對(duì)結(jié)果的影響，測試均采用同一臺(tái)手機(jī)，并關(guān)閉除測試項(xiàng)目（迅雷）之外的所有聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及應(yīng)用推送。測試結(jié)果如下圖：

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看出，在限速50KB的情況下，聯(lián)通4G和移動(dòng)4G下載1分鐘平均功耗約為520mW和452mW；不限速的情況下，聯(lián)通4G和移動(dòng)4G下載1分鐘平均功耗約為979mW和705mW，功耗差距進(jìn)一步擴(kuò)大，聯(lián)通4G確實(shí)會(huì)比移動(dòng)4G更加耗電。 ?

七、總結(jié)

TDD和FDD是無線通信中常用的傳輸技術(shù)，它們?cè)趹?yīng)用場景上有所差異，了解TDD和FDD的原理和特性，有助于我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中選擇合適的技術(shù)方案。

通過本文的介紹，希望讀者能夠?qū)DD和FDD有更深入的了解，同時(shí)我們也期待TDD和FDD在未來的發(fā)展中能夠不斷創(chuàng)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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