5G的雙工模式

鐘 旻

1 基本概念和原理

根據(jù)ITU-R的定義，所謂雙工，是指一種工作模式，它允許在兩點間同時在兩個方向上傳送信息。在無線通信中，最典型的是頻分雙工（FDD），它是采用兩個不同的頻率用于發(fā)射和接收。通常在移動通信網(wǎng)絡中，從用戶到基站的傳輸，稱為上行鏈路（UL），而基站到用戶終端則為下行鏈路（DL），這里，是通過不同的射頻將上、下鏈路分離區(qū)別開來，二者不會相互干擾或混淆，如圖1所示。

圖1 頻分雙工和時分雙工的示意圖

另一種雙工模式是時分雙工（TDD），從圖1可見，這時上、下行鏈路采用同一射頻，而用時間進行分割，即在適當?shù)臅r間間隔上劃分成兩個時段，在同一射頻，不同的時段分別傳送上、下行鏈路的數(shù)據(jù)。如此循環(huán)往復，這樣，此二時段便組成了一個TDD幀。

頻分雙工是一種十分成熟而可實現(xiàn)的技術，因上、下行射頻不同，同時，為了支持足夠的通信容量和數(shù)據(jù)速率，上、下行鏈路都要占用一定的帶寬，且二者有足夠的頻率間隔。采用中心頻率不同的帶通濾波器，或低通與高通濾波器組合，便構成頻分雙工器。

與頻分雙工相比，時分雙工僅需一頻率和帶寬配置，可節(jié)省一半頻譜資源，提高了頻譜利用率。但既然是“時分”，這種雙工方式是不能在兩點間同時在兩個方向上傳送信息的，嚴格說，它是一種半雙工方式。

2 靈活的雙工[1][2][3]

移動通信4G和LTE對于頻率/時間資源的配置是固定的，進入5G時代，許多應用場景，如增強移動寬帶、大容量熱點等，小區(qū)中上下行鏈路業(yè)務對頻率/時間資源的使用是隨時間動態(tài)變化、不對稱的。

采用靈活的雙工，可靈活設置或調(diào)整上、下行頻譜、時幀的比例，以適應上、下行不同業(yè)務帶寬的要求。以圖2為例，對于FDD系統(tǒng)，按業(yè)務需要確定上下行頻槽比，上行鏈路頻帶可用時域方式分配，用于上行鏈路或下行鏈路。在TDD系統(tǒng)中，對每一小區(qū)，按業(yè)務需要，分配上/下時隙比，一些原來作為上行的時隙，可用于下行。

可見，靈活的雙工就是動態(tài)地分配使用頻率或時間資源。為既能靈活分配，又具有標準化，需要對頻譜（帶寬）和時間（幀）作進一步的劃分。表1是按正交頻分多路復用為基礎的子載波的劃分及有關參數(shù)。圖3是典型的子載波間隔安排和應用場合。

為了支持靈活而有效的TDD資源的利用，5G采用一種靈活的時隙結(jié)構，系統(tǒng)可以配置一個時隙全用于DL，或全用于UL，或DL和UL混合，來提供不對稱的業(yè)務，如圖4所示。時隙開頭由DL控制起動，而末尾則為UL控制。根據(jù)業(yè)務需要，可以動態(tài)地配置DL/UL的混合比例。這時在傳輸格式中，設置一時隙幀指示（SFI），通知某一用戶OFDM符號中是否包含有DL，UL或二者。

圖5給出了一些應用模式的舉例。當系統(tǒng)需要大的負載，可按標準進行時隙聚合。在增強移動寬帶應用場景下，采用聚合的時隙和更長的傳輸時間來滿足要求，此時降低了TDD開關和信令的開銷。

在超可靠低時延應用中，引入“迷你”型時隙（minislot），來支持突發(fā)的、非同步的傳輸，其持續(xù)期短于典型的14個符號的時隙以保證低傳輸時延。同時，通信協(xié)議中要賦予這種短突發(fā)最高的優(yōu)先權，不用在幀中按步就班等候發(fā)送。

表1 用于5G的OFDM子載波的劃分及有關參數(shù)

圖3 可靈活伸縮的載波間隔安排

圖4 5G中靈活的時分雙工

圖5 靈活雙工應用模式舉例

在5G的應用中，上行鏈路和下行鏈路信號波形要進行新的設計，這有利于上下行信號的識別和干擾的消除或干擾的協(xié)調(diào)。另外，未來業(yè)務配置的趨向是蜂窩小區(qū)將主要負責管理和控制功能，移動業(yè)務主要由微微小區(qū)承擔，其基站的發(fā)射功率可降至移動終端的電平，這有利于減少這些基站之間的相互干擾。

3 全雙工[1][4][5]

所謂全雙工，是指使用相同的射頻同時進行上下行鏈路信號的傳送。如此可使系統(tǒng)頻譜效率加倍。

實現(xiàn)全雙工的首要挑戰(zhàn)是解決自干擾問題。對基站或用戶終端來說，同頻收發(fā)，強大的發(fā)射信號將會通過某些途徑進入接收通道，產(chǎn)生干擾，因為接收機是低電平工作的，微弱的接收信號會受到發(fā)射信號的強干擾，嚴重時可能無法正常工作，消除此干擾的基本途徑是采用圖5所示的自干擾消除電路。

圖6中，為消除自干擾，設置了三道“關卡”：天線段、射頻段和基帶段。

天線處的自干擾消除：收、發(fā)天線分開，通過空間分隔，將二者的耦合減少，這可通過增大二者的距離，或采用反極化（收發(fā)極化相互垂直），以減少發(fā)射天線對接收天線的影響。所謂極化，是指電磁波傳播過程中的電場或磁場矢量的取向，由于電、磁場之間有明確的關系，只需考慮其中之電場便可，即電磁波的電場矢量末端軌跡決定了電磁波的極化方式。電場矢量末端軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影為一直線時，稱為線極化；如為圓形或橢圓形時，稱為圓極化或橢圓極化。根據(jù)電磁波傳播的理論，當二極化波相互垂直（正交）時，無能量的交互作用，即是相互獨立的，起到了隔離作用。

當收發(fā)共用天線時，對于較高的頻段，可在收發(fā)信機與天線饋線之間加入一環(huán)行器，如圖7所示。這是一種利用具有非互易物理特性的鐵氧體所構成的三端口器件，信號在其中是單向環(huán)流的，發(fā)射信號沿圖中所示的方向進入天線，而到接收機的方向是受到阻隔的；天線接收到的信號則沿圖所示方向進入接收機。對于較高頻段，這種環(huán)行器尺寸較小，便于安裝在用戶終端（如手機）中。

射頻段自干擾的消除：從發(fā)射通道耦合出發(fā)射信號，通過射頻對消信號產(chǎn)生器輸出一幅度與相位適當?shù)牟ㄐ危c接收通道送來的信號相疊加。接收通道的信號包含了外來有用的信號與自身泄漏進入接收通道的信號，即自干擾信號。射頻對消信號產(chǎn)生器的輸出應與此自干擾信號等幅反相抵消，而保留有用的接收信號。

基帶段自干擾的消除：其原理與射頻段相似，是通過重構，進一步消除從射頻段經(jīng)A/D變換后輸出殘余的自干擾分量。

4 結(jié)束語

進一步改善FDD和TDD的頻譜效率，以適應各種場景，是5G無線通信關鍵技術之一。靈活雙工可以動態(tài)地分配使用頻譜和時間資源；全雙工模式可使資源的利用發(fā)揮到極致，當然也將面臨自干擾消除等技術的挑戰(zhàn)，需要認真處理和解決。