5G的双工模式

钟 旻

1 基本概念和原理

根据ITU-R的定义，所谓双工，是指一种工作模式，它允许在两点间同时在两个方向上传送信息。在无线通信中，最典型的是频分双工（FDD），它是采用两个不同的频率用于发射和接收。通常在移动通信网络中，从用户到基站的传输，称为上行链路（UL），而基站到用户终端则为下行链路（DL），这里，是通过不同的射频将上、下链路分离区别开来，二者不会相互干扰或混淆，如图1所示。

图1 频分双工和时分双工的示意图

另一种双工模式是时分双工（TDD），从图1可见，这时上、下行链路采用同一射频，而用时间进行分割，即在适当的时间间隔上划分成两个时段，在同一射频，不同的时段分别传送上、下行链路的数据。如此循环往复，这样，此二时段便组成了一个TDD帧。

频分双工是一种十分成熟而可实现的技术，因上、下行射频不同，同时，为了支持足够的通信容量和数据速率，上、下行链路都要占用一定的带宽，且二者有足够的频率间隔。采用中心频率不同的带通滤波器，或低通与高通滤波器组合，便构成频分双工器。

与频分双工相比，时分双工仅需一频率和带宽配置，可节省一半频谱资源，提高了频谱利用率。但既然是“时分”，这种双工方式是不能在两点间同时在两个方向上传送信息的，严格说，它是一种半双工方式。

2 灵活的双工[1][2][3]

移动通信4G和LTE对于频率/时间资源的配置是固定的，进入5G时代，许多应用场景，如增强移动宽带、大容量热点等，小区中上下行链路业务对频率/时间资源的使用是随时间动态变化、不对称的。

采用灵活的双工，可灵活设置或调整上、下行频谱、时帧的比例，以适应上、下行不同业务带宽的要求。以图2为例，对于FDD系统，按业务需要确定上下行频槽比，上行链路频带可用时域方式分配，用于上行链路或下行链路。在TDD系统中，对每一小区，按业务需要，分配上/下时隙比，一些原来作为上行的时隙，可用于下行。

可见，灵活的双工就是动态地分配使用频率或时间资源。为既能灵活分配，又具有标准化，需要对频谱（带宽）和时间（帧）作进一步的划分。表1是按正交频分多路复用为基础的子载波的划分及有关参数。图3是典型的子载波间隔安排和应用场合。

为了支持灵活而有效的TDD资源的利用，5G采用一种灵活的时隙结构，系统可以配置一个时隙全用于DL，或全用于UL，或DL和UL混合，来提供不对称的业务，如图4所示。时隙开头由DL控制起动，而末尾则为UL控制。根据业务需要，可以动态地配置DL/UL的混合比例。这时在传输格式中，设置一时隙帧指示（SFI），通知某一用户OFDM符号中是否包含有DL，UL或二者。

图5给出了一些应用模式的举例。当系统需要大的负载，可按标准进行时隙聚合。在增强移动宽带应用场景下，采用聚合的时隙和更长的传输时间来满足要求，此时降低了TDD开关和信令的开销。

在超可靠低时延应用中，引入“迷你”型时隙（minislot），来支持突发的、非同步的传输，其持续期短于典型的14个符号的时隙以保证低传输时延。同时，通信协议中要赋予这种短突发最高的优先权，不用在帧中按步就班等候发送。

表1 用于5G的OFDM子载波的划分及有关参数

图3 可灵活伸缩的载波间隔安排

图4 5G中灵活的时分双工

图5 灵活双工应用模式举例

在5G的应用中，上行链路和下行链路信号波形要进行新的设计，这有利于上下行信号的识别和干扰的消除或干扰的协调。另外，未来业务配置的趋向是蜂窝小区将主要负责管理和控制功能，移动业务主要由微微小区承担，其基站的发射功率可降至移动终端的电平，这有利于减少这些基站之间的相互干扰。

3 全双工[1][4][5]

所谓全双工，是指使用相同的射频同时进行上下行链路信号的传送。如此可使系统频谱效率加倍。

实现全双工的首要挑战是解决自干扰问题。对基站或用户终端来说，同频收发，强大的发射信号将会通过某些途径进入接收通道，产生干扰，因为接收机是低电平工作的，微弱的接收信号会受到发射信号的强干扰，严重时可能无法正常工作，消除此干扰的基本途径是采用图5所示的自干扰消除电路。

图6中，为消除自干扰，设置了三道“关卡”：天线段、射频段和基带段。

天线处的自干扰消除：收、发天线分开，通过空间分隔，将二者的耦合减少，这可通过增大二者的距离，或采用反极化（收发极化相互垂直），以减少发射天线对接收天线的影响。所谓极化，是指电磁波传播过程中的电场或磁场矢量的取向，由于电、磁场之间有明确的关系，只需考虑其中之电场便可，即电磁波的电场矢量末端轨迹决定了电磁波的极化方式。电场矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上投影为一直线时，称为线极化；如为圆形或椭圆形时，称为圆极化或椭圆极化。根据电磁波传播的理论，当二极化波相互垂直（正交）时，无能量的交互作用，即是相互独立的，起到了隔离作用。

当收发共用天线时，对于较高的频段，可在收发信机与天线馈线之间加入一环行器，如图7所示。这是一种利用具有非互易物理特性的铁氧体所构成的三端口器件，信号在其中是单向环流的，发射信号沿图中所示的方向进入天线，而到接收机的方向是受到阻隔的；天线接收到的信号则沿图所示方向进入接收机。对于较高频段，这种环行器尺寸较小，便于安装在用户终端（如手机）中。

射频段自干扰的消除：从发射通道耦合出发射信号，通过射频对消信号产生器输出一幅度与相位适当的波形，与接收通道送来的信号相叠加。接收通道的信号包含了外来有用的信号与自身泄漏进入接收通道的信号，即自干扰信号。射频对消信号产生器的输出应与此自干扰信号等幅反相抵消，而保留有用的接收信号。

基带段自干扰的消除：其原理与射频段相似，是通过重构，进一步消除从射频段经A/D变换后输出残余的自干扰分量。

4 结束语

进一步改善FDD和TDD的频谱效率，以适应各种场景，是5G无线通信关键技术之一。灵活双工可以动态地分配使用频谱和时间资源；全双工模式可使资源的利用发挥到极致，当然也将面临自干扰消除等技术的挑战，需要认真处理和解决。