ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra radioelektroniky

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ Fakulta elektrotechnická katedra radioelektroniky Mobilní komunikace - 37MK Srovnání FDD a TDD a jejich výhody a nevýhody. Semestální práce letní semestr 2006/2007

2 Úvod Propojení hlasových, video a datových služeb jsou hlavní cíle mnoha komunikačních poskytovatelů služeb. Pro dosáhnutí tohoto cíle, technologie spojené s tradičními hlasovými sítěmi jsou nahrazovány novějšími technologiemi, které vyhoví šířce požadavek dnešních spotřebitelů. Přístup modulací, jako je FDMA a FDD, byli považované za inovační technologie když byli poprvé aplikované na tradičních hlasových sítích. Dnes, nicméně jsou tyto technologie považované za zastaralé, neschopné vyrovnat se s šírokopásmovostí požadavků a dynamickou povahou moderních sítí, které musí přenášet hlas, video, internet a datové služby efektivně. Frekvenčně dělený duplex (FDD) a časové dělený duplex (TDD) jsou dva nejvíce převládající duplexní metody použité v bezdrátových sítích s pevnou šířkou pásma. TDD je efektivnější, protože neplýtvá šířkou pásma.zatím co FDD, který byl původně použitý už v hlasových sítích, podporuje obousměrné rádiové spojení použitím dvou odlišných rádiových kanálů, TDD jeden frekvenční kanál oběma směry jak vysílání tak příjímání. V pevných bezdrátových Point-to-Multipoint systémech, které využívají FDD, jedním kmitočtovým kanálem jsou vysílaná data ze základnové stanice k účastnickému terminálu. A druhý kmitočtový kanál je použit pro vysílání od účastnického terminálu do Základnové stanice. Protože frekvence jsou spárované, je možný současný přenos v obou směrech. Pro zmírnění interferenci mezi frekvenčními kanály, musí být udržován mezi kmitočtovým párem určitý minimální kmitočtový odstup. Na rozdíl od toho, v pevných bezdrátových Point-to-Multipoint systémech, které využívají TDD, jediný kmitočtový kanál je vyžívaný pro přenos signálů v obou směrech. Tento referát srovnává tyto dva duplexní schémata s ohledem na jejich frekvenční spektrum, vhodnost pro datové aplikace a efektivitu využití šířky pásma. Datová symetrie Původně, byly přístupové sítě optimalizované pro přenos hlasu, který je přirozeně souměrný. Časem, když objem dat přenášených sítí stoupal, zvyšovala se i asymetrie přenesených dat. Přenos dat je přirozeně nesouměrný, downstream (ze sítě k uživateli) výrazně převažuje nad upstreamem (od uživatele do sítě) a to v poměru 4:1 v obchodních aplikacích a v ještě vyšším poměru v domácích aplikacích. Spektrální efektivita Frekvenční spektrum se čím dál víc stává nedostatkovým zbožím. Tento nedostatek vytváří potřebu optimálně využití dostupné šířky pásma. FDD systémy operují na principu párů frekvencí. Frekvence kanálů jsou přiděleny tak, že spektrum je složené z downstream a upstream kanálů. Frekvence kanálů většinou definuje regulační organizace, jako například FCC, ITU, nebo jiná. Plánování frekvencí kanálů, pak 2

3 zaručuje ochranné pásmo mezi upstream a downstream kanály. Ochranné pásmo je vyžadováno, aby se omezila vzájemná interference a v podstatě je to nevyužité spektrum. V spektrálním rozvržení jako MMDS, kanály na sebe plynule navazují bez specifikovaného přechodu, nebo ochranného pásma mezi příchozími a odchozími kanály. Poskytovatelé služeb používající FDD systémy v těchto případech musí vytvořit náhradní falešné ochranné pásmo za účelem odložení části použitého spektra a izolovaní příchozího a odchozího frekvenčního kanálu. V tomto schématu, je spektrum rozděleno do dvou kanálových bloků, které jsou obvykle oddělené dvěma prázdnými RF kanály. V MMDS, na frekvencích kolem 2.5 GHz s kanály širokými 6 MHz, musí být ochranné pásmo přinejmenším 12 MHz. To má za následek, že příjdeme o dvě MMDS frekvence. Zvážíme-li, že pro MMDS použití je výhradně přirazených osm kanálů, ztráta dvou frekvencí je významná. Ve srovnání s celkově 31 kanály v MDS/ITFS/MMDS pasme, ztráta 2 frekvencí na ochranné pásmo je cca 7% z dostupné šířky pásma. Jedna z alternativ je vymyslet kanálové rozvržení v MMDS pásmu, tak aby se udržel minimální vysílaní/příjem odstup. Nicméně, držitel licence nemusí mít přístup k dostatečnému množství za sebou následujících kanálů aby mohl realizovat kmitočtový plán vhodný pro FDD rozmístění. Na rozdíl od toho, TDD systémy vyžadují ochranný čas (namísto ochranného pásma) mezi vysílanými a přijímanými toky. TX/RX Transition Gap (TTG) je pauza mezi vysílaným a přijímaným přenosem. Tato pauza umožní základové stanici přepnout z vysílacího režimu k přijímacímu režimu a účastníkům přepnout z přijímacího režimu do vysílacího módu. Během této pauzy, základová stanice a účastník nevysílají modulovaná data, ale základnová stanice vypne nosný kmitočet vysílače, TX/RX anténu přepne na příjem a přijímací část základnové stanice se aktivuje. TTG má proměnnou délku trvání, která je násobkem celých time slotů (PS). TTG začína vždy na rozhraní time slotů. Příklad: jestli maximální spojovací vzdálenost je 10km, rychlost světla jsou 3.0e+8 m/sec TX/RX pauza je 1 µs, TTG = 2 x (10 km / 3e+8) + 1 µs = 67 µs Nebo TTG = 67 µs / (4*(1/5 MHz)) = 84 PS Tudíž, jen 3.4% z dostupné šířky pásma je ztracené pro TX/RX ochranné pásmo v porovnání s FDD. Hardwarová složitost Ve FDD systémech, dva RF kanály jsou v nepřetržitém provozu v každém místě, vysílač operuje současně s přijímačem. Jak vysílací tak přijímací kanály jsou většinou blízko sebě, vysílaný signál tak může přetížit citlivý přijímač laděný do blízkého kanálu. 3

4 Pro zmírnění vzájemných interferencí, FDD systémy vyžadují zvláštní filtry (anténní přepínače), spolu s pečlivým navrhnutím a provedením mechanického a elektrického odstínění aby nedošlo k takovému přetížení. Cena anténních přepínačů a implementace RF stínění se zvyšuje se sužujícím se ochranným pásmem a nebo menším odstupem dvou kanálů. Pro TDD systémy nejsou anténní přepínače a izolační techniky potřebné, protože vysílací a přijímací kanály uvnitř pásma nebudou nikdy aktivní současně a nemůže tak docházet k vzájemným interferencím. Následkem toho je hardware pro TDD méně složitý a taky méně nákladný. Kmitočtové plánování V TDD systémech, přijímač přepíná mezi vysílacími a přijímacími režimy na základě jednotek času uvnitř stejného kanálu.v mnoha zemích, je přirazení frekvenčních bloků podřízeno tomu aby měli provideři maximální flexibilitu v rozmístnění služeb. Ale v mnoha případech,jsou tyto přirazení udělaná bez ohledu na požadovaný rozestup mezi vysílaným a přijímaným kmitočtem pro FDD zařízení. Příkladem toho je MMDS/ITFS nebo LMDS kmitočtová pásma ve Spojených státech. Takže, frekvence přidělené v celku pro širokopásmové služby se při použití FFD pravidel můžou rozdělit na víc bloků. Bez pečlivého plánování, může být výsledkem nevyužité spektrum. Kvůli potřebě pro ochranné pásmo mezi vysílacími a přijímacími kanály, některý poskytovatelé služeb nemusí mít dostatečnou šířku pásma aby mohli poskytnout FDD služby. TDD systémy nabízejí po této stránce velikou výhodu nad FDD protože, mohou být rozmístěný do pásma s jediným kanálem dostupného TDD spektra. Toto odstraní párové přidělení kanálů požadováno FDD a dovolí operátorům využít spektrálního rozdělení souvislého, nesouvislého a nebo rozděleného na malé pásma. Toto dělá TDD systémy zvláště atraktivní pro MMDS operátory kteří mají přístup pouze k některým MMDS nebo ITFS kanálům. Dynamické přiřazení šířky pásma Jedna důležitá vlastnost TDD systémů, která jim dává výraznou výkonovou výhodu nad FDD systémy je rozeznatelná při přenosu dat jako jsou například internetový provoz. Hlasový provoz je stálý a předpověditelný, zatímco datový provoz je proměnný a nepředvídatelný. Protože TDD operuje v časové oblasti, nepředvídatelná data, která se mění v čase můžou být přenášená efektivněji. TDD může dynamicky měnit kapacitu kanálu přidělenou vysílané a přijímané komunikaci, až k celkové kapacitě kanálu. Jinými slovy,"vypůjčí si" čas ze směru vysílání aby zvětšil čas pro zpětný směr, nebo naopak. Celkový počet bitů stáhnutých přes dlouhodobou periodu je stejný pro oba FDD i TDD. Nicméně, ne jejich zpoždění. Uživatel nechce dlouhodobě stálou průměrnou rychlost. Místo toho, chce okamžitou špičkovou rychlost tak, aby data stáhl tak rychle jak je to jen možné. 4

5 Přerozdělení kapacity kanálu Předpokládejte, že nové požadavky přenosu vyžadují změnu přerozdělení downstream/upstream poměru 4:1 na 9:1. TDD se snadno přizpůsobí novému požadavku a přidělí kapacitu, nicméně FDD se nemůže snadno přizpůsobit tomuto požadavku. Místo toho to dál používá původního přerozdělení kapacity. Následkem toho, je ve směru upstream nevyužita kapacita kterou bychom mohli využít v opačném směru. TDD si teda může dynamicky "vypůjčit" šířku pásma z jednoho směru okamžitě, zatímco FDD si nemůže dynamicky vypůjčit šířku kmitočtového pásma. Škálová efektivita jak funkce sestup/vzestup poměru Během typického dne, se upstream/downstream poměr mění podle toho jak uživatelé přicházejí a odcházejí a taky podle vyžití sítí sdruženími uživatelů (podniky, univerzity,...). Schopnost přidělit šířku pásma dynamicky, nebo "na požádání" povolí poskytovatelům služeb používajícím TDD pro vždy mít optimální rozdělení provozu a poskytnutí různých úrovní služeb uživatelům uvnitř stejného sektoru. Účastníkům bude poskytnuta šířka pásma podle jejich provozních potřeb. Závěry Výše uvedená rozprava zvýraznila výhody TDD nad FDD. Tyto výhody mohou být souhrnný tímto způsobem: FDD je starší metoda která byla vhodnější pro přenos hlasu, který generuje souměrný přenos, zatímco TDD je vhodnější pro nárazové, nesouměrné přenosy, jako je internet nebo další služby zaměřené na data. V TDD, vysílač i přijímač pracují na stejné frekvenci ale v různých časech. Proto, TDD systémy dvakrát použijí stejné filtry, mixéry, kmitočtové zdroje a syntetizátory, čímž zjednodušují zapojení a snižují výdaje spojené s odizolováním vysílací antény od přijímací antény. FDD systémový užívá anténní přepínač a/nebo dva antény, které vyžadují prostorové odloučení a, proto, nemůže znovu použít zdroje. Výsledek je víc drahého hardwaru. TDD zužitkuje spektrum efektivněji než FDD. FDD nemůže být použita v prostředích kde poskytovatel služeb nemá dostatečnou šířku pásma aby mohl poskytnout požadované ochranné pásmo mezi vysílajícími a přijímacími kanály. TDD je víc flexibilní než FDD, v případě potřeby dynamicky překonfigurovat přidělenou upstream a downstream šířku pásma v závislosti od potřeb zákazníka. TDD umožňuje zmenšení interferencí pomocí kmitočtového plánování. TDD vyžaduje jediný kanál bez interferencí ve srovnání s FDD, který je vyžaduje dva. Ve shrnutí, TDD je vhodnější duplexní technologie, která dovolí operátorům vytěžit co nejvíc z jejich investice do frekvenčních rozsahů a telekomunikačního vybavení, při plnění potřeb každého jednotlivého zákazníka. 5

6 Použité zkratky FCC - The Federal Communications Commission FDD - Frekvenčně dělený duplex FDMA - Frequency-division multiple access ITFS - International Toll-Free Service ITU - International Telecommunication Union LMDS - Local Multipoint Distribution Service MDS - Multipoint Distribution Service MMDS - Multichannel Multipoint Distribution Service TDD - Časové dělený duplex TTG - TX/RX Transition Gap TX/RX - Transmit/receive 6