تعریف و مقایسه TD-LTE و FD-LTE در ارتباطات سلولی

تعریف و مقایسه TD-LTE و FD-LTE در ارتباطات سلولی بحثی است که در این مقاله سعی کرده ایم به آن بپردازیم.

سلام بر همراهان همیشگی پست های آموزشی و فناوری وبسایت رسمی IDH. در این مقاله مهم قصد داریم به مقایسه TD-LTE و FD-LTE بپردازیم تا ببینیم آیا غول افسانه ای که توسط اپراتورها و سرویس دهندگان، از سرویس پرسرعت و بی نقص TD-LTE در ذهن مشترکین ساخته شده، اساس فنی و تخصصی دارد یا فناوری قوی تری هم هست؟!

از آنجا که این مقاله، ادبیات تخصصی و تقریبا پیچیده ای دارد، شما میتوانید تنها به مطالعه چکیده و نتیجه گیری آن بسنده کنید.

چکیده

از زمانی که بسیاری از سرویس دهندگان تصمیم به افزودن (LTE (Long Term Evolution به شبکه های خود گرفته اند، استفاده از LTE Advanced بر روی نسل چهارم تکنولوژی ارتباطات تلفن همراه (۴G) مورد توجه قرار گرفته است.

همانطور که میدانیم، ترافیک تلفن های همراه، به دو بخش تقسیم میشود: بارگذاری و بارگیری.

این مقاله، دو حالت دو طرفه سازی LTE را بررسی میکند؛ یعنی:

(LTE-TDD (Time Division Duplexing یا همان دوطرفه سازی به کمک تقسیم زمان که با نام TD-LTE نیز شناخته میشود.

(LTE-FDD (Frequency Division Duplexing یا همان دو طرفه سازی به کمک تقسیم فرکانس.

لازم به ذکر است که LTE-TDD به واسطه انعطاف بالاتر در انتخاب نسبت میان نرخ دیتای بارگذاری و بارگیری، بهره گیری از یک کانال در حالت متقابل رفت و برگشتی، توانایی استفاده در طیف غیر جفت شده و پیچیدگی کمتر در طراحی گیرنده و فرستنده، در اکثر پیاده سازی ها و طرح های اجرایی، نسبت به LTE-FDD، برتر تلقی شده است.

در عملکرد FDD، دو فرکانس حامل وجود دارند؛ یکی برای بارگذاری و دیگری برای بارگیری.

درون هر فریم نیز، ۱۰ زیر فریم بارگذاری و ۱۰ زیر فریم بارگیری وجود دارد که امکان انجام همزمان عملیات نقل و انتقال به صورت بارگذاری و بارگیری را در یک سلول ایجاد میکند.

در FDD LTE، انتقالات بارگیری و بارگذاری در باندهای فرکانسی کاملا مجزا و متفاوت رخ میدهد؛ در حالیکه TDD، این انتقال را در فرجه های زمانی متفاوتی که به هیچ وجه هم پوشانی ندارند، انجام میدهد.

در نتیجه TDD میتواند در طیف غیر جفت شده کار کند، در حالیکه FDD به طیف جفت یا دوتایی نیاز دارد.

تمرکز اصلی این مقاله، مقایسه td-lte و fd-lte برای بررسی تفاوت FDD LTE و TDD LTE در روش تقسیم یک کانال تک برای فراهم سازی مسیر جهت آپلود و دانلود است.

FDD این کار را با تقسیم باند فرکانسی اختصاص داده شده، به دو کانال کوچکتر و مجزا انجام میدهد.

TDD کل کانال را استفاده میکند؛ اما با این تفاوت که TDD یا همان TD-LTE، آپلود و دانلود را در شکاف های زمانی کاملا مجزا، با یکدیگر جایگزین میکند.

مقدمه

تکنیک های TDD و FDD به واسطه پوشش کامل الزامات ورژن ۸ از ۳GPP، امکان به کارگیری LTE در هر دو طیف جفت شده و غیر جفت شده را به وجود آورده اند.

در اولین گام از مقایسه TD-LTE و FD-LTE، شباهت FDD و TDD را میتوان در به اشتراک گذاری چهارچوب یکسان، شامل طرح های دسترسی رادیویی OFDMA در بارگیری و SC-FDMA در بارگذاری، فرمت های پایه ی زیر فریم ها، پروتکل های پیکربندی و … جستجو کرد.

در یک نگاه ساده میتوان منشا تفاوت TDD و FDD را در تعویض بین عملیات بارگیری و بارگذاری در TDD دانست؛ اتفاقی که در FDD دیده نمیشود.

یکی از ویژگی های کلیدی تکنیک TD-LTE، اشتراکات آن با TD-SCDMA است.

در ادامه به بررسی این دو حالت میپردازیم و تفاوت های آنها را بیان میکنیم.

انعطاف پذیری طیف

مهم ترین ویژگی فناوری دسترسی رادیویی LTE، میزان بالای انعطاف پذیری طیف است.

هدف این انعطاف پذیری طیف، اجازه دادن برای به کار بستن فناوری LTE در باندهای فرکانسی گوناگون که ویژگی های مختلفی دارند است؛ برای مثال، آرایش دوسویی متفاوت و اندازه های غیر یکنواخت طیف در دسترس.

انعطاف پذیری در آرایش دوسویی

یکی از مهمترین ملزومات LTE در مورد انعطاف پذیری طیف، امکان به کارگیری دسترسی رادیویی بر پایه LTE هم در طیف های جفت شده (دوتایی) و هم جفت نشده میباشد.

بنابراین، LTE هر دو نوع آرایش دوسویی یعنی برمبنای تقسیم فرکانس و تقسیم زمان را پشتیبانی میکند.

FDD همانطور که در سمت چپ شکل زیر میبینید، بر این مبنا کار میکند که بارگذاری و بارگیری، در باندهای فرکانسی که به میزان کافی از هم مجزا و متمایز هستند رخ میدهد.

TDD نیز همانگونه که در سمت راست شکل پیداست، بر پایه انجام نقل و انتقال داده در فرجه ها یا شکاف های زمانی متفاوت و غیر همپوشاننده عمل میکند.

بنابراین، TDD در طیف غیر جفت شده میتواند کار کند؛ اما FDD به طیف دوتایی جفت شده نیاز دارد.

البته لازم است به این نکته اشاره شود که پشتیبانی از انجام عملیات در هر دو طیف جفت شده و نشده، حتی پیش از معرفی LTE نیز به وسیله WCDMA/HSPA بر پایه FDD در ترکیب با رادیو TD-SCDMA برپایه TDD توسط تکنولوژی های دسترسی رادیویی ۳GPP محقق شده بود.

با این حال، جزئیات بیشتری به کمک تکنولوژی های نسبتا متفاوت دسترسی رادیویی به این ویژگی مهم اضافه شد.

این تکنولوژی ها، پیچیده تر و نیازمند تلاش بیشتری برای پیاده سازی و پیکربندی بودند؛ برای مثال، میتوان به LTE که امکان پشتیبانی از TDD و FDD را دارد، اشاره کرد.

LTE همچنین امکان پشتیبانی از FDD نیمه دوسویی را داراست.

در این حالت، دریافت و ارسال در یک پایانه (ترمینال) مشخص، در زمان و فرکانس، مجزا میشوند.

این همان چیزی است که مثلا در سیستم GSM رخ میدهد.

مزیت این تکنیک، پیچیدگی کمتر پایانه مدنظر از نظر عدم نیاز به فیلترهای دوسویی در آن است.

به خصوص برای پایانه های چند باندی که به فیلترهای متعدد نیاز دارند.

روش های دو سویه سازی

انعطاف پذیری طیف یکی از ویژگی های مهم LTE است.

علاوه بر انعطاف پذیری در پهنای باند انتقال، LTE قابلیت کار کردن در طیف های جفت و غیر جفت را به ارمغان می آورد.

این اتفاق با بهره مندی از امکان پشتیبانی عملیات دو طرفه سازی TDD و FDD با ساختار زمان-فرکانسی که در شکل زیر نشان داده شده است رخ میدهد.

اگر چه ساختار دامنه زمانی، بعنوان یک پارامتر بااهمیت، برای TDD و FDD مشابه است، تفاوت هایی وجود دارد که مهم ترین آنها را میتوان در وجود یک زیرفریم ویژه در TDD جستجو کرد که میتواند یک زمان محافظ لازم برای تعویض بین بارگذاری و بارگیری را ایجاد کند.

دوطرفه سازی تقسیم فرکانسی (FDD)

در عملیات FDD، دو فرکانس حامل وجود دارد، یکی برای انتقال بارگذاری (f_UL) و دیگری برای انتقال بارگیری (f_DL).

در طول هر فریم، ده زیر فریم بارگیری و ده زیر فریم بارگذاری وجود دارد و بارگذاری و بارگیری میتوانند به صورت همزمان درون یک سلول انجام شوند.

هر فریم رادیویی را معادل ۱۰ میلی ثانیه فرض میکنند، پس هر زیر فریم ۱ میلی ثانیه خواهد بود.

ایجاد تمایز و ایزولاسیون میان انتقالات بارگیری و بارگذاری، از طریق فیلترهای ارسال/دریافت، که تحت عنوان فیلترهای دوطرفه سازی نیز شناخته میشوند، و جداسازی در دامنه فرکانسی صورت میگیرد.

همانطور که اشاره شد، در FDD، بارگذاری و بارگیری میتوانند به صورت همزمان درون یک سلول انجام شوند؛ با این حال، یک ترمینال ممکن است بسته به این که آیا از ارسال و دریافت همزمان پشتیبانی میکند یا خیر، تنها قادر به نیمه دوطرفه سازی و یا هم نیمه دوطرفه سازی و هم دوطرفه سازی کامل برای یک باند فرکانسی مشخص باشد.

به بیان دیگر، در مورد دو طرفه سازی کامل، ارسال و دریافت به طور همزمان درون یک پایانه اتفاق میفتند؛ در حالیکه ترمینال هایی که تنها امکان نیمه دوطرفه سازی را دارند، نمیتوانند در آن واحد هم ارسال و هم دریافت را انجام دهند.

پشتیبانی از صرفا نیمه دو طرفه سازی، به پیاده سازی ساده تر ترمینال کمک میکند؛ زیرا الزامی به استفاده از فیلترهای دوطرفه سازی به آن معنا که در دوطرفه سازی کامل وجود دارد، نیست.

این روش به طور خاص برای باندهای فرکانسی معینی با یک فاصله دوطرفه سازی محدود استفاده میشود.

باید دانست که پشتیبانی از دوطرفه سازی کامل، به باند فرکانسی بستگی دارد.

بدین معنا که یک ترمینال ممکن است تنها عملیات نیمه دوطرفه سازی را در باندهای فرکانسی معینی پشتیبانی کند؛ اما در مابقی باندها قادر به دوطرفه سازی کامل باشد.

باید اشاره شود که قابلیت دوطرفه سازی نصفه یا تمام، یک ویژگی ترمینال است و ایستگاه پایه، همواره قطع نظر از قابلیت های ترمینال، به صورت تمام دوطرفه کار میکند.

در نتیجه، از آنجا که ساختارهای انتقالی مربوط و روابط زمان بندی برای نیمه دوطرفه سازی و تمام دو طرفه سازی FDD مشابه است، یک سلول تک میتواند در آن واحد از ترکیبی از ترمینال های نیمه و تمام دوطرفه سازی FDD پشتیبانی کند.

عملیات نیمه دوطرفه سازی بر نرخ دیتای پایداری که میتواند برای/از یک ترمینال تک فراهم شود تاثیر میگذارد؛ زیرا نمیتواند در تمام زیرفریم های بارگذاری، عملیات مخابره را انجام دهد؛ اما ظرفیت سلول متاثر از این ماجرا نیست؛ چراکه نوعا میتوان ترمینال های مختلف را در بارگیری و بارگذاری درون یک زیرفریم داده شده، زمان بندی کرد.

از آنجایی که یک ترمینال نیمه دوطرفه، قادر به ارسال و دریافت همزمان نیست، باید در تصمیمات زمانبندی، این مساله را در نظر گرفته و دانست که عملیات نیمه دوطرفه سازی را میتوان بعنوان یک محدودکننده زمان بندی درنظر گرفت.

اگر یک ترمینال به گونه ای زمان بندی شود که بارگیری در یک زیرفریم بلافاصله با یک زیرفریم بارگذاری قرار گیرد، یک زمان حفاظت برای ترمینال لازم است تا از دریافت به ارسال تغییر حالت دهد.

این زمان با اجازه دادن به ترمینال برای صرفنظر از دریافت آخرین OFDM در زیر دامنه بارگیری همانطور که در شکل های زیر میبیند فراهم میشود.

دوطرفه سازی تقسیم زمانی (TDD)

در عملیات TDD، تنها یک فرکانس حامل وجود دارد و انتقالات بارگیری و بارگذاری بر یک پایه سلولی در دامنه زمانی از هم جدا میشوند.

همانطور که در شکل فوق پیداست، برخی از زیرفریم ها به انتقالات بارگذاری و برخی دیگر به انتقالات بارگیری اختصاص داده میشوند.

تغییر حالت بین بارگیری و بارگذاری، در یک زیرفریم ویژه (معمولا زیرفریم ۱ و در برخی موارد زیرفریم ۶) رخ میدهد.

مقایسه TD-LTE و FD-LTE

LTE TDD نیز همانند FDD، پهنای باندهایی از ۱٫۴ مگاهرتز تا ۲۰ مگاهرتز را پشتیبانی میکند؛ اما بسته به باند فرکانسی، تعداد پهنای باندهای پشتیبانی شده ممکن است کمتر از کل بازه باشد.

از آنجایی که پهنای باند میان بارگذاری و بارگیری به اشتراک گذاشته میشود و پهنای باند ماکزیمم در نسخه ۸، برابر با ۲۰ مگاهرتز تعیین شده است، نرخ حداکثری انتقال دیتا در TD-LTE از LTE FDD یا همان FD-LTE پایین تر است.

برای مثال، در مورد مودم های جیبی و رومیزی هواوی که از FDD و TDD پشتیبانی میکنند، این تفاوت در کاتالوگ محصولات ذکر شده و بسیار مشهود و قابل تامل است.

بعنوان نمونه، در مورد مودم رومیزی LTE Cat6 B528 هواوی، سرعت آپلود و دانلود به صورت زیر ذکر شده است:

LTE FDD (Download) : 300 Mbit/s LTE FDD (Upload) : 50 Mbit/s

LTE TDD (Download) : 220 Mbit/s LTE TDD (Upload) : 10 Mbit/s

همین مقادیر برای مودم رومیزی LTE Cat4 B315 هواوی به شرح زیر است:

LTE FDD (Download) : 150 Mbit/s LTE FDD (Upload) : 50 Mbit/s

LTE TDD (Download) : 112 Mbit/s LTE TDD (Upload) : 10 Mbit/s

آیا میدانستید؟! شرکت IDH، تنها نماینده رسمی مودم های هواوی در ایران با گارانتی ۳ ساله IDH است.

سیستم TDD، میتواند بر روی یک باند جفت نشده (یا دو باند جفت شده مجزا) پیاده سازی شود؛ در حالیکه FDD همواره یک جفت باند با جداسازی معقول بین جهت های بارگیری و بارگذاری نیاز دارد. به این مفهوم، جداسازی دوطرفه کردن گفته میشود.

پیاده سازی یک FDD UE (منظور از UE در واقع تجهیزات کاربری است)، جداسازی دوطرفه کردن، معمولا نیازمند یک فیلتر دوطرفه سازی به منظور تسهیل ارسال و دریافت همزمان است.

UE در یک سیستم TDD، نیاز به چنین فیلتری ندارد.

پیچیدگی فیلتر دوطرفه سازی، زمانی که باندهای فرکانسی بارگیری و بارگذاری در یک همسایگی نزدیک تر قرار گیرند، افزایش میابد.

پیش بینی میشود که در تخصیص طیف های آینده، باندهای غیر جفت و درنتیجه TDD، حوزه عملیاتی گسترده تری دارند.

با این حال، از آنجا که بارگیری و بارگذاری، باند فرکانسی یکسانی را به اشتراک میگذارند، سیگنالها در این دو جهت انتقال میتوانند در TD-LTE با هم تداخل کنند.

در شکل زیر، این موضوع به خوبی با استفاده از TDD روی فرکانس یکسان بدون تناسب و بدون تقارن بین سایت ها، در منطقه تحت پوشش یکسان، قابل مشاهده است.

برای بکارگیری نامتقارن بر روی باند فرکانس یکسان، دستگاه های متصل به سلول های با زمان بندی و یا تخصیص بارگیری/بارگذاری متفاوت، ممکن است باعث مسدود شدن دیگر کاربران TD-LTEشوند.

در TD-LTE ایستگاه های پایه باید با یکدیگر در سطح فریم در یک محدوده تحت پوشش یکسان، متقارن باشند تا از این تداخل جلوگیری بعمل بیاید.

این مشکل نوعا میتواند به وسیله استفاده از راه حل های بر پایه ماهواره مانند GPS یا Galileo یا با داشتن یک مرجع زمان بندی خارجی دیگر که با ایستگاه پایه TDD LTE در یک محدوده تحت پوشش یکسان به اشتراک گذاشته شده است حل شود.

FDD LTE اما به تقارن ایستگاه پایه نیاز ندارد؛ زیرا به خاطر جداسازی دوطرفه بسترها، هیچ تداخلی بین بارگذاری و بارگیری در FDD وجود ندارد.

جدول زیر مقایسه td-lte و fd-lte را نشان میدهد:

نتیجه گیری مقایسه td-lte و fd-lte

این دو نسخه از LTE، دارای مشابهت های زیادی هستند.

در واقع، آنها صرفا در سطح فیزیکی تفاوت دارند.

درنتیجه، UE ها میتوانند تنها با یک سری بهبودهای کوچک، با یک چیپست هم از TDD-LTE و هم از FDD-LTE پشتیبانی کنند.

پوشش بارگذاری در FDD-LTE به دلیل ماهیت غیر پیوسته بارگذاری، به طور عمده از TDD-LTE بهتر است.

درصد پوشش برای کانال های کنترل و دیتا، در FDD و TDD بسیار مشابه است.

از نظر بازدهی طیف، عملکرد FDD-LTE و TDD-LTE برای ترافیک های غیر تاخیری مشابه است؛ اما به طور کلی عملکرد TD-LTE ضعیف تر است آن هم به دلیل دوره های زمانی حفاظت که به آن اشاره شد.

در مجموع، اپراتورها، TDD را بیشتر مورد توجه قرار میدهند که دلیل آن کاربردهای غیر متقارن، تاخیر پایین (البته نه پایین تر از FDD)، توان عملیاتی بالا و امنیت خوب این روش است که آنرا به یک تکنیک انعطاف پذیر و مقرون به صرفه برای اپراتورها تبدیل کرده است.

TDD از FDD در برطرف سازی نیاز به پیکربندی مجدد پویای پهنای باند اختصاص یافته به جریان های ارسال و دریافت به منظور پاسخ به نیاز مشتری ها منعطف تر است.

به طور خلاصه، TDD یک تکنولوژی دوطرفه سازی مطلوب برای اپراتور ها (و نه لزوما مشترکین) است که بیشترین سود را از سرمایه گذاری خود بر روی طیف و تجهیزات ارتباطی کسب کنند.

منابع

• Yonis, A. Z., M. F. L. Abdullah, and M. F. Ghanim. “LTE-FDD and LTE-TDD for cellular communications.” Proceeding, Progress in (2012).
• Holma, H. and A. Toskala, LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, 267, John Wiley & Sons Ltd., United Kingdom, 2009.
• Dahlman, E., S. Parkvall, and J. Sk¨old, 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, 100– ۱۳۷, Elsevier Ltd., UK, 2011.
• Dahlman, E., S. Parkvall, J. Sk¨old, and P. Beming, 3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2nd Edition, 318, Elsevier, Department in Oxford, UK, 2008.
• Parkvall, S. and D. Astely, “The evolution of LTE towards IMT-advanced,” Journal Of Communications, Vol. 4, No. 3, 146–۱۵۳, Apr. 2009.
• Progri, I., Geolocation of RF Signals: Principles and Simulations, 115, Springer, USA, 2011.

دیگر پست های آموزشی و اخبار دنیای فناوری را نیز از دست ندهید.

راستی! شما میتوانید در بخش دیدگاه ها موضوعات مورد علاقه خود را برای مقالات بعدی که به صورت اختصاصی توسط تیم وبسایت رسمی IDH تهیه میشوند با ما در میان بگذارید.

امیدواریم از این مقاله مهم که در خصوص مقایسه TD-LTE و FD-LTE بود استفاده و لذت برده باشید.