[無線科技] UMTS不可輕忽的痛：TDD干擾 - 《臺灣通訊·無線科技》雜誌

Peter Relph
編譯：柳林緯

從TDD的發展經驗來看，如何解決干擾問題，實在是一大考驗。而這次的主題，在於討論WiMAX、3G、4G的整合應用，這樣的問題更是不容忽視。在此，就以本篇文章，來一窺在無線通訊網路中的TDD干擾問題。

正當第三代行動電話（3G：3rd Generation）於歐洲市場初試啼聲之際，採「分時多工」（TDD：time divisionduplex）模式的寬頻分碼多工接取（W-CDMA：Wideband Code Division MultiplexAccess）技術也正開始陸續佈建中。然而，對於許多地區來說，特別是對於歐洲地區來說，TDD系統彷彿只是用來輔助或彌補系統涵蓋率不足的玩意兒，只是為了在3G以及802.11 WiFi之外，多提供用戶一些可以高速上網的管道罷了。

TDD系統初試啼聲
雖然系統業者不僅可以提供一般3G手機訊號，還可以提供這種嶄新的TDD上網服務，對用戶來說確實有很大的吸引力。但從技術上來看，一方面要處理手機的「分頻多工」（FDD：frequency divisionduplex）格式訊號，另一方面又要搞定配備TDD的筆記型電腦，這兩種截然不同的通訊格式，對於兩種天線之間以及所產生的相互干擾，絕對會讓技術人員深感頭痛。
部分業界人士認為，TDD絕對是個可以取代現今UMTS系統採用的FDD格式，儘管比起後來的TDD，FDD在3G的地位早就已經是不容撼動了。但在東亞地區，TDD格式的TD-CDMA以及TD-SCDMA，由於是IEEE802.16與802.20的變型，因此也成為許多業者在主流的3G技術外，積極關切的新格式。
不可諱言地，TDD系統具有許多優點。單一載波頻率（carrierfrequency）可以同時用來進行上傳及下傳連線，畢竟這是以時間為切割方式的通訊技術；此外，上傳及下傳的時間配置（timeallocate）可以按照資料的傳輸量（譯註：以接收電子郵件或寄送電子郵件為例，其所需之上傳與下傳都不同）排定其大小與比例。也就是說，TDD可以提供非對稱（asymmetric）的資料傳輸，而這在需要上網瀏覽網頁的使用情境時，將不至於讓整個系統的頻譜有所浪費。同時，這其中的上傳下傳比例分配，也可以動態即時調整，以符合人們的使用彈性。

TDD雖然優點多多 但干擾問題卻不容忽視
然而，儘管TDD具有上述這些優點，但其所衍生的干擾問題，卻也不容忽視。把使用同一頻率的發射電路跟接收電路擺在一起，其所引發的鄰近波道（adjacentfrequencybands）干擾，對於整個系統而言絕對不容小覷。舉例來說，如果某個鄰近波道被用做上傳時，基地台的接收端會把它當成是從TDD基地台傳來的干擾訊號。
同樣地，如果TDD的鄰近頻率與下傳相近，TDD系統的接收電路也會把它視為干擾訊號。這樣的系統辨識問題，確實會在行動裝置上產生。更進一步來論，對於行動電話手機這樣的小型裝置，其嚴重的程度是會比其他行動裝置（如：筆記型電腦）高，尤其是手機沒有辦法配置指向性天線，或是其他最基本的分離控制措施，來避免或減少這些干擾。
所幸，業界已充分了解這些干擾問題，並進行一連串的研究，以便能早日解決。其中，最具代表的應該算「第三代行動電話合作伙伴計畫」（3GPP：Third Generation PartnershipProject）了，該組織訂定了相關的設備規範，以便適用在「同一地理區域」（same geographicalregion）或「與其他服務共存」（collocation with otherservices）的環境中。這些積極的定義對於需要提供與其他服務共存的環境來說，將大大地助長相關設備與器材的發展，並且甚至促成業者導入該等服務與採購此類產品。

「共存規範條件」（collocation specifi-cations）
「共存規範條件」（collo-cation specifications）係由「干擾計算」（interferencecalculation）衍生而來，也就是充分考慮發射機中屬於所謂「鄰近波道洩漏比」（ACLR：adjacent channel leakageratio）的雜訊或是「寬頻雜訊」（wide bandnoise）。而在接收機方面，就要考慮對於非所需頻道的訊號排斥力，也就是所謂的「鄰近波道選取性」（ACS：adjacent channelselectivity）或「排他免疫力」（blocking immunity）。針對基地台設備，這方面的計算則需要考慮現場天線（on-siteantennas）的耦合（coupling）能力。至於其他的統計數據，則包括對於行動電話手機和其他屬於訊號涵蓋率方面等，或是與特定服務有關的項目。
目前已經有許多軟體工具，可以用來進行相關的計算工作，其中包括：Opnet（譯註：OPNET是由美國太空總署與麻省理工學院合作開發，做為網路規劃、模擬及分析的軟體）和SEAMCAT（譯註：其全名為Spectrum Engineering Advanced MonteCarlo Analysis Tool，係歐盟官方郵電管理會議CEPT「European Conference of Postal andTelecommunication administrations」組織所訂定的軟體規範，目前所使用的版本為：SEAMCAT-3）。
而業界對於這些計算過程中的問題來源，大都認為干擾是來自於像是高斯雜訊（Guassiannoise），同時認為這些雜訊是持續存在的。但從TDD系統來看，這樣的論述卻已經被推翻了。從實務的數據來看，干擾雖然會發生在手機或基地台上，但卻不會同時發生。也就是說，即使是發生了鄰近波道干擾，單一時間裡也僅會在出現在手機上，或者是基地台上。

空中傳輸介面協定的防錯設計
特別要注意的一點是：絕大部分的空中傳輸介面協定（air interfaceprotocols），像是W-CDMA，都是設計來對抗傳輸過程中的衰落效應（fading effects），以避免突發的傳輸錯誤（bursterrors）。而為了要達成這種屬於傳輸階層（link-level）的編碼，其資料間隔（interleaves）（或稱之為「重新排序」re-orders）會假設突發的錯誤以隨機亂數的方式，出現在資料封包裏。
爾後，再把資料予以編碼，一般都採用高速或各種新穎的編碼方式進行，由於採用了這些具備多重驗證的編碼方式，因此使得其間所產生的錯誤可以有機會一一修正。從這樣的論述來看，TDD系統的干擾所引發的效應，並沒有嚴重到會像其他傳輸方式那樣，甚至會在同樣的傳輸功率下，產生牽一髮而動全身的影響。
然而，不幸的是，如果要處理這些突發的干擾（burstyinterference），就必須要動要用到像是益華電腦（Cadence）訊號處理工作系統（SPW：Signal ProcessingWorkSystem）這樣的傳輸層級模擬分析工具。也就是說，只有投入大筆的資源之後，才有可能充分掌握這些干擾的各種效應，並讓整個編碼的表現有所提升。
不論是各種對於資料傳輸速率、資料區塊長度、還是編碼速率等各方面的影響，甚至是TDD干擾源的訊號工作週期，都可以藉此充分掌握之。而在實務上，上述各種可能受干擾的對象以及干擾源，都要以非同步的方式來處理，所以在處理統計數據與研究結果時，更需要有足夠的解讀與判斷能力。另外，為了要有完整的分析，對於突發干擾的衰落頻道（fading channel）衰落程度免疫力，也需要予以考慮。

工作週期效應（duty cycle effects）
當TDD系統的工作週期趨近於百分之百時，其干擾的模態也會趨近於高斯雜訊模式，但這樣的情況應該很難發生。相反地，當TDD系統的工作週期降到非常低的時候，干擾的效應會因為編碼技術的修正除錯而消失。
對於TDD系統的行動裝置來說，這樣的結果確實非常有用。因為，在一般的使用情形下，這些裝置都是以非對稱的低工作週期方式來進行的。而這些可能搭載在筆記型電腦的通訊模組，將會繼W-CDMA之後，被用來進行語音、或是影像的服務。在這樣的安排下，今後的可攜式產品，也會和W-CDMA的使用者們一樣，享受到毫無差別的服務。
因此，對於那些對行動裝置與行動裝置間的交互干擾（mobile-to-mobileinterference）極為重視的人來說，這應該算是一項好消息了。畢竟，其所帶來「毫無差別」的感受與服務，對於一般用戶來說極為重要。雖然比起手機的輕巧與便利，其他的行動裝置顯得有些麻煩，但以手機有限的體積與性能以及相對來說比較花錢的條件來看，這樣的應用多元化與毫無差別的服務，應該算是一個好的發展。

整體來說 TDD仍是利多於弊
誠如剛才所提到的各種利弊得失，很幸運地，TDD系統整體來說還是利多於弊的。儘管部分悲觀人士還是會拿各種干擾與研究結果大做文章，但本文仍認為，編碼方式及各種配套措施將可大舉提升系統的免疫力。對於進一步的細項研究工作，這確實需要大力投入且採用傳輸層級的模擬工具才能完成，同時，這還需要視該空中傳輸介面協定中，干擾源（interferer）以及受干擾項目（victim）各是什麼而定。
然而，對於業界來說，充分掌握「干擾」這個課題，無疑是正確且該走的一條路。不論是對TDD系統，還是今後的各種通訊系統來說均是如此。而單就TDD來說，正視並處理好「干擾」問題，將有助於此系統的發展與推廣。


作者簡介
Peter Relph係PA Consulting公司（網址：http://www.paconsulting.com/）首席顧問。原文刊載於《Wireless Europe》雜誌二○○五年十二月號／二○○六年一月號。

譯者整理
如需進一步瞭解本文中所提到的相關知識或資訊，請參考下列網址：
http://www.tdscdma-forum.org/
http://www.umtsworld.com/technology/tdcdma.htm
http://www.umtsworld.com/technology/tdscdma.htm
http://pcs.csie.ntu.edu.tw/course/pcs/2004/20_UMTS_Overview.pdf
http://www.3gpp.org/
http://www.seamcat.org/
http://www.ero.dk/seamcat
http://www.opnet.com/
http://www.cadence.com.tw/
http://www.cadence.com.tw/news/newsdetail.asp?ID=129
http://www.coware.com/
http://big5.xinhuanet.com/gate/big5/news.xinhuanet.com/st/
　2006-01/21/content_4080372.htm