Duplexverfahren im Mobilfunk

Abkürzung: FDD, TDD

Jede Mobilfunkverbindung überträgt in beide Richtungen: vom Netz zum Gerät und zurück. Beides gleichzeitig auf derselben Frequenz geht nicht, weil der eigene Sender den um Größenordnungen schwächeren Empfang überdecken würde. Das Duplexverfahren legt fest, wie die beiden Richtungen voneinander getrennt werden — entweder über die Frequenz oder über die Zeit.

Die Entscheidung ist keine Feinheit der Funktechnik. Sie bestimmt, wie das Spektrum zugeteilt wird, wie Geräte gebaut sind, ob Beamforming gut funktioniert und ob benachbarte Netze sich gegenseitig stören.

Frequenzduplex (FDD)

Beim Frequenzduplex liegen Hin- und Rückrichtung auf zwei getrennten Frequenzblöcken mit festem Abstand zueinander, dem Duplexabstand. Beide arbeiten dauerhaft und gleichzeitig.

Das Gerät braucht dafür ein Duplexfilter, das den eigenen Sender vom eigenen Empfänger entkoppelt. Es ist ein Bauteil mit hohen Anforderungen, denn es muss ein Sendesignal um viele Größenordnungen dämpfen, ohne das Empfangssignal zu beeinträchtigen. Für jedes unterstützte Band wird ein eigenes Filter benötigt — ein Grund, warum Geräte mit vielen Bändern teurer sind.

Zugeteilt wird FDD-Spektrum paarweise. In den klassischen Mobilfunkbändern unterhalb von 2,6 GHz ist das der Normalfall, weil die Zuteilungen aus einer Zeit stammen, in der symmetrischer Sprachverkehr dominierte.

Vorteil: Das Gerät sendet durchgehend statt in Schüben. Bei gleicher mittlerer Leistung erreicht es damit in der Aufwärtsrichtung mehr Reichweite — der entscheidende Grund, warum die Flächenversorgung über die unteren FDD-Bänder läuft.

Nachteil: Das Verhältnis zwischen beiden Richtungen liegt mit der Spektrumszuteilung fest. Da heutiger Verkehr stark asymmetrisch ist — es wird weit mehr geladen als gesendet —, bleibt ein Teil des Aufwärtsspektrums ungenutzt.

Zeitduplex (TDD)

Beim Zeitduplex nutzen beide Richtungen denselben Frequenzblock, aber abwechselnd in festgelegten Zeitschlitzen. Zwischen Umschaltvorgängen liegt jeweils eine kurze Schutzzeit, in der weder gesendet noch empfangen wird; sie überbrückt die Signallaufzeit zum entferntesten Teilnehmer und begrenzt damit die mögliche Zellgröße.

Ein Duplexfilter entfällt, da Sender und Empfänger nie gleichzeitig arbeiten. Stattdessen genügt ein Umschalter, was Geräte einfacher und günstiger macht.

Vorteil 1 — anpassbare Aufteilung. Das Verhältnis von Abwärts- zu Aufwärtsschlitzen lässt sich im Rahmenmuster festlegen. Übliche 5G-Muster weisen der Abwärtsrichtung rund drei Viertel der Zeit zu, was dem tatsächlichen Verkehr nahekommt.

Vorteil 2 — Reziprozität. Weil beide Richtungen dieselbe Frequenz nutzen, verhält sich der Funkkanal in beide Richtungen gleich. Die Basisstation kann aus dem empfangenen Signal direkt ableiten, wie sie senden muss. Das ist die Voraussetzung für wirksames Beamforming mit vielen Antennenelementen und der Grund, warum die 5G-Bänder um 3,6 GHz im Zeitduplex betrieben werden.

Nachteil — Synchronisationszwang. Alle Basisstationen in einem Gebiet müssen dieselbe Rahmenstruktur zur selben Zeit verwenden. Sendet eine Station, während eine benachbarte empfängt, stört sie diese unmittelbar, und zwar weit stärker als ein Endgerät es könnte. Deshalb geben Regulierungsbehörden ein gemeinsames Rahmenmuster vor, an das sich alle Betreiber halten. Diese Abstimmung ist der Preis für die Flexibilität: Ein einzelner Betreiber kann sein Verhältnis von Auf- zu Abwärtsrichtung nicht frei wählen.

Gegenüberstellung

In der Praxis

Die unteren Bänder arbeiten im Frequenzduplex, die oberen im Zeitduplex:

• Band 20 (800 MHz) und Band 3 (1800 MHz) sind FDD-Bänder und tragen die Flächenversorgung in LTE.
• Band n78 (3,6 GHz) ist das zentrale TDD-Band für 5G in Europa und liefert die hohen Datenraten in Städten.
• Band n28 (700 MHz) ist wiederum FDD und trägt 5G in die Fläche.

Ein Gerät beherrscht in der Regel beide Verfahren und wechselt unbemerkt, je nachdem auf welchem Band es gerade arbeitet. Bei Carrier Aggregation können FDD- und TDD-Träger sogar gleichzeitig gebündelt werden.

Eine Zwischenform ist Halbduplex-FDD: Das Spektrum ist gepaart zugeteilt, das Gerät sendet und empfängt aber dennoch nicht gleichzeitig. Es spart damit das Duplexfilter und wird dadurch deutlich billiger — üblich bei einfachen Geräten und in der Funktechnik für das Internet der Dinge.

Abgrenzung

Der Begriff Duplexverfahren wird außerhalb der Funktechnik anders verwendet, etwa im Korrosionsschutz für die Kombination aus Verzinkung und Beschichtung. In der leitungsgebundenen Übertragung bezeichnet Vollduplex die gleichzeitige Übertragung in beide Richtungen, dort meist über getrennte Adernpaare.