二重通信は、単一の通信チャネル上で双方向通信を行うプロセスであり、半二重と全二重の2つのタイプがあります。
半二重システムでは、通信相手は1つの共有チャネルを使って交互にデータを送信します。双方向無線はこの方式を採用しています。一方の当事者がデータを送信している間、もう一方の当事者は聞くことしかできません。通常、データの送信者は「Over」のシグナルを送り、データの送信が終了したことを示し、もう一方の当事者はデータの送信を開始することができます。実際のネットワークでは、1本の通信ケーブルを使って、2台のコンピュータが交互にデータの送受信を行います。
一方、全二重通信とは、双方向の同時通信のことです。これは固定電話や携帯電話の通信に使用され、他のタイプのネットワークでもデータの送受信を同時にサポートするものがあります。これはより実用的な二重通信技術ですが、半二重に比べて複雑でコストがかかります。全二重技術はさらに、時分割二重と周波数分割二重の2種類に分けられます。
周波数多重
FDDでは、システムに2つの独立した通信チャネルが必要です。ネットワークには2本の通信ケーブルがあります。全二重イーサネットは、CAT5ツイストペアケーブルを使用して、同時にデータを送受信します。
移動通信システムには2つの異なる周波数帯域またはチャンネルが必要です。送信機と受信機が互いに干渉しないよう、2つのチャンネル間には十分な間隔が必要です。このようなシステムでは、信号送信機が近隣の受信機と干渉しないように、信号をフィルタリングまたはシールドする必要があります。
携帯電話では、送信機と受信機は非常に近い距離で同時に動作します。受信機は、送信機からの信号を可能な限りフィルタリングする必要があります。スペクトル分離が良好であればあるほど、フィルタの効率は高くなり、FDDでは通常、TDDの2倍以上のスペクトル・リソースが必要になります。さらに、送信チャネルと受信チャネルの適切なスペクトル分離が必要です。このいわゆる「安全帯域」は利用できないため、無駄が生じます。これは、スペクトル資源の希少性と高コストを考えると、FDD の大きな欠点です。
しかし、FDD は、大規模に展開されている GSM ネットワークなどの移動体通信システムで広く使用されています。システムによっては、869 MHz から 894 MHz までの 25 MHz の帯域幅が基地局から携帯電話へのダウンリンク通信に使用され、824 MHz から 849 MHz までの 25 MHz の帯域幅が携帯電話から基地局へのアップリンク通信に使用されます。
FDDのもう1つの欠点は、多入力多出力アンテナ技術やビームフォーミングの適用が難しいことです。これらの技術は現在の 4G LTE ネットワークの中核をなすもので、データ・レートを大幅に向上させることができます。FDDで使用される周波数の全範囲をカバーするのに十分な帯域幅を1つのアンテナで確保するのは困難な場合が多く、より複雑なダイナミック・チューニング回路も必要になります。
FDD システムは、1 本のケーブルを使用して実装することもできます。この場合、トランシーバ・チャネルには別々の周波数帯域が使用されます。ケーブルテレビシステムがそうです。このようなシステムでも、チャネルを分離するためのフィルタが必要です。
じぶんかつたじゅう
データ伝送の速度が速いため、通信の両当事者がデータ伝送が断続的であることを区別するのは困難です。したがって、このような通信を「同時」という言葉で表現するよりも、「同時」という言葉の方が適切かもしれません。たとえば、デジタル音声をアナログ形式に変換するプロセスにおいて、そのプロセスが全二重でないと主張する人はいないでしょう。
一部のTDDシステムでは、アップリンクとダウンリンクに等しいタイムスロットが割り当てられている場合があります。しかし、実際にはこのような対称的な割り当ては必要なく、場合によっては上りリンクと下りリンクで非対称になることもあります。
たとえば、インターネット・アクセス・アプリケーションでは、通常、データのダウンロード時間はアップロード時間よりもはるかに長いため、データのアップロードに割り当てられるタイムスロットは少なくなります。一部のTDDシステムでは、タイムスロット数をオンデマンドで割り当てることができる動的な帯域幅割り当てをサポートしています。
TDDの本当の利点は、システムがスペクトラムの1つのチャネ ルのみを使用することです。さらに、「安全な帯域」を設定したり、チャネルを分離するための対策を講じたりして、周波数リソースを浪費する必要もありません。しかし、TDD の主な問題は、タイムスロットが重複して互いに影響し合わないようにするために、送信側と受信側の両方で非常に正確な時間同期が必要になることです。
通常、TDDシステムの時間は原子時計やGPSシステムによって同期されます。また、タイムスロットの重複を防ぐため、タイムスロット間に「安全時間」が必要です。この時間は通常、送信から受信までのループバック時間と通信リンク全体の遅延に相当します。
応用事例
現在、ほとんどの携帯電話システムはFDD方式を採用しており、4G LTE技術も当初はFDD方式が採用されましたが、ケーブルシステムはすべてFDD方式を採用しています。
WiMaxもWiFiもTDDで、BluetoothやZigBeeのようなシステムもTDDです。また、周波数帯の希少性とコストの高さから、TDD は日本の TD-SCDMA や TD-LTE などの一部のモバイル通信システムでも使用されています。
はんけつをくだす
全体的には、TDD の方が良い選択でしょうが、現在では FDD の方が広く使われています。これは、周波数割り当ての歴史と、FDD技術がより早く登場したことが主な原因です。当面は、FDD が移動通信システムの主流を占め続けるでしょう。しかし、周波数資源が逼迫し、コストが高くなるにつれて、周波数の再配分においてTDDがより多く使用されるようになると予想されます。
