5G上下行能力差異明顯。5G上行能力薄弱,行業急盼上行千兆能力。

2020年10月16日,在第二屆5G千兆網產業論壇上,中國聯通研究院副院長遲永生用上圖非常形象的描述了當前5G上下行的“身高差”。

隨着5G向鋼鐵、礦山、港口、製造、電力等各行各業滲透,5G+視頻監控、5G+遠程控制、5G+機器視覺等業務場景需實時回傳多路高清視頻,對網絡上行能力的要求越來越高。

比如,在高清監控和遠程操控的視頻回傳中,單點上行速率要求3Mbps至20Mbps(720p至4K),在實際應用場景中通常要部署多個甚至幾十個攝像頭多點併發上傳,要求小區上行容量高達1Gbps。在機器視覺場景中,對圖像質量和處理時延要求苛刻,只是單點上行速率就需600Mbps至1Gbps.

當前,5G網絡的下行峯值速率已實現千兆,但隨着2B業務對上行速率需求越來越強烈,上行業務速率能力亟需增強,行業該如何應對?

靈活的時隙配比

衆所周知,移動通信系統有兩種雙工方式:TDD和FDD。FDD叫頻分雙工,上行通信和下行通信分別在兩個獨立的(對稱的)頻率信道上傳送;TDD叫時分雙工,上行和下行在同一頻率信道上傳送,兩者通過時間間隔來分離。當前5G商用網絡採用TDD模式。

在TDD模式下,時隙是一種重要的資源。考慮用戶上網主要以看視頻、瀏覽網頁、下載內容等爲主,對網絡帶寬的需求主要集中在下行,運營商過去一直將更多的時隙資源分配給下行,讓網絡下行峯值速率和容量遠大於上行。

爲了滿足行業應用的上行大帶寬訴求,最簡單直接的辦法就是改變當前5G TDD系統中的時隙配比。目前5G主流時隙配比爲8D2U和7D3U等,分配的下行資源遠高於上行。若改變時隙配比,將更多的資源分配給上行,就可提升上行峯值速率和容量。

中國移動研究院副院長黃宇紅表示,在2.6GHz(100MHz帶寬)和4.9GHz(100MHz帶寬)頻段上採用時隙配比爲1D3U的專屬幀結構後,增加了TDD頻譜上行資源佔比,測試結果顯示,上行單用戶峯值速率可達到747Mbps,小區容量可達到482-747Mbps。目前網絡、芯片等多個廠家已支持1D3U的幀結構配置,已在寧波舟山港進行了試點,預計明年初可商用。

不過,由於1D3U專屬幀結構與公網幀結構不同,可能會帶來交叉時隙干擾問題。交叉時隙干擾,指相鄰基站佔用相同頻段時,由於基站間的小區幀結構不一致,可能會出現在基站1使用某時隙傳送下行數據的同時基站2使用相同的時隙傳送上行數據,從而導致基站1的下行信號對基站2的上行信號產生干擾。

對於中國移動而言,其擁有的5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz,若在4.9GHz上採用1D3U幀結構來部署行業專網,與公網2.6GHz頻段隔離,可避免交叉時隙干擾問題。但若公網與專網都採用2.6GHz頻段,就可能出現交叉時隙干擾問題,因此這適用於礦井、工廠等較爲封閉的場景。對於電信和聯通而言,5G公網與專網可能會採用相同的3.5GHz頻段,也會面臨交叉時隙干擾問題。

爲了規避干擾並充分利用TDD時隙靈活的特點,中國聯通還提出了“智享時隙”。

遲永生介紹,智享時隙,就是結合人工智能技術,依據上下行業務需求和鄰區干擾變化智能調整時隙配比,讓時間智能化,靈活匹配上下行業務需求。

智享時隙通過多層嵌套進行靈活配置,通過智能業務預測、智能干擾檢測、智能評估和規避等整套智能化技術方案,做到時隙與業務匹配併兼顧干擾,實現時隙配置與業務需求的智能化匹配。

雖然通過靈活的時隙配比調整,將更多的資源分配給上行,可讓上行速率大幅提升,但這種調整方式只針對單一頻段而言,頻率資源受限,可能會顧此失彼,提升了上行速率的同時也會導致下行速率下降。

面向未來,隨着toB和toC業務不斷繁榮,5G不僅需要上行大帶寬,同時對下行速率的需求也在不斷提升,比如未來視頻業務將從高清視頻、入門XR向Cloud XR、XR-Pro演進,單用戶下行速率要求從幾十Mbps提升到1-2Gbps。

華爲無線網絡產品線副總裁甘斌表示,隨着視頻業務向沉浸式、交互式體驗升級,下行帶寬將從一人千兆發展到人人千兆,爲用戶帶來隨時隨地的極致體驗。同時,5G上行也將向千兆發展,以使能行業自動化、智能化。

顯然,要提升5G上行能力,行業還需要更多的辦法,這包括SUL上行增強、上行載波聚合、多頻段協同組網等。

SUL上行增強

SUL,Supplement Uplink,即輔助上行,採用了上下行解耦技術。在FDD模式下,頻段上下行成對;在TDD模式下,上下行共用一段頻段。不管FDD還是TDD,上下行都是綁定在一起的。而SUL打破了上下行綁定於同一頻段(或頻譜成對)的傳統限制。這樣一來,就可以在原5G TDD頻段上新增FDD頻段或SUL專屬頻段來補充上行,提升上行能力,且僅補充上行。這就好比在原有的雙向5G TDD車道上,新增了一條單向上行車道。

基站發射功率大且支持Massive MIMO技術,在下行方向可以將無線電波傳送到很遠的距離,但手機發射功率很小,上行覆蓋受限,是基站覆蓋的短板。現在有了SUL,5G TDD中頻段(比如2.6GHz、3.5GHz或4.9GHz)可以聚合覆蓋能力更強的FDD低頻段(比如1.8GHz)作爲上行補充。當手機處於TDD中頻段覆蓋範圍時,手機使用TDD中頻段;當手機移動到TDD中頻段覆蓋範圍之外時,手機在上行方向採用FDD低頻段,這就補充了TDD 中頻段的上行覆蓋短板,延伸了覆蓋範圍。

不過,SUL上行增強解決方案比SUL更厲害,不但能提升上行覆蓋,還能提升上行速率。

因爲在SUL上行增強解決方案下,當手機處於TDD中頻段覆蓋範圍時,FDD低頻段不會閒下來,也在積極參與提升上行帶寬的工作中。在TDD中頻段的覆蓋範圍內,當TDD中頻段傳送上行數據時,FDD低頻段上行不傳送數據,以充分發揮TDD大帶寬和終端雙通道發射的優勢,來提升上行吞吐率;當TDD頻段傳送下行數據時,FDD傳送上行數據,從而實現了FDD和TDD時隙級的轉換,保證全時隙均有上行數據傳送。

黃宇紅表示,在實際外場測試中,TDD 100MHz頻譜與FDD 20MHz頻譜,通過5G SUL上行增強解決方案相互協同,上行單用戶峯值速率可達到310Mbps。爲了解決行業中對超大帶寬的需求,SUL上行增強解決方案還可以引入專屬的上行大帶寬頻譜(50~100MHz), 與TDD頻段協同,共同提升上行吞吐率。在實驗室測試中,TDD 100MHz和專屬上行 100MHz頻譜聚合,上行峯值可以達到1Gbps以上,可以進一步滿足大部分行業客戶的需求。

上行載波聚合

無線網絡的載波(承載了數據流的無線電波)帶寬越大,單位時間內傳送的數據就越多,網速就越快。這就好比高速公路,道路越寬,能夠過的車越多,車流越快。顯然,增加載波帶寬是提升網絡速率和容量最直接的辦法。

但問題來了,就像現實中的道路不能無限拓寬一樣,考慮技術實現和成本等因素,標準組織爲不同制式的移動網絡技術定義了單載波的最大帶寬,比如,3G時代的WCDMA爲5MHz,4G LTE爲20MHz,5G NR中頻段爲100MHz。

同時,由於從1G到5G每一個G都要爲運營商分配不同的頻譜資源,這導致了運營商擁有的頻譜資源是分散的、不連續的,比如中國移動目前擁有的頻譜資源分散在900MHz、1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.6GHz、4.9GHz多個頻段上。

單載波最大帶寬限制了網絡的最大速率,而運營商的頻譜資源過於分散導致了整體頻譜利用率偏低。怎麼辦呢?

那就將兩個或多個載波“捆綁”,將分散的頻譜資源聚合爲大帶寬,來提供更快的網絡速率,並提高頻譜利用效率。這就是載波聚合技術。

上行載波聚合便是利用這一原理,通過聚合不同載波的上行頻段,實現上行能力的提升。

不過,上行載波聚合需要綁定對應的下行載波,如果一個載波的上行資源參與了上行載波聚合,它的下行資源就必須參與下行載波聚合。所以在實際網絡部署中,需要結合載波的下行資源的用途規劃綜合考慮。

目前,網絡及終端產業均有意願支持上行載波聚合,預計2021年上半年可支持2.6GHz帶內載波聚合,2021年下半年可支持2.6GHz+4.9GHz帶間載波聚合,同時更多頻段的載波聚合在持續研發中。

多頻協同組網

隨着5G網絡不斷發展,重耕2/3G低頻段以及商用毫米波成爲必然趨勢,未來可通過低頻段、中頻段和毫米波多頻段組網的方式,比如用700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz等低頻段作爲覆蓋層,2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz等中頻段作爲容量層,26GHz/28GHz毫米波作爲大帶寬容量層,來協同提升上行容量和覆蓋。

在 Massive MIMO 場景下,還可通過小區分裂技術來提升網絡上行容量,採用小區間上行聯合接收技術來提升單個終端上行體驗。

簡而言之,5G要賦能千行百業數字化轉型,未來亟需靈活的時隙配比、SUL上行增強、上行載波聚合和新的組網方案,來助力5G網絡從一人千兆向人人千兆發展,從下行千兆到上行千兆演進,從而爲社會數字化發展打下堅實的基石。

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