5G時頻雙聚合，應對3.5GHz網(wǎng)絡部署挑戰(zhàn)

  3.5GHz頻譜分析與挑戰(zhàn)

  頻譜是移動通信領域的核心資源。5G頻譜分散在多個頻段，不同頻段各有優(yōu)劣。全球第一波商用5G網(wǎng)絡主要使用了更高的3.5GHz(3.3~3.8GHz，band n78)和毫米波頻段，以及2.6GHz(2.496~2.69GHz，band n41)頻段。3.5GHz頻段采用TDD模式，與當前4G網(wǎng)絡普遍使用的1.8GHz(band 3)等FDD頻段相比，3.5GHz不僅穿透損耗較高，而且上行可用時隙占比也較少，在滿足5G業(yè)務需求方面，存在上行帶寬、上行覆蓋、傳輸時延三大挑戰(zhàn)。

  上行帶寬

  TDD模式上行和下行使用相同的頻率，采用時分雙工方式傳輸。中國3.5GHz頻段的上下行占比配置為3：7，即30%時隙用于上行，70%時隙用于下行。以100MHz帶寬為例，上行方向?qū)嶋H可用折算下來也只有30MHz帶寬，僅為4G單載波的1.5倍。

  上行覆蓋

  頻率越高，空間傳播損耗越大，覆蓋距離越短。上行采用3.5GHz相比2.1GHz頻段路徑損耗多5dB。此外，頻率越高，穿透損耗也越大，導致覆蓋距離縮短。

  傳輸時延

  由于TDD模式上行和下行時分傳輸，終端在接收下行數(shù)據(jù)時不能發(fā)上行數(shù)據(jù)，這導致上行傳輸過程中額外增加了等待時延。對于上行占比30%的3.5GHz頻段，會額外等待0～2ms，平均等待0.8ms。同理，在下行方向，額外等待0～1ms，平均等待0.2ms。

  時頻雙聚合，提升5G網(wǎng)絡容量和覆蓋性能

  結(jié)合頻譜特性及行業(yè)現(xiàn)狀，如何利用2.1GHz和700MHz等低頻段提升5G上行性能成為業(yè)界關注熱點。中興通訊提出5G時頻雙聚合方案，幫助運營商有效提升5G網(wǎng)絡性能。

  該技術以載波聚合為基礎，利用FDD和TDD各自優(yōu)勢形成互補，從而提升5G上下行性能。FDD頻段頻率較低，覆蓋能力強，頻分雙工方式傳輸時無額外等待時延，但帶寬通常較小;TDD頻段帶寬大，而且上下行均成熟應用MIMO技術，但覆蓋和時延方面比FDD弱。而在運用5G時頻雙聚合技術后，如圖1所示，終端在小區(qū)中心(近點)可以利用FDD+TDD頻譜同時進行上下行傳輸，獲得大帶寬和低時延能力;終端在小區(qū)邊緣(遠點)則把上行切換到FDD提升覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合，業(yè)務體驗速率得到提升。

  圖1 5G時頻雙聚合終端上下行傳輸示意

  5G時頻雙聚合技術把FDD和TDD頻譜在時域和頻域巧妙地協(xié)同起來，在充分利用成熟技術和不對終端增加額外成本的基礎上，引入創(chuàng)新性的載波間協(xié)同與調(diào)度技術，化解3.5GHz單頻組網(wǎng)面臨的三大挑戰(zhàn)，實現(xiàn)容量、覆蓋和時延三方面性能的提升。

  1)提升5G容量

  3.5GHz網(wǎng)絡引入5G時頻雙聚合技術后，借助2.1GHz頻段，終端上行帶寬可以提升23%，下行帶寬可以提升28%。如果運營商在2.1GHz頻段未來能夠使用50MHz帶寬，則上下行提升空間進一步擴大到58%和71%，容量提升顯著。

  5G終端上行發(fā)射通道數(shù)普遍為最大2發(fā)，在TDD頻段可以使用上行2x2 MIMO傳輸，等效帶寬翻倍。但如果終端使用傳統(tǒng)上行載波聚合技術連接FDD+TDD雙載波，則其中FDD和TDD各只能使用1發(fā)，TDD上行無法使用2x2 MIMO傳輸，聚合后的上行容量可能反而不如不激活載波聚合，得不償失。針對這個問題，5G時頻雙聚合技術上行采用輪發(fā)方式，確保FDD+TDD載波聚合時其中TDD載波上行的2x2 MIMO能力。具體來說，就是在TDD上行時隙終端雙發(fā)全部用于TDD 2x2 MIMO傳輸，而在TDD下行時隙則立即切換到使用FDD進行上行傳輸，這種快速切換機制使得上行方向不但可用時隙提升到接近100%，而且不犧牲TDD 2x2 MIMO能力。

  圖2 5G時頻雙聚合時終端的上下行時隙關系以及上行輪發(fā)機制

  2)提升5G覆蓋

  利用3.5GHz頻段部署5G，覆蓋瓶頸會先出現(xiàn)在上行方向，即便此時網(wǎng)絡的下行覆蓋還可以。這種上下行“不對稱”制約了3.5GHz“覆蓋”范圍，降低了網(wǎng)絡利用率。通過5G時頻雙聚合技術，終端能夠同時連接FDD和TDD兩個載波，在小區(qū)邊緣時繼續(xù)享受TDD載波下行大帶寬，而上行傳輸則可以切換到覆蓋更好的FDD載波上，不再因為上行受限脫離5G網(wǎng)絡服務。

  雙載波優(yōu)勢互補比單TDD載波服務范圍更大，比單FDD載波下行速率也更高。同樣以2.1GHz和3.5GHz雙載波為例，終端到達3.5GHz上行覆蓋邊緣時可切換到2.1GHz，上行傳輸時隙比單3.5GHz增加2.3倍，而下行可用帶寬比單2.1GHz多2.5倍。協(xié)同后產(chǎn)生了1加1大于2的收益。

  3)降低5G時延

  5G時頻雙聚合時終端可利用FDD和TDD兩個載波選擇性收發(fā)，任何時刻都有可用的發(fā)送時隙，無需額外等待，降低傳輸時延。以上行為例，3.5GHz TDD單載波的上行平均傳輸時延約為2.2ms，采用時頻雙聚合技術后可降低到1.5ms，降幅達31%。

  4)組網(wǎng)靈活、部署容易

  時頻雙聚合技術可應用于扇區(qū)間和站間，組網(wǎng)上具有很大的靈活性。運營商無需強制要求FDD和TDD共站建設。網(wǎng)絡側(cè)的每一個FDD載波都可以與多個TDD載波同時進行時頻雙聚合，反過來一個TDD載波也可以與多個FDD載波同時進行時頻雙聚合，每一個聚合組合都是為特定終端動態(tài)建立的。

  針對一些運營商FDD和TDD不共站部署，或者扇區(qū)覆蓋不完全重疊的場景，中興通訊提出靈活調(diào)度技術來放松要求，以便運營商更易應用時頻雙聚合，這些技術包括采用靜態(tài)碼本和Two PUCCH group等。

  2019年11月，中興通訊完成了業(yè)界首個基于2.1GHz和3.5GHz頻段的5G時頻雙聚合方案驗證。驗證結(jié)果表明，在信道良好的環(huán)境下，單用戶上行速率相對3.5GHz單載波提升最大可達40%。5G時頻雙聚合技術正在3GPP標準化過程中，有望R16完成。