5G時(shí)頻雙聚合，應(yīng)對(duì)3.5GHz網(wǎng)絡(luò)部署挑戰(zhàn)

  3.5GHz頻譜分析與挑戰(zhàn)

  頻譜是移動(dòng)通信領(lǐng)域的核心資源。5G頻譜分散在多個(gè)頻段，不同頻段各有優(yōu)劣。全球第一波商用5G網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)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(shí)隙占比也較少，在滿(mǎn)足5G業(yè)務(wù)需求方面，存在上行帶寬、上行覆蓋、傳輸時(shí)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(shí)分雙工方式傳輸。中國(guó)3.5GHz頻段的上下行占比配置為3：7，即30%時(shí)隙用于上行，70%時(shí)隙用于下行。以100MHz帶寬為例，上行方向?qū)嶋H可用折算下來(lái)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(dǎo)致覆蓋距離縮短。

  傳輸時(shí)延

  由于TDD模式上行和下行時(shí)分傳輸，終端在接收下行數(shù)據(jù)時(shí)不能發(fā)上行數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致上行傳輸過(guò)程中額外增加了等待時(shí)延。對(duì)于上行占比30%的3.5GHz頻段，會(huì)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(shí)頻雙聚合，提升5G網(wǎng)絡(luò)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(guān)注熱點(diǎn)。中興通訊提出5G時(shí)頻雙聚合方案，幫助運(yùn)營(yíng)商有效提升5G網(wǎng)絡(luò)性能。

  該技術(shù)以載波聚合為基礎(chǔ)，利用FDD和TDD各自?xún)?yōu)勢(shì)形成互補(bǔ)，從而提升5G上下行性能。FDD頻段頻率較低，覆蓋能力強(qiáng)，頻分雙工方式傳輸時(shí)無(wú)額外等待時(shí)延，但帶寬通常較小;TDD頻段帶寬大，而且上下行均成熟應(yīng)用MIMO技術(shù)，但覆蓋和時(shí)延方面比FDD弱。而在運(yùn)用5G時(shí)頻雙聚合技術(shù)后，如圖1所示，終端在小區(qū)中心(近點(diǎn))可以利用FDD+TDD頻譜同時(shí)進(jìn)行上下行傳輸，獲得大帶寬和低時(shí)延能力;終端在小區(qū)邊緣(遠(yuǎn)點(diǎn))則把上行切換到FDD提升覆蓋，下行保持FDD+TDD聚合，業(yè)務(wù)體驗(yàn)速率得到提升。

  圖1 5G時(shí)頻雙聚合終端上下行傳輸示意

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

  1)提升5G容量

  3.5GHz網(wǎng)絡(luò)引入5G時(shí)頻雙聚合技術(shù)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(yùn)營(yíng)商在2.1GHz頻段未來(lái)能夠使用50MHz帶寬，則上下行提升空間進(jìn)一步擴(kuò)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(shù)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(wú)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(duì)這個(gè)問(wèn)題，5G時(shí)頻雙聚合技術(shù)上行采用輪發(fā)方式，確保FDD+TDD載波聚合時(shí)其中TDD載波上行的2x2 MIMO能力。具體來(lái)說(shuō)，就是在TDD上行時(shí)隙終端雙發(fā)全部用于TDD 2x2 MIMO傳輸，而在TDD下行時(shí)隙則立即切換到使用FDD進(jìn)行上行傳輸，這種快速切換機(jī)制使得上行方向不但可用時(shí)隙提升到接近100%，而且不犧牲TDD 2x2 MIMO能力。

  圖2 5G時(shí)頻雙聚合時(shí)終端的上下行時(shí)隙關(guān)系以及上行輪發(fā)機(jī)制

  2)提升5G覆蓋

  利用3.5GHz頻段部署5G，覆蓋瓶頸會(huì)先出現(xiàn)在上行方向，即便此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的下行覆蓋還可以。這種上下行“不對(duì)稱(chēng)”制約了3.5GHz“覆蓋”范圍，降低了網(wǎng)絡(luò)利用率。通過(guò)5G時(shí)頻雙聚合技術(shù)，終端能夠同時(shí)連接FDD和TDD兩個(gè)載波，在小區(qū)邊緣時(shí)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?yàn)樯闲惺芟廾撾x5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

  雙載波優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)比單TDD載波服務(wù)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(dá)3.5GHz上行覆蓋邊緣時(shí)可切換到2.1GHz，上行傳輸時(shí)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(shí)延

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

  4)組網(wǎng)靈活、部署容易

  時(shí)頻雙聚合技術(shù)可應(yīng)用于扇區(qū)間和站間，組網(wǎng)上具有很大的靈活性。運(yùn)營(yíng)商無(wú)需強(qiáng)制要求FDD和TDD共站建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的每一個(gè)FDD載波都可以與多個(gè)TDD載波同時(shí)進(jìn)行時(shí)頻雙聚合，反過(guò)來(lái)一個(gè)TDD載波也可以與多個(gè)FDD載波同時(shí)進(jìn)行時(shí)頻雙聚合，每一個(gè)聚合組合都是為特定終端動(dòng)態(tài)建立的。

  針對(duì)一些運(yùn)營(yíng)商FDD和TDD不共站部署，或者扇區(qū)覆蓋不完全重疊的場(chǎng)景，中興通訊提出靈活調(diào)度技術(shù)來(lái)放松要求，以便運(yùn)營(yíng)商更易應(yīng)用時(shí)頻雙聚合，這些技術(shù)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(gè)基于2.1GHz和3.5GHz頻段的5G時(shí)頻雙聚合方案驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，在信道良好的環(huán)境下，單用戶(hù)上行速率相對(duì)3.5GHz單載波提升最大可達(dá)40%。5G時(shí)頻雙聚合技術(shù)正在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，有望R16完成。