5G如何提升上行能力?

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5G上下行能力差异明显。5G上行能力薄弱,行业急盼上行千兆能力。

 

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2020年10月16日,在第二届5G千兆网产业论坛上,中国联通研究院副院长迟永生用上图非常形象的描述了当前5G上下行的“身高差”。

 

随着5G向钢铁、矿山、港口、制造、电力等各行各业渗透,5G+视频监控、5G+远程控制、5G+机器视觉等业务场景需实时回传多路高清视频,对网络上行能力的要求越来越高。

 

比如,在高清监控和远程操控的视频回传中,单点上行速率要求3Mbps至20Mbps(720p至4K),在实际应用场景中通常要部署多个甚至几十个摄像头多点并发上传,要求小区上行容量高达1Gbps。在机器视觉场景中,对图像质量和处理时延要求苛刻,只是单点上行速率就需600Mbps至1Gbps.

 

当前,5G网络的下行峰值速率已实现千兆,但随着2B业务对上行速率需求越来越强烈,上行业务速率能力亟需增强,行业该如何应对?

 

 

灵活的时隙配比

 

众所周知,移动通信系统有两种双工方式:TDD和FDD。FDD叫频分双工,上行通信和下行通信分别在两个独立的(对称的)频率信道上传送;TDD叫时分双工,上行和下行在同一频率信道上传送,两者通过时间间隔来分离。当前5G商用网络采用TDD模式。

 

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在TDD模式下,时隙是一种重要的资源。考虑用户上网主要以看视频、浏览网页、下载内容等为主,对网络带宽的需求主要集中在下行,运营商过去一直将更多的时隙资源分配给下行,让网络下行峰值速率和容量远大于上行。

 

为了满足行业应用的上行大带宽诉求,最简单直接的办法就是改变当前5G TDD系统中的时隙配比。目前5G主流时隙配比为8D2U和7D3U等,分配的下行资源远高于上行。若改变时隙配比,将更多的资源分配给上行,就可提升上行峰值速率和容量。

 

中国移动研究院副院长黄宇红表示,在2.6GHz(100MHz带宽)和4.9GHz(100MHz带宽)频段上采用时隙配比为1D3U的专属帧结构后,增加了TDD频谱上行资源占比,测试结果显示,上行单用户峰值速率可达到747Mbps,小区容量可达到482-747Mbps。目前网络、芯片等多个厂家已支持1D3U的帧结构配置,已在宁波舟山港进行了试点,预计明年初可商用。

 

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不过,由于1D3U专属帧结构与公网帧结构不同,可能会带来交叉时隙干扰问题。交叉时隙干扰,指相邻基站占用相同频段时,由于基站间的小区帧结构不一致,可能会出现在基站1使用某时隙传送下行数据的同时基站2使用相同的时隙传送上行数据,从而导致基站1的下行信号对基站2的上行信号产生干扰。

 

对于中国移动而言,其拥有的5G频段包括2.6GHz和4.9GHz,若在4.9GHz上采用1D3U帧结构来部署行业专网,与公网2.6GHz频段隔离,可避免交叉时隙干扰问题。但若公网与专网都采用2.6GHz频段,就可能出现交叉时隙干扰问题,因此这适用于矿井、工厂等较为封闭的场景。对于电信和联通而言,5G公网与专网可能会采用相同的3.5GHz频段,也会面临交叉时隙干扰问题。

 

为了规避干扰并充分利用TDD时隙灵活的特点,中国联通还提出了“智享时隙”。

 

迟永生介绍,智享时隙,就是结合人工智能技术,依据上下行业务需求和邻区干扰变化智能调整时隙配比,让时间智能化,灵活匹配上下行业务需求。

 

智享时隙通过多层嵌套进行灵活配置,通过智能业务预测、智能干扰检测、智能评估和规避等整套智能化技术方案,做到时隙与业务匹配并兼顾干扰,实现时隙配置与业务需求的智能化匹配。

 

虽然通过灵活的时隙配比调整,将更多的资源分配给上行,可让上行速率大幅提升,但这种调整方式只针对单一频段而言,频率资源受限,可能会顾此失彼,提升了上行速率的同时也会导致下行速率下降。

 

面向未来,随着toB和toC业务不断繁荣,5G不仅需要上行大带宽,同时对下行速率的需求也在不断提升,比如未来视频业务将从高清视频、入门XR向Cloud XR、XR-Pro演进,单用户下行速率要求从几十Mbps提升到1-2Gbps。

 

华为无线网络产品线副总裁甘斌表示,随着视频业务向沉浸式、交互式体验升级,下行带宽将从一人千兆发展到人人千兆,为用户带来随时随地的极致体验。同时,5G上行也将向千兆发展,以使能行业自动化、智能化。

 

显然,要提升5G上行能力,行业还需要更多的办法,这包括SUL上行增强、上行载波聚合、多频段协同组网等。

 

 

SUL上行增强

 

SUL,Supplement Uplink,即辅助上行,采用了上下行解耦技术。在FDD模式下,频段上下行成对;在TDD模式下,上下行共用一段频段。不管FDD还是TDD,上下行都是绑定在一起的。而SUL打破了上下行绑定于同一频段(或频谱成对)的传统限制。这样一来,就可以在原5G TDD频段上新增FDD频段或SUL专属频段来补充上行,提升上行能力,且仅补充上行。这就好比在原有的双向5G TDD车道上,新增了一条单向上行车道。

 

基站发射功率大且支持Massive MIMO技术,在下行方向可以将无线电波传送到很远的距离,但手机发射功率很小,上行覆盖受限,是基站覆盖的短板。现在有了SUL,5G TDD中频段(比如2.6GHz、3.5GHz或4.9GHz)可以聚合覆盖能力更强的FDD低频段(比如1.8GHz)作为上行补充。当手机处于TDD中频段覆盖范围时,手机使用TDD中频段;当手机移动到TDD中频段覆盖范围之外时,手机在上行方向采用FDD低频段,这就补充了TDD 中频段的上行覆盖短板,延伸了覆盖范围。

 

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不过,SUL上行增强解决方案比SUL更厉害,不但能提升上行覆盖,还能提升上行速率。

 

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因为在SUL上行增强解决方案下,当手机处于TDD中频段覆盖范围时,FDD低频段不会闲下来,也在积极参与提升上行带宽的工作中。在TDD中频段的覆盖范围内,当TDD中频段传送上行数据时,FDD低频段上行不传送数据,以充分发挥TDD大带宽和终端双通道发射的优势,来提升上行吞吐率;当TDD频段传送下行数据时,FDD传送上行数据,从而实现了FDD和TDD时隙级的转换,保证全时隙均有上行数据传送。

 

黄宇红表示,在实际外场测试中,TDD 100MHz频谱与FDD 20MHz频谱,通过5G SUL上行增强解决方案相互协同,上行单用户峰值速率可达到310Mbps。为了解决行业中对超大带宽的需求,SUL上行增强解决方案还可以引入专属的上行大带宽频谱(50~100MHz), 与TDD频段协同,共同提升上行吞吐率。在实验室测试中,TDD 100MHz和专属上行 100MHz频谱聚合,上行峰值可以达到1Gbps以上,可以进一步满足大部分行业客户的需求。

 

 

上行载波聚合

 

无线网络的载波(承载了数据流的无线电波)带宽越大,单位时间内传送的数据就越多,网速就越快。这就好比高速公路,道路越宽,能够过的车越多,车流越快。显然,增加载波带宽是提升网络速率和容量最直接的办法。

 

但问题来了,就像现实中的道路不能无限拓宽一样,考虑技术实现和成本等因素,标准组织为不同制式的移动网络技术定义了单载波的最大带宽,比如,3G时代的WCDMA为5MHz,4G LTE为20MHz,5G NR中频段为100MHz。

 

同时,由于从1G到5G每一个G都要为运营商分配不同的频谱资源,这导致了运营商拥有的频谱资源是分散的、不连续的,比如中国移动目前拥有的频谱资源分散在900MHz、1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.6GHz、4.9GHz多个频段上。

 

单载波最大带宽限制了网络的最大速率,而运营商的频谱资源过于分散导致了整体频谱利用率偏低。怎么办呢?

 

那就将两个或多个载波“捆绑”,将分散的频谱资源聚合为大带宽,来提供更快的网络速率,并提高频谱利用效率。这就是载波聚合技术。

 

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上行载波聚合便是利用这一原理,通过聚合不同载波的上行频段,实现上行能力的提升。

 

不过,上行载波聚合需要绑定对应的下行载波,如果一个载波的上行资源参与了上行载波聚合,它的下行资源就必须参与下行载波聚合。所以在实际网络部署中,需要结合载波的下行资源的用途规划综合考虑。

 

目前,网络及终端产业均有意愿支持上行载波聚合,预计2021年上半年可支持2.6GHz带内载波聚合,2021年下半年可支持2.6GHz+4.9GHz带间载波聚合,同时更多频段的载波聚合在持续研发中。

 

 

多频协同组网

 

随着5G网络不断发展,重耕2/3G低频段以及商用毫米波成为必然趋势,未来可通过低频段、中频段和毫米波多频段组网的方式,比如用700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz等低频段作为覆盖层,2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz等中频段作为容量层,26GHz/28GHz毫米波作为大带宽容量层,来协同提升上行容量和覆盖。

 

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在 Massive MIMO 场景下,还可通过小区分裂技术来提升网络上行容量,采用小区间上行联合接收技术来提升单个终端上行体验。

 

简而言之,5G要赋能千行百业数字化转型,未来亟需灵活的时隙配比、SUL上行增强、上行载波聚合和新的组网方案,来助力5G网络从一人千兆向人人千兆发展,从下行千兆到上行千兆演进,从而为社会数字化发展打下坚实的基石。

 
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