3.5GHz頻譜分析與挑戰(zhàn)
頻譜是移動通信領(lǐng)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(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,而且上行可用時隙占比也較少,在滿足5G業(yè)務(wù)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(dǎo)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(dǎo)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(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。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(luò)性能。
該技術(shù)以載波聚合為基礎(chǔ),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?。籘DD頻段帶寬大,而且上下行均成熟應(yīng)用MIMO技術(shù),但覆蓋和時延方面比FDD弱。而在運用5G時頻雙聚合技術(shù)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(jìn)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(yuǎn)點)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(shù)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(shù)和不對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(luò)引入5G時頻雙聚合技術(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(jìn)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(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(shù)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(jìn)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(guān)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(luò)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(luò)利用率。通過5G時頻雙聚合技術(shù),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(luò)服務(wù)。
雙載波優(yōu)勢互補比單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(shù)后可降低到1.5ms,降幅達(dá)31%。
4)組網(wǎng)靈活、部署容易
時頻雙聚合技術(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。運營商無需強制要求FDD和TDD共站建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的每一個FDD載波都可以與多個TDD載波同時進(jìn)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(jìn)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(shù)來放松要求,以便運營商更易應(yīng)用時頻雙聚合,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(dá)40%。5G時頻雙聚合技術(shù)正在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化過程中,有望R16完成。
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