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5G上行,真是讓人操碎了心!

網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)
在5G初期,優(yōu)先在熱點部署,必然是點狀覆蓋的。為了保證用戶體驗的連續(xù)性,最容易想到的方法就是借用4G完善的覆蓋,手機(jī)同時連接4G和5G兩條腿走路。5G這條腿一旦沒信號了,因為4G那條腿還在,業(yè)務(wù)也能正常進(jìn)行。

 

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5G時代,“快”仿佛成了最嘹亮的主打歌。

 

可是,5G在頻譜效率上跟4G相比并沒有本質(zhì)的不同,因此只能靠增大信號帶寬來支撐。

于是5G最先建設(shè)的頻譜就落在了能提供連續(xù)幾百兆帶寬的3.5GHz,中國電信和聯(lián)通就各自獲取了該頻段100MHz的帶寬。

有了大帶寬的基礎(chǔ),再加上Massive MIMO等技術(shù)的加持,5G的下行速率自然是高出天際。單用戶速率可達(dá)1.5Gbps,單小區(qū)吞吐量甚至能達(dá)到6~10Gbps。

可是,在這光鮮亮麗的下載速率背后,上行覆蓋不足的問題一直在隱隱作痛。

由于3.5GHz的頻率較高,跟3G和4G所用的2.1GHz或者1.8GHz相比,穿透損耗大,信號衰減快。

這對于基站來說倒也沒啥,體積大能力強(qiáng)發(fā)射功率大,還有波束賦形等技術(shù)支持,所以下行一般來說不成問題。

但對于上行來說就比較難了,手機(jī)體積小能力弱,且由于輻射指標(biāo)的限制,在TDD場景下雙發(fā)場景下也就最大26dBm(0.4瓦),平均23dBm(0.2瓦)的發(fā)射功率,路徑上還要經(jīng)歷重重折損,離得稍微遠(yuǎn)點,還沒到達(dá)基站就衰減殆盡了。

 

為了在達(dá)到5G的高速率的同時也能兼顧上行覆蓋,各路專家們是傷透了腦筋。最終也確實提出了一些切實可行的方案。

 

 

一、EN-DC雙連接

在5G初期,優(yōu)先在熱點部署,必然是點狀覆蓋的。為了保證用戶體驗的連續(xù)性,最容易想到的方法就是借用4G完善的覆蓋,手機(jī)同時連接4G和5G兩條腿走路。5G這條腿一旦沒信號了,因為4G那條腿還在,業(yè)務(wù)也能正常進(jìn)行。

這就是5G的非獨立組網(wǎng)(NSA)模式,最常用的是選項3x(Option3x),4G負(fù)責(zé)控制面,5G作為容量的補(bǔ)充。這種方式也叫EN-DC(EnodeB NR Dual Connectify)雙連接。

 

 

以上圖為例,在4G和5G共同覆蓋范圍內(nèi)(近中點),手機(jī)可以同時連接5G 3.5GHz(TDD模式)和4G 2.1GHz(FDD模式)。

 

基站下行在4G和5G的上同時發(fā)送信息,容量為兩個載波之和。對于上行來說,手機(jī)在4G和5G上各用一根天線發(fā)送數(shù)據(jù),共享23dBm的功率。

 

 

一旦手機(jī)移動出了5G的覆蓋范圍(遠(yuǎn)點),手機(jī)就只能斷開5G,只用4G了。雖然不再能享受到5G,但4G的容量和覆蓋也還是可以保證的。

 

 

這種方式雖然可以解決5G的覆蓋問題,但畢竟要看4G的臉色,5G想必是心有不甘的。再說了,NSA也只是過渡方案,最終5G還是要走上自力更生的獨立部署(SA)路線的。

 

 

二、5G內(nèi)部有哪些覆蓋增強(qiáng)方案?

其實,5G定義的FR1頻譜,其實已經(jīng)包含了從450MHz到6GHz的廣闊范圍,把2G/3G/4G正在使用的FDD低頻段頻譜全部囊括在內(nèi),只要這些前輩肯退頻分一些給5G用,5G還是有望獨立解決覆蓋問題的。

 

 

FDD模式的歷史悠久,一般頻段較低,帶寬較窄,700M,800M,900M,1800M,2100M等主流頻段都是FDD的;而TDD的頻段相對較高一些,但是帶寬大,比如2.3GHz,2.6GHz,3.5GHz,4.9GHz等等。

 

 

很容易想到,把這些低頻段和高頻段結(jié)合起來,都部署成5G,不就容量和覆蓋都解決了嗎!

 

那么,到底要怎么個高低頻結(jié)合法呢?大體上有下面兩種思路。

 

思路1:既然5G 3.5GHz的上行有問題,那我就拿出一段低頻,不獨立工作,專門做只上行的補(bǔ)充!這就是輔助上行(Supplementary Uplink,簡稱SUL)方案。

思路2:部署中頻(例如3.5GHz)和低頻(例如700MHz)兩個獨立的5G載波,再借助載波聚合技術(shù),上下行同時增強(qiáng)!這就是載波聚合(Carrier Aggregation,簡稱CA)方案。

在思路1,也就是輔助上行方案的基礎(chǔ)上,電信和華為又提出了增強(qiáng)版本,除了在遠(yuǎn)點增強(qiáng)上行覆蓋之外,還能在近中點增強(qiáng)上行容量。這就是“超級上行”方案。

在思路2,也就是載波聚合方案的基礎(chǔ)上,中興也提出了增強(qiáng)版本,在增強(qiáng)了上行覆蓋的基礎(chǔ)上,上下行的容量也都得到了增強(qiáng)。這就是“時頻雙聚合”方案。

 

 

 

三、從輔助上行到超級上行

所謂輔助上行,就是拿出一段低頻和主力的中頻(比如3.5GHz)小區(qū)綁定,低頻只做上行,不能獨立工作,只能作為上行的補(bǔ)充存在。

 

在上面的5G頻段表中,可以看到除了傳統(tǒng)的FDD和TDD之外,還有一些頻段被標(biāo)識為SUL,這就是補(bǔ)充上行專用的。

 

 

從上圖可以看出,在小區(qū)近中點,5G的上下行還是使用3.5GHz,畢竟帶寬大速率高;到了遠(yuǎn)點,3.5GHz不堪使用的時候,才會激活輔助上行,把上行任務(wù)從3.5GHz交接到2.1GHz。

 

這個方案有沒有改進(jìn)的余地呢?

在TDD頻段,上下行是在不同的時間發(fā)送信息的。由于下載需求遠(yuǎn)大于上傳,因此TDD上下行時間的分配是偏向下行的,主流的上下行時隙配比為3:7。

也就是說,在70%的時間里,上行就這么空著不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。可是我們有用于上行增強(qiáng)的輔助上行啊,在小區(qū)近中點有這樣的資源不用,白白浪費(fèi)多可惜。

于是,電信和華為對輔助上行的這個缺點進(jìn)行了修正:在近中點把輔助上行也用起來,在主載波TDD的間隙上傳數(shù)據(jù)! 這就是“超級上行”解決方案。

 

 

在中頻主載波的TDD下行時隙,輔助上行就接過上行的重任;到了主載波的上行時隙,把上行又交還給主載波就行了。

 

 

這樣一來,TDD主載波和SUL輔助上行進(jìn)行輪發(fā),在近中點所有的時間都可以進(jìn)行上行發(fā)送,不但上行速率得以提升,由于還降低了下行數(shù)據(jù)反饋的時延,間接提升了下行速率!

 

 

四、從載波聚合到時頻雙聚合

所謂載波聚合,就是把兩個完全獨立的載波捆綁在一起共同為一部手機(jī)服務(wù)。上行和下行的聚合需要同步進(jìn)行。

因此,如果一個中頻TDD載波和一個低頻FDD載波聚合的話,就可以天然支持上行覆蓋的增強(qiáng)。

 

以TDD 3.5GHz加FDD 2.1GHz為例,無論在基站近中點還是遠(yuǎn)點,下行都可實現(xiàn)雙載波聚合來進(jìn)行容量增強(qiáng)。

 

 

上行在基站近中點,手機(jī)可以使用兩個頻段的載波共享23dBm的功率同時發(fā)送數(shù)據(jù),在遠(yuǎn)點,自然有FDD的上行來保底。

 

這個方案在遠(yuǎn)點沒有問題,但在近中點,TDD和FDD各占用手機(jī)的一路天線并行發(fā)送數(shù)據(jù)是不經(jīng)濟(jì)的。

因為TDD載波有100MHz的大帶寬,而FDD載波通常也就跟4G一樣只有20MHz,容量誰大誰小一目了然,還是讓TDD在自己的上行時隙盡量雙發(fā)來得劃算。

并且,由于TDD下行信道估計依賴于上行的SRS輪發(fā),如果單天線發(fā)射就沒法輪發(fā),也會對下行的波束賦形性能產(chǎn)生影響。

為了解決這兩個問題,電信聯(lián)合中興在載波聚合的框架下提出了“時頻雙聚合”方案,上行不但支持TDD和FDD并發(fā),還支持了和超級上行類似的雙載波輪發(fā),保證了近中點的容量。

依然以TDD 3.5GHz加FDD 2.1GHz為例,無論是在基站的近中點還是遠(yuǎn)點,下行依然可以通過雙載波聚合來進(jìn)行容量增強(qiáng)。

 

 

在近中點,在TDD的下行時隙,上行可通過2.1G載波以23dBm的功率來持續(xù)發(fā)送信號,到了TDD的上行時隙再切換為雙發(fā)在3.5G載波上發(fā)送,和超級上行如出一轍。

 

由此可見,時頻雙聚合方案在上行是非常靈活的,綜合起來可以有3種發(fā)送模式:

1. 下行TDD+FDD載波聚合,上行單天線FDD和雙天線TDD輪發(fā),為小區(qū)近中點用戶提供最佳的上行性能;

 

 

2. 下行TDD+FDD載波聚合,上行雙天線TDD并發(fā),為小區(qū)近中點有交調(diào)或者諧波干擾的用戶提供最佳性能;

 

 

3. 下行TDD+FDD載波聚合,上行單天線FDD,為小區(qū)遠(yuǎn)點用戶提供最佳性能。

 

 

五、各種方案的優(yōu)劣勢對比

對于NSA組網(wǎng)下EN-DC的上行覆蓋主要取決于4G,現(xiàn)階段4G已完成連續(xù)覆蓋,在此就不進(jìn)行贅述了。

下面著重進(jìn)行超級上行和時頻雙聚合的優(yōu)劣勢對比。

1、覆蓋:這兩個方案性能類似,均取決于低頻載波的上行覆蓋能力。

2、容量:兩者都可增強(qiáng)近中點的上行容量,性能類似;但超級上行只增強(qiáng)上行,對下行沒有任何容量增強(qiáng),時頻雙聚合可同時增強(qiáng)上行和下行。

3、時延:兩個方案均可以讓上行數(shù)據(jù)及時發(fā)送,下行數(shù)據(jù)及時確認(rèn),上行和下行時延均得以降低。

4、頻譜:輔助上行/超級上行需要一段專用的頻譜,而低頻段一般都被2/3/4G占據(jù),完全重耕比較困難;載波聚合/時頻雙聚合的低頻段5G可以使用DSS(動態(tài)頻譜共享)技術(shù)跟4G共享,頻譜相對容易獲取。

5、復(fù)雜度:輔助上行/超級上行為小區(qū)內(nèi)上行增強(qiáng)技術(shù),實現(xiàn)簡單,無額外信令開銷;載波聚合/時頻雙聚合是小區(qū)間協(xié)調(diào)技術(shù),涉及到輔載波的測量,增刪,切換等操作,靈活但是復(fù)雜度高,增加了額外信令開銷。

6、標(biāo)準(zhǔn)化:R15協(xié)議已支持輔助上行和下行載波聚合,對于超級上行以及時頻雙聚合所需的上行時分載波聚合仍在標(biāo)準(zhǔn)化討論中,在R16版本凍結(jié)。

7、芯片:華為海思芯片必然是要支持輔助上行/超級上行的,高通芯片明確支持載波聚合,后續(xù)是否能完全支持時頻雙聚合的所有功能還有待多方推動。

總體而言這兩個流派的上行增強(qiáng)技術(shù)各有千秋,具體誰能勝出就看后面雙方對于標(biāo)準(zhǔn),芯片和終端的產(chǎn)業(yè)鏈推動了。

好了,本期的介紹就到這里,希望對大家有所幫助。

非常感謝能堅持看到最后。

責(zé)任編輯:武曉燕 來源: 無線深海
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