5G上下行能力差異明顯。5G上行能力薄弱，行業(yè)急盼上行千兆能力。
2020年10月16日，在第二屆5G千兆網(wǎng)產(chǎn)業(yè)論壇上，中國(guó)聯(lián)通研究院副院長(zhǎng)遲永生用上圖非常形象的描述了當(dāng)前5G上下行的“身高差”。
隨著5G向鋼鐵、礦山、港口、制造、電力等各行各業(yè)滲透，5G+視頻監(jiān)控、5G+遠(yuǎn)程控制、5G+機(jī)器視覺(jué)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景需實(shí)時(shí)回傳多路高清視頻，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上行能力的要求越來(lái)越高。
比如，在高清監(jiān)控和遠(yuǎn)程操控的視頻回傳中，單點(diǎn)上行速率要求3Mbps至20Mbps（720p至4K），在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中通常要部署多個(gè)甚至幾十個(gè)攝像頭多點(diǎn)并發(fā)上傳，要求小區(qū)上行容量高達(dá)1Gbps。在機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景中，對(duì)圖像質(zhì)量和處理時(shí)延要求苛刻，只是單點(diǎn)上行速率就需600Mbps至1Gbps。
當(dāng)前，5G網(wǎng)絡(luò)的下行峰值速率已實(shí)現(xiàn)千兆，但隨著2B業(yè)務(wù)對(duì)上行速率需求越來(lái)越強(qiáng)烈，上行業(yè)務(wù)速率能力亟需增強(qiáng)，行業(yè)該如何應(yīng)對(duì)？
靈活的時(shí)隙配比
眾所周知，移動(dòng)通信系統(tǒng)有兩種雙工方式：TDD和FDD。FDD叫頻分雙工，上行通信和下行通信分別在兩個(gè)獨(dú)立的（對(duì)稱的）頻率信道上傳送；TDD叫時(shí)分雙工，上行和下行在同一頻率信道上傳送，兩者通過(guò)時(shí)間間隔來(lái)分離。當(dāng)前5G商用網(wǎng)絡(luò)采用TDD模式。
在TDD模式下，時(shí)隙是一種重要的資源。考慮用戶上網(wǎng)主要以看視頻、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、下載內(nèi)容等為主，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求主要集中在下行，運(yùn)營(yíng)商過(guò)去一直將更多的時(shí)隙資源分配給下行，讓網(wǎng)絡(luò)下行峰值速率和容量遠(yuǎn)大于上行。
為了滿足行業(yè)應(yīng)用的上行大帶寬訴求，最簡(jiǎn)單直接的辦法就是改變當(dāng)前5G TDD系統(tǒng)中的時(shí)隙配比。目前5G主流時(shí)隙配比為8D2U和7D3U等，分配的下行資源遠(yuǎn)高于上行。若改變時(shí)隙配比，將更多的資源分配給上行，就可提升上行峰值速率和容量。
中國(guó)移動(dòng)研究院副院長(zhǎng)黃宇紅表示，在2.6GHz（100MHz帶寬）和4.9GHz（100MHz帶寬）頻段上采用時(shí)隙配比為1D3U的專屬幀結(jié)構(gòu)后，增加了TDD頻譜上行資源占比，測(cè)試結(jié)果顯示，上行單用戶峰值速率可達(dá)到747Mbps，小區(qū)容量可達(dá)到482-747Mbps。目前網(wǎng)絡(luò)、芯片等多個(gè)廠家已支持1D3U的幀結(jié)構(gòu)配置，已在寧波舟山港進(jìn)行了試點(diǎn)，預(yù)計(jì)明年初可商用。
不過(guò)，由于1D3U專屬幀結(jié)構(gòu)與公網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)不同，可能會(huì)帶來(lái)交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題。交叉時(shí)隙干擾，指相鄰基站占用相同頻段時(shí)，由于基站間的小區(qū)幀結(jié)構(gòu)不一致，可能會(huì)出現(xiàn)在基站1使用某時(shí)隙傳送下行數(shù)據(jù)的同時(shí)基站2使用相同的時(shí)隙傳送上行數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致基站1的下行信號(hào)對(duì)基站2的上行信號(hào)產(chǎn)生干擾。
對(duì)于中國(guó)移動(dòng)而言，其擁有的5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz，若在4.9GHz上采用1D3U幀結(jié)構(gòu)來(lái)部署行業(yè)專網(wǎng)，與公網(wǎng)2.6GHz頻段隔離，可避免交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題。但若公網(wǎng)與專網(wǎng)都采用2.6GHz頻段，就可能出現(xiàn)交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題，因此這適用于礦井、工廠等較為封閉的場(chǎng)景。對(duì)于電信和聯(lián)通而言，5G公網(wǎng)與專網(wǎng)可能會(huì)采用相同的3.5GHz頻段，也會(huì)面臨交叉時(shí)隙干擾問(wèn)題。
為了規(guī)避干擾并充分利用TDD時(shí)隙靈活的特點(diǎn)，中國(guó)聯(lián)通還提出了“智享時(shí)隙”。
遲永生介紹，智享時(shí)隙，就是結(jié)合人工智能技術(shù)，依據(jù)上下行業(yè)務(wù)需求和鄰區(qū)干擾變化智能調(diào)整時(shí)隙配比，讓時(shí)間智能化，靈活匹配上下行業(yè)務(wù)需求。
智享時(shí)隙通過(guò)多層嵌套進(jìn)行靈活配置，通過(guò)智能業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)、智能干擾檢測(cè)、智能評(píng)估和規(guī)避等整套智能化技術(shù)方案，做到時(shí)隙與業(yè)務(wù)匹配并兼顧干擾，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙配置與業(yè)務(wù)需求的智能化匹配。
雖然通過(guò)靈活的時(shí)隙配比調(diào)整，將更多的資源分配給上行，可讓上行速率大幅提升，但這種調(diào)整方式只針對(duì)單一頻段而言，頻率資源受限，可能會(huì)顧此失彼，提升了上行速率的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致下行速率下降。
面向未來(lái)，隨著toB和toC業(yè)務(wù)不斷繁榮，5G不僅需要上行大帶寬，同時(shí)對(duì)下行速率的需求也在不斷提升，比如未來(lái)視頻業(yè)務(wù)將從高清視頻、入門(mén)XR向Cloud XR、XR-Pro演進(jìn)，單用戶下行速率要求從幾十Mbps提升到1-2Gbps。
華為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線副總裁甘斌表示，隨著視頻業(yè)務(wù)向沉浸式、交互式體驗(yàn)升級(jí)，下行帶寬將從一人千兆發(fā)展到人人千兆，為用戶帶來(lái)隨時(shí)隨地的極致體驗(yàn)。同時(shí)，5G上行也將向千兆發(fā)展，以使能行業(yè)自動(dòng)化、智能化。
顯然，要提升5G上行能力，行業(yè)還需要更多的辦法，這包括SUL上行增強(qiáng)、上行載波聚合、多頻段協(xié)同組網(wǎng)等。
SUL上行增強(qiáng)
SUL，Supplement Uplink，即輔助上行，采用了上下行解耦技術(shù)。在FDD模式下，頻段上下行成對(duì)；在TDD模式下，上下行共用一段頻段。不管FDD還是TDD，上下行都是綁定在一起的。而SUL打破了上下行綁定于同一頻段（或頻譜成對(duì)）的傳統(tǒng)限制。這樣一來(lái)，就可以在原5G TDD頻段上新增FDD頻段或SUL專屬頻段來(lái)補(bǔ)充上行，提升上行能力，且僅補(bǔ)充上行。這就好比在原有的雙向5G TDD車(chē)道上，新增了一條單向上行車(chē)道。
基站發(fā)射功率大且支持Massive MIMO技術(shù)，在下行方向可以將無(wú)線電波傳送到很遠(yuǎn)的距離，但手機(jī)發(fā)射功率很小，上行覆蓋受限，是基站覆蓋的短板?，F(xiàn)在有了SUL，5G TDD中頻段（比如2.6GHz、3.5GHz或4.9GHz）可以聚合覆蓋能力更強(qiáng)的FDD低頻段（比如1.8GHz）作為上行補(bǔ)充。當(dāng)手機(jī)處于TDD中頻段覆蓋范圍時(shí)，手機(jī)使用TDD中頻段；當(dāng)手機(jī)移動(dòng)到TDD中頻段覆蓋范圍之外時(shí)，手機(jī)在上行方向采用FDD低頻段，這就補(bǔ)充了TDD 中頻段的上行覆蓋短板，延伸了覆蓋范圍。
不過(guò)，SUL上行增強(qiáng)解決方案比SUL更厲害，不但能提升上行覆蓋，還能提升上行速率。
因?yàn)樵赟UL上行增強(qiáng)解決方案下，當(dāng)手機(jī)處于TDD中頻段覆蓋范圍時(shí)，F(xiàn)DD低頻段不會(huì)閑下來(lái)，也在積極參與提升上行帶寬的工作中。在TDD中頻段的覆蓋范圍內(nèi)，當(dāng)TDD中頻段傳送上行數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)DD低頻段上行不傳送數(shù)據(jù)，以充分發(fā)揮TDD大帶寬和終端雙通道發(fā)射的優(yōu)勢(shì)，來(lái)提升上行吞吐率；當(dāng)TDD頻段傳送下行數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)DD傳送上行數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了FDD和TDD時(shí)隙級(jí)的轉(zhuǎn)換，保證全時(shí)隙均有上行數(shù)據(jù)傳送。
黃宇紅表示，在實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試中，TDD 100MHz頻譜與FDD 20MHz頻譜，通過(guò)5G SUL上行增強(qiáng)解決方案相互協(xié)同，上行單用戶峰值速率可達(dá)到310Mbps。為了解決行業(yè)中對(duì)超大帶寬的需求，SUL上行增強(qiáng)解決方案還可以引入專屬的上行大帶寬頻譜（50~100MHz）， 與TDD頻段協(xié)同，共同提升上行吞吐率。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，TDD 100MHz和專屬上行 100MHz頻譜聚合，上行峰值可以達(dá)到1Gbps以上，可以進(jìn)一步滿足大部分行業(yè)客戶的需求。
上行載波聚合
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的載波（承載了數(shù)據(jù)流的無(wú)線電波）帶寬越大，單位時(shí)間內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)就越多，網(wǎng)速就越快。這就好比高速公路，道路越寬，能夠過(guò)的車(chē)越多，車(chē)流越快。顯然，增加載波帶寬是提升網(wǎng)絡(luò)速率和容量最直接的辦法。
但問(wèn)題來(lái)了，就像現(xiàn)實(shí)中的道路不能無(wú)限拓寬一樣，考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本等因素，標(biāo)準(zhǔn)組織為不同制式的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定義了單載波的最大帶寬，比如，3G時(shí)代的WCDMA為5MHz，4G LTE為20MHz，5G NR中頻段為100MHz。
同時(shí)，由于從1G到5G每一個(gè)G都要為運(yùn)營(yíng)商分配不同的頻譜資源，這導(dǎo)致了運(yùn)營(yíng)商擁有的頻譜資源是分散的、不連續(xù)的，比如中國(guó)移動(dòng)目前擁有的頻譜資源分散在900MHz、1.8GHz、1.9GHz、2GHz、2.3GHz、2.6GHz、4.9GHz多個(gè)頻段上。
單載波最大帶寬限制了網(wǎng)絡(luò)的最大速率，而運(yùn)營(yíng)商的頻譜資源過(guò)于分散導(dǎo)致了整體頻譜利用率偏低。怎么辦呢？
那就將兩個(gè)或多個(gè)載波“捆綁”，將分散的頻譜資源聚合為大帶寬，來(lái)提供更快的網(wǎng)絡(luò)速率，并提高頻譜利用效率。這就是載波聚合技術(shù)。
上行載波聚合便是利用這一原理，通過(guò)聚合不同載波的上行頻段，實(shí)現(xiàn)上行能力的提升。
不過(guò)，上行載波聚合需要綁定對(duì)應(yīng)的下行載波，如果一個(gè)載波的上行資源參與了上行載波聚合，它的下行資源就必須參與下行載波聚合。所以在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，需要結(jié)合載波的下行資源的用途規(guī)劃綜合考慮。
目前，網(wǎng)絡(luò)及終端產(chǎn)業(yè)均有意愿支持上行載波聚合，預(yù)計(jì)2021年上半年可支持2.6GHz帶內(nèi)載波聚合，2021年下半年可支持2.6GHz+4.9GHz帶間載波聚合，同時(shí)更多頻段的載波聚合在持續(xù)研發(fā)中。
多頻協(xié)同組網(wǎng)
隨著5G網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，重耕2/3G低頻段以及商用毫米波成為必然趨勢(shì)，未來(lái)可通過(guò)低頻段、中頻段和毫米波多頻段組網(wǎng)的方式，比如用700MHz/800MHz/900MHz/1800MHz等低頻段作為覆蓋層，2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz等中頻段作為容量層，26GHz/28GHz毫米波作為大帶寬容量層，來(lái)協(xié)同提升上行容量和覆蓋。
在 Massive MIMO 場(chǎng)景下，還可通過(guò)小區(qū)分裂技術(shù)來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)上行容量，采用小區(qū)間上行聯(lián)合接收技術(shù)來(lái)提升單個(gè)終端上行體驗(yàn)。
簡(jiǎn)而言之，5G要賦能千行百業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，未來(lái)亟需靈活的時(shí)隙配比、SUL上行增強(qiáng)、上行載波聚合和新的組網(wǎng)方案，來(lái)助力5G網(wǎng)絡(luò)從一人千兆向人人千兆發(fā)展，從下行千兆到上行千兆演進(jìn)，從而為社會(huì)數(shù)字化發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基石。
