5G时频双聚合技术,提升5G网络容量和覆盖性能
3.5ghz频谱分析与挑战
频谱是移动通信领域的核心资源。5g频谱分散在多个频段，不同频段各有优劣。全球第一波商用5g网络主要使用了更高的3.5ghz（3.3~3.8ghz，band n78）和毫米波频段，以及2.6ghz（2.496~2.69ghz，band n41）频段。3.5ghz频段采用tdd模式，与当前4g网络普遍使用的1.8ghz（band 3）等fdd频段相比，3.5ghz不仅穿透损耗较高，而且上行可用时隙占比也较少，在满足5g业务需求方面，存在上行带宽、上行覆盖、传输时延三大挑战。
上行带宽
tdd模式上行和下行使用相同的频率，采用时分双工方式传输。中国3.5ghz频段的上下行占比配置为3：7，即30%时隙用于上行，70%时隙用于下行。以100mhz带宽为例，上行方向实际可用折算下来也只有30mhz带宽，仅为4g单载波的1.5倍。
上行覆盖
频率越高，空间传播损耗越大，覆盖距离越短。上行采用3.5ghz相比2.1ghz频段路径损耗多5db。此外，频率越高，穿透损耗也越大，导致覆盖距离缩短。
传输时延
由于tdd模式上行和下行时分传输，终端在接收下行数据时不能发上行数据，这导致上行传输过程中额外增加了等待时延。对于上行占比30%的3.5ghz频段，会额外等待0～2ms，平均等待0.8ms。同理，在下行方向，额外等待0～1ms，平均等待0.2ms。
时频双聚合，提升5g网络容量和覆盖性能
结合频谱特性及行业现状，如何利用2.1ghz和700mhz等低频段提升5g上行性能成为业界关注热点。中兴通讯提出5g时频双聚合方案，帮助运营商有效提升5g网络性能。
该技术以载波聚合为基础，利用fdd和tdd各自优势形成互补，从而提升5g上下行性能。fdd频段频率较低，覆盖能力强，频分双工方式传输时无额外等待时延，但带宽通常较小；tdd频段带宽大，而且上下行均成熟应用mimo技术，但覆盖和时延方面比fdd弱。而在运用5g时频双聚合技术后，如图1所示，终端在小区中心（近点）可以利用fdd+tdd频谱同时进行上下行传输，获得大带宽和低时延能力；终端在小区边缘（远点）则把上行切换到fdd提升覆盖，下行保持fdd+tdd聚合，业务体验速率得到提升。
图1 5g时频双聚合终端上下行传输示意
5g时频双聚合技术把fdd和tdd频谱在时域和频域巧妙地协同起来，在充分利用成熟技术和不对终端增加额外成本的基础上，引入创新性的载波间协同与调度技术，化解3.5ghz单频组网面临的三大挑战，实现容量、覆盖和时延三方面性能的提升。
1）提升5g容量
3.5ghz网络引入5g时频双聚合技术后，借助2.1ghz频段，终端上行带宽可以提升23%，下行带宽可以提升28%。如果运营商在2.1ghz频段未来能够使用50mhz带宽，则上下行提升空间进一步扩大到58%和71%，容量提升显著。
5g终端上行发射通道数普遍为最大2发，在tdd频段可以使用上行2x2 mimo传输，等效带宽翻倍。但如果终端使用传统上行载波聚合技术连接fdd+tdd双载波，则其中fdd和tdd各只能使用1发，tdd上行无法使用2x2 mimo传输，聚合后的上行容量可能反而不如不激活载波聚合，得不偿失。针对这个问题，5g时频双聚合技术上行采用轮发方式，确保fdd+tdd载波聚合时其中tdd载波上行的2x2 mimo能力。具体来说，就是在tdd上行时隙终端双发全部用于tdd 2x2 mimo传输，而在tdd下行时隙则立即切换到使用fdd进行上行传输，这种快速切换机制使得上行方向不但可用时隙提升到接近100%，而且不牺牲tdd 2x2 mimo能力。
图2 5g时频双聚合时终端的上下行时隙关系以及上行轮发机制
2）提升5g覆盖
利用3.5ghz频段部署5g，覆盖瓶颈会先出现在上行方向，即便此时网络的下行覆盖还可以。这种上下行“不对称”制约了3.5ghz“覆盖”范围，降低了网络利用率。通过5g时频双聚合技术，终端能够同时连接fdd和tdd两个载波，在小区边缘时继续享受tdd载波下行大带宽，而上行传输则可以切换到覆盖更好的fdd载波上，不再因为上行受限脱离5g网络服务。
双载波优势互补比单tdd载波服务范围更大，比单fdd载波下行速率也更高。同样以2.1ghz和3.5ghz双载波为例，终端到达3.5ghz上行覆盖边缘时可切换到2.1ghz，上行传输时隙比单3.5ghz增加2.3倍，而下行可用带宽比单2.1ghz多2.5倍。协同后产生了1加1大于2的收益。
3）降低5g时延
5g时频双聚合时终端可利用fdd和tdd两个载波选择性收发，任何时刻都有可用的发送时隙，无需额外等待，降低传输时延。以上行为例，3.5ghz tdd单载波的上行平均传输时延约为2.2ms，采用时频双聚合技术后可降低到1.5ms，降幅达31%。
4）组网灵活、部署容易
时频双聚合技术可应用于扇区间和站间，组网上具有很大的灵活性。运营商无需强制要求fdd和tdd共站建设。网络侧的每一个fdd载波都可以与多个tdd载波同时进行时频双聚合，反过来一个tdd载波也可以与多个fdd载波同时进行时频双聚合，每一个聚合组合都是为特定终端动态建立的。
针对一些运营商fdd和tdd不共站部署，或者扇区覆盖不完全重叠的场景，中兴通讯提出灵活调度技术来放松要求，以便运营商更易应用时频双聚合，这些技术包括采用静态码本和two pucch group等。
2019年11月，中兴通讯完成了业界首个基于2.1ghz和3.5ghz频段的5g时频双聚合方案验证。验证结果表明，在信道良好的环境下，单用户上行速率相对3.5ghz单载波提升最大可达40%。5g时频双聚合技术正在3gpp标准化过程中，有望r16完成。
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上行带宽
tdd模式上行和下行使用相同的频率，采用时分双工方式传输。中国3.5ghz频段的上下行占比配置为3：7，即30%时隙用于上行，70%时隙用于下行。以100mhz带宽为例，上行方向实际可用折算下来也只有30mhz带宽，仅为4g单载波的1.5倍。
上行覆盖
频率越高，空间传播损耗越大，覆盖距离越短。上行采用3.5ghz相比2.1ghz频段路径损耗多5db。此外，频率越高，穿透损耗也越大，导致覆盖距离缩短。
传输时延
由于tdd模式上行和下行时分传输，终端在接收下行数据时不能发上行数据，这导致上行传输过程中额外增加了等待时延。对于上行占比30%的3.5ghz频段，会额外等待0～2ms，平均等待0.8ms。同理，在下行方向，额外等待0～1ms，平均等待0.2ms。
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图1 5g时频双聚合终端上下行传输示意
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