5G FDD/TDD 融合組網(wǎng)趨勢研究*

祝海云，居新星，樊忠文

（中國電信股份有限公司金華分公司，浙江 金華 321000）

0 引言

目前2G/3G/4G 移動通信主要部署在6 GHz 以下的低頻段，但隨著5G 系統(tǒng)的發(fā)展和部署，高頻段的頻譜資源應(yīng)用可以增加無線頻譜寬度，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，保障熱點區(qū)域容量成千倍提升。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本及建設(shè)效果和基站業(yè)務(wù)使用情況，低話務(wù)5G 覆蓋區(qū)域使用高頻組網(wǎng)極大增加了運營成本，因此需要探索提高低頻段頻譜使用效率的方法，來實現(xiàn)高低頻、時分雙工（Time Division Duplex，TDD）和頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）融合組網(wǎng)策略滿足覆蓋性的差異問題。此外，高頻段頻譜其頻率偏移量大，多普勒效應(yīng)更為明顯，但高頻反射能力差，在站點深度覆蓋、室內(nèi)高頻頻譜的多徑效應(yīng)差，會降低用戶間的相關(guān)性。隨著5G 終端普及以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級需求，4G/5G 用戶轉(zhuǎn)化成為當(dāng)前以及將來主要發(fā)展趨勢，大量4G 存量站點需要加快升級轉(zhuǎn)變以滿足實際網(wǎng)絡(luò)需求。

1 網(wǎng)絡(luò)制式發(fā)展

通信技術(shù)發(fā)展往往取決于無線基站能力的發(fā)展，但是，如今終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展反向刺激無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)新能力開發(fā)，大量舊制式無線基站被動配合終端進(jìn)行緩慢升級。隨著終端類型發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)能力伴隨App 應(yīng)用能力強勢而逐漸邊緣化，針對性應(yīng)用無法匹配當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)一步限制5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展。

截止2021 年2 月，全國累計建設(shè)75 萬座5G基站，其中64T64R/32T32R AAU設(shè)備占據(jù)80＆份額，構(gòu)成主城區(qū)主要容量覆蓋網(wǎng)絡(luò)，而4G 基站累計建設(shè)超過210 萬座，5G 基站數(shù)量與4G 整體基站建設(shè)數(shù)量比例已達(dá)35＆。而當(dāng)前5G 終端累計出貨量 1.5 億臺，4G 終端累計出貨量達(dá)20 億臺，5G 終端總出貨量與4G 終端總出貨量比例為7.5＆，規(guī)模5G 用戶月均流量與4G 月均流量比例為2.3＆，遠(yuǎn)未達(dá)到5G 基站同等數(shù)量規(guī)模。同時為適應(yīng)國家信息化政策號召，提前實現(xiàn)全網(wǎng)5G 覆蓋，2021—2022 年度完成鄉(xiāng)村、城鎮(zhèn)、郊區(qū)5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，進(jìn)一步加劇當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)割裂狀態(tài)。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前發(fā)展趨勢，4G 部分頻段必然被5G 替換，同時進(jìn)行用戶遷移，部分4G 頻段保留確保固定用戶業(yè)務(wù)不受影響，而5G 作為未來主要容量層，將類似于3G/4G 替換一樣完成網(wǎng)絡(luò)制式迭代[1]。

2 多因素導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)發(fā)展走向融合

2.1 高額的建設(shè)成本

5G 因其獨特的天線振子設(shè)計技，工藝成本遠(yuǎn)超4G 基站，其綜合單站成本為4G 站點2～3 倍。同時，由于其高頻段覆蓋問題導(dǎo)致深度覆蓋和室內(nèi)淺層覆蓋受限，需要進(jìn)一步加站處理。以中國移動為例，2013 年末中國移動獲得4G TD 牌照，2014 年起中國移動4G 網(wǎng)絡(luò)開啟規(guī)模建設(shè)和商用。依據(jù)財報數(shù)據(jù)顯示，2015 年到2020 年間，中國移動4G 網(wǎng)絡(luò)投入分別為806 億元、567 億元、791 億元、830 億元和657 億元，2021 年這一數(shù)字預(yù)測為 585 億元，五年之間中國移動在4G 網(wǎng)絡(luò)上的投資超過3 600 億元。截止2020 年末，中國移動全國4G 基站187 萬個，覆蓋全國99＆的人口。中國聯(lián)通、中國電信4G基站總數(shù)同期分別為85萬個、117萬個。按此估算，加上其他配套設(shè)施費用，三大運營商在4G 網(wǎng)絡(luò)上的建設(shè)至少在8 000 億元規(guī)模，同比估算5G 建設(shè)費用可達(dá)萬億元有余。隨著硬件設(shè)施成本急劇上升，通信資費按照政策影響同比下滑，進(jìn)一步加劇5G 建設(shè)成本回收問題的嚴(yán)重性。

2.2 高昂的運維成本

網(wǎng)絡(luò)運維是傳統(tǒng)通信行業(yè)重要成本輸出之一，包含電費、人力、設(shè)備折舊、設(shè)備運營管理等。以成熟度最高的4G 站點為例，全國超過50 萬座基站處于低話務(wù)低流量閑小區(qū)狀態(tài)，30＆的基站貢獻(xiàn)80＆的業(yè)務(wù)流量，高度不平衡業(yè)務(wù)模型導(dǎo)致運營成本高居不下。依據(jù)財報顯示，三大運營商每年投入運維費用超過4 000 億元，5G 投入使用后進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)運營成本。

當(dāng)前5G 基站多以64T64R、32T32R 設(shè)備為主，以單個64T64R 型AAU 站點主設(shè)備單日功耗計算，空載功耗2.1～2.2 kW，均載功耗3.1～3.2 kW，滿載功耗3.7～3.9 kW遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出4G空載1.1 kW的功耗水平，其單位整體功耗高于4G3 倍。同時5G 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前并未完全取代4G 網(wǎng)絡(luò)，目前形成2G/3G/4G/5G 多制式網(wǎng)絡(luò)并存局面。雖然各大運營商通過各種手段在未來兩年內(nèi)逐步淘汰2G/3G 網(wǎng)絡(luò)，移頻至4G/5G 降低運維成本，但受制于現(xiàn)網(wǎng)大量頑固用戶，改制進(jìn)展緩慢。

2.3 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求

初期階段5G 終端滲透率低，因此也面臨頻譜利用率低的問題。于是可以讓長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）和新空口技術(shù)（New Radio，NR）共同使用相同的上下行頻譜資源：無獨立NR頻譜資源的運營商可以共享存量的LTE 頻譜，獲得快速部署5G 網(wǎng)絡(luò)的能力；擁有獨立NR 頻譜資源的運營商可以將NR 頻譜資源共享給LTE，以提升頻譜利用率，同時可以通過LTE 開通動態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）功能接入5G 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步解決4G 和5G 無法真正融合的問題。DSS 是LTE 和NR 在同一段頻譜上根據(jù)業(yè)務(wù)量需求進(jìn)行的時頻資源動態(tài)共享的一種技術(shù)。采用FDD 制式的基站上可以同步部署NR，而且基站硬件不用做大的改動，只需新增5G 基帶板并升級軟件就可以快速支持5G[2]。這種站點具有成本低，部署快、廣覆蓋5G 的優(yōu)勢。依據(jù)國家信息化建設(shè)需求以及當(dāng)前5G 終端業(yè)務(wù)發(fā)展情況，2021—2023 年需要完成鄉(xiāng)鎮(zhèn)5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。按照4G 用戶業(yè)務(wù)發(fā)展模型規(guī)劃來看，鄉(xiāng)村站點業(yè)務(wù)量占比低于10＆，因此采用低頻段FDD 制式5G 站點能夠有效滿足覆蓋需求，以及能夠維持較低的站點建設(shè)運維成本。除此之外，低頻段FDD 網(wǎng)絡(luò)相比于TDD 高頻網(wǎng)絡(luò)，擁有抗干擾強、上行同等帶寬較大等優(yōu)勢，可作為5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)覆蓋層，實現(xiàn)4G 和5G 融合目標(biāo)，加快5G 用戶發(fā)展趨勢。

2.4 5G 用戶過渡

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)展逐漸進(jìn)入平穩(wěn)期，用戶發(fā)展和用戶遷移成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵，新增5G用戶規(guī)模已達(dá)7 000 萬，但是實際駐留5G 網(wǎng)絡(luò)比例低于20＆，運營商面臨解決5G 用戶“遷上去”和“留下來”的問題。為了解決“遷上去”的問題，開展用戶分類評估和網(wǎng)絡(luò)提升，實現(xiàn)精準(zhǔn)遷移。其中，用戶遷移評估包含4G/5G 覆蓋評估、5G 終端評估、5G 倒流評估。覆蓋評估包含4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)測量報告（Measurement Report，MR）、5G 獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）和非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）混合組網(wǎng)區(qū)分場景的覆蓋評估和道路覆蓋、建筑物級覆蓋評估；終端評估包含4G/5G MR 的5G鎖網(wǎng)終端識別和5G 價值終端活動區(qū)域識別，推動終端廠商盡快升級終端版本反推網(wǎng)絡(luò)制式適應(yīng)；倒流評估包含4G/5G MR 的5G 倒流情況分析，并通過參數(shù)調(diào)整、套餐引流等方式加快流量遷移。

隨著網(wǎng)絡(luò)制式復(fù)雜化，終端基帶能力被動適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)制式發(fā)展。當(dāng)前終端普遍需要支持三大運營商12 種制式18 個網(wǎng)絡(luò)頻段，會進(jìn)一步提高終端功耗，加深解決“留下來”這一問題的難度。此外，由于當(dāng)前主流App 和流量業(yè)務(wù)模型未發(fā)生明顯變化，5G 用戶駐留比較低。加快業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)型有利于用戶5G 感知需求度提升，因此需要各大終端廠商和App 開發(fā)者共同協(xié)作引導(dǎo)，加快5G 生態(tài)建設(shè)。運營商需加快FDD NR 和LTE 融合，相較與FDD LTE，5G FDD NR 覆蓋信號分為靜態(tài)共享波束（Static Shared Beam，SSB）與信道狀態(tài)信息參考信號（Channel State Information Reference Signal，CSIRS）。SSB 采用時分掃描機制，其窄波束相對于4G 寬波束有5 dB 左右的增益，覆蓋深度更好。同樣20 MHz 帶寬，5G 下行理論峰值體驗增益15＆，而上行速率因5G 終端支持2T，上行峰值體驗增益可達(dá)80＆，且整體功耗低于5G TDD，有利于5G 終端用戶駐留。

3 頻譜共享發(fā)展

3.1 FDD/TDD 鏈路預(yù)算對比

鏈路預(yù)算是蜂窩通信建設(shè)的關(guān)鍵步驟。在蜂窩通信中，為了確定有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落或其他限制因數(shù)。如圖1 所示，鏈路預(yù)算中，上行鏈路主要限制因素是終端到基站的接收靈敏度。而對下行鏈路來說，主要限制因素是從基站到移動臺之間基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關(guān)系，有效合理規(guī)劃站點，使用戶在小區(qū)覆蓋半徑內(nèi)獲得更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量體驗。如表1 所示，上下行鏈路計算是實現(xiàn)上下行鏈路平衡的關(guān)鍵，是保證在兩個方向上具有同等的話務(wù)量和通信質(zhì)量的主要因素，也關(guān)系到小區(qū)的實際覆蓋范圍。通過對比發(fā)現(xiàn)，低頻FDD 相比高頻TDD具備更低的鏈路損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)更廣覆蓋和深度覆蓋[3]。

表1 FDD/TDD 鏈路預(yù)算對比

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)空口路徑損耗鏈路

3.2 FDD/TDD 3D 仿真驗證對比

隨著通信技術(shù)以及輔助手段的發(fā)展，為更加貼近實際網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，通過3D 仿真技術(shù)來模擬各個傳播模型以及頻段制式下網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況有利于現(xiàn)網(wǎng)站點合理規(guī)劃部署。3D 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)結(jié)合3D 高精度地圖和射線追蹤模型來模擬出信號傳播路徑中的反射、繞射、散射、穿透等現(xiàn)象，能夠獲得比傳統(tǒng)經(jīng)驗傳播模型更精細(xì)、更合理、更準(zhǔn)確地規(guī)劃仿真結(jié)果，且更適合于傳播環(huán)境復(fù)雜的城區(qū)環(huán)境。FDD NR 3GPP 協(xié)議推薦使用Sub3G 頻譜，相比TDD NR 網(wǎng)絡(luò)較高的頻譜（如C 波段的毫米波），在反射、繞射、穿透和傳播能力更弱。將仿真技術(shù)演進(jìn)與傳統(tǒng)的經(jīng)驗傳播模型相結(jié)合來模擬5G 高低頻的傳播特征。傳統(tǒng)主城區(qū)TDD NR 和FDD NR 高低頻傳播模型仿真示意效果如圖2 所示，密集城區(qū)環(huán)境中，同點位分別部署高頻TDD 站點和低頻FDD 站點對比仿真效果。淺灰、中灰、深灰代表趨勢為仿真覆蓋效果由好變差，即綠色覆蓋最好、紅色最差。因此從覆蓋角度來看FDD NR 能夠明顯彌補高頻TDD NR 深度覆蓋不足問題。證明通過FDD/TDD 高低頻融合組網(wǎng)，將有利于解決當(dāng)前5G 深度覆蓋不足，上行覆蓋受終端發(fā)射功率限制，TDD 容量覆蓋不均衡等難題。

圖2 TDD/FDD NR 3D 仿真結(jié)果

3.3 FDD/TDD 協(xié)同覆蓋技術(shù)

C-Band TDD 系統(tǒng)擁有大帶寬，是構(gòu)建5G 增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）業(yè)務(wù)的黃金頻段，同時也是全球多數(shù)運營商5G 首選頻段，但是NR 上下行時隙配比不均以及gNodeB下行功率大，導(dǎo)致C-Band TDD 系統(tǒng)上下行覆蓋不平衡，因此，上行覆蓋受限成為5G 網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[4]。且隨著波束賦型、CRS-Free 等技術(shù)的引入，下行干擾會減小，C-Band TDD 系統(tǒng)上下行覆蓋差距將進(jìn)一步加大?；谏鲜鲈颍?GPP協(xié)議定義了NR 與LTE 部分相同頻率可以互相使用，通過FDD 設(shè)備DSS 技術(shù)實現(xiàn)LTE 部分頻段可以通過清頻方式或者融合方式接入NR[5]。同時上下行解決定義了新的頻譜配對方式，使下行數(shù)據(jù)在C-Band傳輸，而上行數(shù)據(jù)在Sub-3G 頻段（如2.1 GHz）傳輸，從而提升了C-Band 上行覆蓋能力。上下行解耦打破了全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）、通用移動通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）和LTE 小區(qū)只有一個下行載波和一個上行載波的傳統(tǒng)的方式，使得NR 小區(qū)可以有一個下行載波（C-Band TDD 下行載波）和兩個上行載波（C-Band TDD 上行載波和Sub-3G 頻段SUL 載波）。為了避免同頻段NR 與LTE 之間干擾，協(xié)議規(guī)定NR 可以依據(jù)LTE 的小區(qū)參考信號（Cell-Specific Reference Signal，CRS）子載波位置進(jìn)行NR 側(cè)時域資源映射，能夠保證NR 的PDSCH 數(shù)據(jù)能夠繞過LTE 的CRS 子載波進(jìn)行映射，確保有效利用這部分子載波。NR 與LTE 可以設(shè)計不用子載波間隔來確保二者之間不完全正交，但是NR 需要一定的頻域保護間隔進(jìn)行規(guī)避，NR SSB 與LTE CRS 之間的相互干擾通過時域規(guī)避等手段來減弱干擾。因此頻譜共享是FDD/TDD 5G 網(wǎng)絡(luò)走向融合的關(guān)鍵，是實現(xiàn)4G/5G 用戶遷移重要手段[6]。

圖3 FDD/TDD 高低頻協(xié)同組網(wǎng)

4 結(jié)語

多網(wǎng)融合、雙制式融合已經(jīng)是5G 發(fā)展主流趨勢。運營商不但需要考慮建設(shè)成本、運營成本、用戶遷移問題，還需要對現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行整改來降低運營成本、提升網(wǎng)絡(luò)運營質(zhì)量。FDD 和TDD 作為網(wǎng)絡(luò)兩種關(guān)鍵技術(shù)路線在5G時代必須走向融合，從而加快5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高5G 網(wǎng)絡(luò)用戶接入率，提升運營商業(yè)務(wù)經(jīng)營能力。隨著5G 終端不斷入網(wǎng)，TDD 作為網(wǎng)絡(luò)容量層已經(jīng)成為既定事實。仿真結(jié)果表明，進(jìn)一步滿足基站深層覆蓋和偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋必須輔以FDD 低頻技術(shù)，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全面覆蓋及關(guān)鍵能力應(yīng)用。