经过两年发展,5G网络已经成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键数字基础设施,3G、4G是个人移动互联网时代,日常的手机互联网场景主要是接收移动互联网数据,使用的是移动通信网的下行能力,因此下行速度是评估网络的重要性能指标。但随着5G与万物互联的发展,以AR/VR、4K/8K高清视频直播、短视频等为代表的业务对上行速率的需求越来越强烈。

 

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场景驱动:5G上行成关键

传统4G时代,普通用户对下行速率要求比较高。但是,随着5G的推进,业务需求也正潜移默化的发生改变。

 

在To C场景下, 随着用户体验要求的提高、清晰度的提升、内容的丰富化、用户群体的扩大等呈逐步提升,如超高清视频、沉浸式游戏、全息视频、下一代社交网络等业务等,这些都对网络能力的需求不断提升。

 

《2020年中国网络表演(直播)行业发展报告》显示,截至2020年底,我国直播用户规模已经达到6.17亿,全行业网络主播账号累计超过1.3亿。数据统计表明,直播以及短视频越高清越受欢迎,目前互联网视频直播主打速率已达8Mbps,甚至有宣称高达20Mbps的极清业务,这就对移动网络的上行速率以及网络容量提出要求。

 

而在To B场景上,行业要完成数字化、智能化的要求,首先就必须能清晰获取底层的大数据信息。例如,周边环境的高清视频和图片、感知数据(温度、位置等),并且底端的采集点的数量远高于普通移动用户,因此不但要满足单个采集点的大数据实时上传,还必须能满足整个采集区域里海量的上行数据的实时上传等要求。因此,大上行能力更成为行业数字化刚需。

 

众所周知,5G NR(New Radio,新空口)有两种双工方式,即TDD和FDD。FDD叫频分双工,上行通信和下行通信分别在两个独立的(对称的)频率信道上传送,优点是互不干扰、资源对等、覆盖范围广,缺点是带宽较窄,700M、800M、900M、1.8G、2.1G等主流频段属于FDD;TDD叫时分双工,上行和下行在同一频率信道上传送,两者通过时间间隔来分离,这种模式的好处是带宽大,缺点是频段高、带宽小,即中高频上行覆盖不足、上行时隙占比少,当前5G商用网络采用TDD模式。

 

而在TDD模式下,时隙成为重要的资源。考虑用户上网主要以看视频、浏览网页、下载内容等为主,对网络带宽的需求主要集中在下行,运营商过去一直将更多的时隙资源分配给下行,让网络下行峰值速率和容量远大于上行。

 

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据中信科移动5G产品线市场总监陈博介绍,5G主力频段3.5G为2.5ms双周期,2.6G为5ms单周期,时隙占比均以下行时隙为主,3.5G、2.6G频段上行时隙占比分别为30%、20%。3.5G、2.6G频段较高,相比于低频段的传播损耗和穿透损耗大。

 

并且,5G TDD-NR基站一般都采用大规模天线阵列,天线数目的增多为传播信道提供了更多的复用增益和分集增益,使得系统在下行方向拥有更好的性能。

 

中兴通讯RAN产品方案总监倪燕子指出,在上行方向,终端的发射功率限制了5G上行的覆盖。此外,终端体积限制了天线数量,无法利用Massive MIMO,再加上TDD上下行时隙配比的差异等,进一步扩大了上下行覆盖的差距,因此5G的覆盖完全受限于上行链路,特别是当5G基站和4G基站共站点部署的情况下,两个不能达到同覆盖、会出现5G覆盖不连续等问题,降低用户体验。

 

无疑,5G上行能力的提升,需要从多方面来支撑,而随着5G R16标准的冻结与产业链的不断推进,进一步解决了5G上行能力不足的问题,提升5G用户体验。

 

进入标准:5G超级上行打开新天地

2020年7月,在3GPP TSG第88次会议上,5G R16标准宣布冻结,其中,作为5G R16的关键特性之一,由中国电信引领完成的5G超级上行核心标准在此次会议上获得通过,纳入3GPP全球统一规范。

 

超级上行在3GPP标准中命名为UL Tx switching(上行发射机切换),是5G演进版本中引入的新特性。超级上行技术通过终端发射机切换,在上行链路以时分复用方式使用低频FDD载波和高频TDD载波。从而在时频域充分聚合FDD上行多时隙和TDD上行大带宽的优势,最大化利用上行资源。超级上行技术可实现网络容量、覆盖性能的提升,以及更低的空口时延,全面满足5G时代应用对于更高上行速率和更低时延的需求。

 

据华为相关负责人介绍,UL Tx switching的标准,关键词便是切换(switching)。通过手机发射机在两个载波间不断动态切换,相当于在TDD旁边开了一条FDD车道,在TDD的下行时间,由FDD承担上行,而在TDD的上行时间,便同时工作,实现3.5GHz上行双流或者3.5GHz+2.1GHz各一流,确保上行实时高速在线。

 

据了解,华为的“SUL 上行增强解决方案”,就是通过TDD和FDD协同,高频/低频优势互补,TDD+FDD全时隙发送,突破了上行速率的瓶颈,提升上行网络体验。

 

在今年的厦门马拉松,厦门电信采用华为的创新“SUL 上行增强解决方案”上行增强技术,在比赛现场实现了8K VR直播、比赛参赛者也可以个人设备通过5G进行实时360全景直播,将现场超高清、超流畅、沉浸式实时直播至广大观众面前,让未能到场者亦能体验到赛事盛况。

 

而对于上行需求远大于下行需求的封闭场景,例如地下矿山等,华为推出的“专属帧结构解决方案”,通过在封闭场景中引入特殊的时隙配比,如下行与上行配比为 “1下3上”的方式,来增加上行资源的调度,大幅提升上行容量。

 

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而为了可进一步解决5G上行能力不足的问题,中兴通讯在今年2月提出业界首个智能编排网络方案,提升5G用户体验。

 

据倪燕子介绍,在智能编排引擎的驱动下,通过用户编排和网络编排的协同来实现网络潜力的深度释放,针对2B和2C的大上行需求,智能编排可通过用户编排和网络编排灵活满足,如帧结构灵活调整等,进一步提升5G用户体验。

 

今年6月,中国联通携手中兴通讯发布业界首个无线智能编排网络在辽宁大连的商用试点,用户编排实现了用户体验和驻留比的双提升,NR用户上行速率提升达200%,上行低速用户占比降低50%,切换时延降低50%,流量驻留比大幅提升。同时,网络编排在4G/5G动态频谱共享时根据话务需求自适应调整频谱配置,在4G网络接入用户数和流量保持不变情况下,5G用户拉网速率提升20%~130%,为4G/5G动态共享场景下的NR用户体验提升及简化运维带来了新的可能性。

 

融合推进:实现5G最大价值

5G商用两周年,我国已累计建成5G基站超80万,基本实现地市级及以上城市的5G覆盖,但需要指出的是,我国5G仍处于建设初期,作为连接社会万物的通道,如何使5G最大地发挥其价值能力,是5G技术探索中较为重要的课题。

 

面向未来,5G还需持续演进和发展,满足更多应用场景诉求,而针对不同的网络发展策略、频谱策略、以及用户和行业发展需求等,运营商需要从产业链、商用部署和网络性能方面综合考虑如何选择适合的上行增强技术,针对To B场景,技术的选择和发展还将和To B行业的整体商业模式息息相关。

 

而从技术层面来看,2.1G覆盖能力比3.5G高5.1dB,700M覆盖能力比2.6G高9.4dB,利用FDD低频补充TDD中高频上行覆盖,也将有效地提升网络整体覆盖能力,但随着5G商用进程的推进,5G的站点选择已经不局限于和4G共站部署。因此,上行增强技术需要支持多个频段、多个站点之间的灵活调度和协同能力。不能只局限于F+T共站部署的场景,而是能灵活支持共站部署、跨站协同,以及宏微协同等都能保持性能的一致和问题,降低工程部署局限行。

 

除此之外,5G上行还存在终端能力有限的问题,由于终端发射功率和天线数量受限,使得上行覆盖容易受限,导致上行覆盖不足问题,在特殊应用场景,可以考虑提升终端能力,但提升终端能力必然会带来终端能耗提升的问题, 产业链必须考虑系统和终端的支持能力、网络的演进能力、标准协议的支持能力、成熟商用部署经验等因素。

 

无疑,技术的迭代发展,是为了更好地支撑行业,需以行业的实际需求为主,重点突破。只有将5G融入到交通、医疗、工厂、旅游、教育等各行各业,才能够实现5G改变社会的愿景,而面对To C与To B场景5G上行新需求,还需产业链及社会各行各业,积极探索5G上行的用武之地,推动5G业务发展。

 


来源:通信产业网
作者:党博文