突破速率瓶颈:5G上行如何“向上”?

发布于:2022/7/27 10:34:23 | 3338 次阅读

    当前,数字化、智能化已经成为经济社会发展的关键驱动力,5G作为连接平台的巨大潜力也正持续凸显,而随着与工业、医疗、交通、教育等各个行业的持续深度融合,围绕5G上行能力的发展也正越来越被业界所关注,那么,在5G发展近四年的时间里,5G上行还能如何“向上”?
    
    需求下的上行“疾走”
    ITU对于5G的定义包含三大类典型应用场景,即eMBB( 移动宽带增强 )、uRLLC( 超高可靠超低时延通信 ) 和 mMTC( 大规模物联网 )。相比于传统4G网络,5G在速率、时延、连接等方面均具有很大优势,赋能各行各业展开数字化建设,而在ToB众多业务场景中,以及未来更多面向AI处理的创新应用,都对网络上行能力提出了更高要求。
    其中,传统的5G toC业务以eMBB为主,通常对下行速率和容量有较高要求,因此5G公网的TDD帧结构中下行时隙占比较大。然而,5G toB应用尤其是工业互联网场景对5G的时延能力提出了极致要求,如在智慧工厂、智慧港口等工业互联网场景中,5G应用开始从行业辅助生产环节向核心生产环节延伸,行业核心生产环节涉及到的机器运动控制、机器间协同、机器视觉AI检测等应用。
    随着数字经济的快速发展和在国民经济中的地位日益凸显,行业数字化的推进也在加速。
    通过对港口、钢铁和智慧矿山的典型业务场景分析可以看出,当前5G的大上行带宽能力可以满足大部分企业存在的对于高清监控、远程操控、机器视觉等典型应用场景的需求,快速推进企业的自动化、信息化和数字化平台的构建,为企业减少成本、提升效率。因此,5G的大带宽能力不仅5G网络的核心能力,也是企业的迫切需求,将在5G行业数字化进程中快速商用。
    可见,当前5G网络虽然在上下行速率以及时延上有了革命性的提升,但受制于频谱、时隙配比等因素,在上行能力上仍然与ToB行业需求存在一定差距,而从移动网络自身的特点和发展来看,大上行带宽能力是运营商可以最先实现、最早商用的能力,并且可以解决当前企业存在的大部分自动化、智能化的需求。
    时隙下的技术突破
    众所周知,移动通信系统有两种双工方式,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;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。
    目前,我国5G商用网络主要采用TDD模式。在TDD模式下,时隙是一种重要的资源。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。
    而针对5G上行能力的提升,当前主流方向,一方面是通过在当前上行通道的基础上聚合更多频谱、更大带宽,来提升上行能力,主要技术包括SUL上行增强、上行载波聚合等;另一方面则通过调整TDD频段的上下行时隙配比,增加上行时隙资源,来提升上行能力。目前,以华为、中兴、爱立信为代表的设备商纷纷依托技术突破,持续突破5G上行速率。
    具体来看,SUL上行增强采用了上下行解耦技术,相比传统的TDD模式下,上下行共用一段频段,SUL打破了上下行绑定于同一频段的传统限制,实现在原5G TDD频段上新增FDD频段或SUL专属频段来补充上行,提升上行能力,且仅补充上行。
    而中国电信联合华为推出的“超级上行”技术正是通过FDD/TDD协同、高频/低频互补、时域/频域聚合等三种方式大幅提升网络上行能力的一种技术,以满足千行百业和普通用户在深度覆盖场景下对上行大带宽的迫切需求。
    在上行载波聚合上,无线网络的载波宽越大,单位时间内传送的数据就越多,网速就越快,但由于单载波的最大带宽有最大技术限制,同时,由于移动通信网络没代都要为运营商分配不同的频谱资源,这导致了运营商拥有的频谱资源是分散的、不连续的,因此,载波聚合技术则是将两个或多个载波“捆绑”,将分散的频谱资源聚合为大带宽,来提供更快的网络速率,并提高频谱利用效率。
    此前,爱立信、Telstra和高通三方合作,利用爱立信的NR-DC和载波聚合软件特性,充分利用Telstra的频谱实现了如此高的上行峰值速率,实现约1Gbps的上行峰值速率,能够支持Telstra将其现有5G网络的上行吞吐量提高一倍以上,也一举创造了最高上行峰值速率的新记录。
    记者了解到,为了满足行业应用的上行大带宽诉求,最简单直接的办法就是改变当前5G TDD系统中的时隙配比,通过增加上行资源提升上行能力。在5G TDD系统中,目前5G主流时隙配比为8D2U和7D3U等,分配的下行资源远高于上行。若改变时隙配比,将更多的资源分配给上行,就可提升上行峰值速率和容量。
    日前,四川电信与中兴公司联手,在成都市凤凰山体育馆完成了现场场景数码室内分系统QCell商用,并通过1D3U大上行、交叉时隙干扰等技术,极大地改善了上行速率。
    值得一提的是,今年五月,中国电信联合华为推出了超级时频折叠创新技术,通过TDD双载波上下行时域互补模拟FDD空口,将TDD大带宽优势与FDD空口“0等待”时延优势完美融合。基于3.5G Hz频段,超级时频折叠上行等效频宽高达100M Hz、可实现超过1Gbps的上行峰值速率,同时将端到端时延从10ms缩短至4ms以内,进一步提高了5G上行能力,也为5G-Advanced的深化发展夯实了新基础。
    面向5G-Advanced:上行创新永在路上
    经过近四年的发展,在各方共同努力下,我国5G网络覆盖的广度和深度不断拓展,5G应用不断走深向实,在稳投资、强产业、促消费、助升级等方面发挥重要作用,为赋能制造业数字化转型、提升产业链供应链韧性、推动经济高质量发展注入了强劲动力。
    然而,当前的5G行业应用,多集中在辅助生产环节,这一类行业应用占比50%,现有5G技术基本能够满足,但在核心生产环节,对网络的大带宽、低时延、可靠性要求更为苛刻。现有5G网络能力无法满足行业核心生产环节的要求。
    2021年12月,3GPP确定了5G-Advanced第一个标准版本Rel-18的首批项目,首批立项的28个课题涵盖了5G-Advanced在各个领域持续演进,其中,在赋能垂直行业发展方面,针对5G现有三大应用场景持续增强,新增带宽实时交互,上行超宽带,通信感知融合三大场景,将5G“三角形”扩充为5G-Advanced“六边形”,全面优化和提升5G确定性网络能力。
    今年6月,在匈牙利布达佩斯召开的3GPP TSG第96次会议上,3GPP R17标准宣布冻结,其中,R17针对7GHz以下频段、毫米波、非地面网络的多样化部署,R17为上行控制和数据信道设计引入多个增强特性,包括上行数据通道(PUSCH2)、上行口控制通道(PUSCH3)、Message 3,尤其是增加了重传次数以提升可靠性,还有跨多段传输和跳频的联合信道估计,而R17标准的冻结也代表着以5G-Advance为核心的Rel-18正式启动。
    无疑,5G行业数字化的潜力正日益凸显,5G通过自身大带宽、低时延、广连接的优势,将过去 20 年里行业市场中碎片化的无线连接技术进行归一化、产业化、规模化也是必然趋势。
    因此,面向未来,行业数字化的参与方需要共同努力,在5G构建的宽管道之上,结合云和AI等技术,为行业数字化注入新的动能。
    其中,运营商作为联接领域的专家,面向当前的行业需求以及未来需求的持续增长,运营商需要提前在网络规划方面进行准备,以储备上行能力。根据行业在广域、局域范围,以及封闭或者开放的场景需求,以及对上行容量以及上行覆盖的不同要求,可以通过5G专属帧结构、SUL上行增强和上行载波聚合等关键技术,同时辅以多频组网、小区分裂和毫米波组网等方式配合,共同提升上行能力。
    而设备制造商将持续创新,将5G技术标准的定义、发展和演进与行业的需求解决起来,构建更加全面的网络能力以满足各个行业的需求,并基于以上的技术方向尽快推出相关网络设备,终端厂商也要加快推出相应的芯片、模组等,以快速适配不同行业场景需求,降低各行各业实现自动化需求的端到端成本,共同做大移动连接的行业市场规模。
    罗马不是一天建成的,从5G到5G-Advanced,无线通信将不断突破能力边界,最终形成规模效应,持续深化数智社会转型。
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