5G时频双聚合方案

5G建设在全球铺开，截至2020年2月，全球已有77张5G网络，119个国家的348个运营商已建设或准备建设5G网络。初期，5G网络主要面向eMBB应用，包括AR、VR、高清视频及其他各种2B业务。这些应用对移动宽带网络上行容量和传输时延都有极高的要求，采用3.5GHz频段部署单层网难以完全满足需求。面对挑战，中兴通讯提出了5G时频双聚合技术方案。

3.5GHz频谱资源分析

频谱是移动通信领域的核心资源。目前，全球主要国家与地区均已进行5G新频谱的拍卖。5G频谱分散在多个频段，不同频段各有优劣，没有更好，只有对某类服务适合不适合。截至2019年12月，3GPP标准共定义了49个5G NR频段，其中TDD模式16个（4个为毫米波频段）、FDD模式22个、SUL模式8个和SDL模式3个。这些频段中大部分与4G LTE频段重叠，资源目前正被4G使用。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（仅30%），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。如此一来，运营商即使获取了100MHz频谱带宽，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。可见采用3.5GHz频段的5G网络上行带宽相比4G优势并不明显。

－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。用户位于室内时，采用3.5GHz相比2.1GHz频段的穿透损耗多达6dB（不同建筑物略有差异）。再加上TDD模式上行时隙少，又降低了上行传输能力。因此3.5GHz频段的5G网络上行覆盖能力相比低频段的4G先天没有优势，要靠后天补。

－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。TDD频段也因为这一点不适合用于1ms URLLC超低时延业务。

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，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。

5G时频双聚合是将FDD和TDD频谱相结合的技术。该技术利用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，覆盖和时延方面比FDD弱。早在4G网络中，FDD+TDD下行载波聚合技术就已成熟应用，上行载波聚合技术则因终端成本原因未得到普遍应用。5G终端能力起步高，上行均支持双发（双通道），硬件能力上具备了上行跨频段载波聚合条件。5G时频双聚合技术正是在载波聚合基础上提出的一种网络性能增强技术。

如下图所示，运用5G时频双聚合技术后，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。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。

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，时隙关系和轮发机制如图2所示。以2.1GHz 20M和3.5GHz 100M双载波为例，终端上行最大可以获得74M等效带宽，其中2.1GHz可折算为14M等效带宽（让出30%时隙避开TDD传输），3.5GHz可折算为60M等效带宽（30%时隙，2x2 MIMO）；终端下行总共可以获得360M等效带宽，其中2.1GHz可折算为80M等效带宽（100%时隙，4x4 MIMO），3.5GHz可折算为280M等效带宽（70%时隙，4x4 MIMO）。

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。主要因为上行受终端最大发射功率（26dBm）限制，而且时隙占比较少。所以终端往往是因为上行受限而脱离5G网络服务，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。

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%。时延降低后对终端业务体验会很有帮助。同等带宽条件下，时延和业务速率成反比，因此时延降低后端到端业务速率会得到抬升。

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，不必强制要求FDD和TDD载波共站或共工参，组网上具有很大的灵活性。在组网环境下，每个终端都可以同时测量多个FDD和TDD邻区载波信号，5G时频双聚合技术基于测量结果为终端动态选择最佳FDD+TDD载波组合。FDD和TDD载波都有独立的上下行链路，都能广播，都支持终端直接接入，测量和功控等闭环操作完备，因此各自都能独立组网。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。

因此，在组网灵活性方面，时频双聚合相比上下行解耦（SUL）技术有巨大优势。SUL载波并不是一个独立载波，它只提供上行传输能力，且一个SUL载波只能固定绑定一个TDD主载波，反过来也是一一绑定，SUL载波必须与TDD主载波严格共工参（同覆盖）。在某个TDD主载波覆盖范围内，终端无论位于哪里，只能使用网络固定的唯一SUL载波进行上行补充，无法根据测量结果选择邻区更好SUL载波，因此SUL性能无法得到保障，而且还会引入SUL的上行干扰问题。

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，FDD+TDD载波聚合会对站间协同接口（Xc）提出严格的传输时延要求。可通过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。

根据中兴通讯完成的业界首个基于2.1GHz和3.5GHz频段的5G时频双聚合方案验证结果表明，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。

当前，全球一些主要运营商已经计划在700MHz和2.1GHz等FDD频段部署5G，预计2020年内就会有一定建设规模。对于无法获得FDD新频谱的运营商，也可以在现有4G频谱基础上引入LTE/NR动态频谱共享（DSS）技术，加速5G FDD部署进程，不必等到4G容量下降时才能重耕为5G。推荐5G时频双聚合技术与DSS技术同时应用，双管齐下，在建设初期助力运营商快速打造出优质5G网络，提供更好的用户体验。