5G毫米波業務需求和靈活幀結構方案分析

1 概述

回顧移動通信網絡演進的歷史，可以看到2 條明顯的發展脈絡。一條是以移動網絡能力為代表的移動通信技術的發展，一條是承載在移動網絡上的業務的發展與變化。隨著技術的發展，移動通信網支持的速率快速增加，服務能力不斷增強，以移動互聯網應用為代表的移動視頻、手游、移動支付等業務應用得以迅猛發展。而不斷豐富的業務類型，反過來對移動通信網的容量、速率和服務能力提出了更高的要求。

目前三大運營商已經開始大規模建設5G網絡，通信系統的演進必將帶來更加豐富多樣的業務類型，增強現實、虛擬現實、超高清全景視頻等多種高容量、高速率應用即將迸發，推動人類社會信息交互方式的進一步升級。

毫米波擁有超大帶寬資源和靈活彈性的網絡配置能力，可以滿足和適應未來通信更高速率和差異化業務應用的需求。盡管現階段高頻段毫米波的發展面臨諸多挑戰，但隨著相關技術的不斷突破和高頻器件產業的持續發展，毫米波及更高頻段憑借其豐富的頻率資源的天然優勢，必然成為現階段5G 乃至未來B5G/6G通信技術的重要組成部分。

目前毫米波產業鏈已經在高頻器件性能、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面開展了很多研究。運營商也已經開始從系統應用角度考慮5G 毫米波部署和應用問題。參考文獻［6］分析了毫米波系統關鍵技術，并提出推動毫米波產業發展的工作建議。參考文獻［7］提出毫米波的幾種主要的部署場景，進一步提出了設備和終端的發展要求和網絡部署規劃。

隨著對業務需求的深入研究，毫米波應用場景和具體需求也逐漸變得明晰，特別是在大上行業務需求逐漸增強的情況下，毫米波如何更好地適應業務需求成為人們關注的重點。本文首先簡要分析毫米波系統特點，對5G 業務需求進行深入分析，明確毫米波適用場景和具體需求，根據大上行業務的需求，提出適應不同業務需求的毫米波幀結構和靈活幀結構方案，并對方案可行性進行分析。

2 應用場景和靈活幀結構需求分析

2.1 應用場景分析

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G 毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的園區環境。經過多次行業會議和研討會討論，業界已經明確毫米波典型的部署場景，具體如下：

a）行業專網場景。5G 毫米波系統與MEC、AI 技術相結合，可以為覆蓋區域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求。

b）品牌價值區。毫米波在部署初期將與6 GHz以下頻段的5G 系統結合，形成5G 系統高低頻混合組網方式，用于重要品牌價值區域的覆蓋，提升品牌價值，或者用于人流密集場所和熱點區域的吸熱，提供進一步的大容量上傳能力。

c）大帶寬回傳場景。毫米波可以作為無線回傳鏈路，利用高達800 MHz 帶寬、10 Gbit/s 的系統峰值速率，可應用在一些無法布放光纖或布放光纖代價過高的固定無線寬帶場景，或者毫米波自回傳組網場景。

2.2 典型業務需求分析

體育場館是毫米波應用的典型場景。毫米波與sub 6 GHz系統相結合，為場館提供無線網絡服務。具體業務需求包括：場館內電視臺媒體的4K、8K 攝像轉播，實時VR 影像、運動員視角影像等多角度實時體驗業務，滿足公眾自拍直播和場館安保等業務服務。

2.2.1 轉播和攝像需求分析

在運動會中，比賽場館眾多，比賽場地頻繁更換，運動員和觀眾等人員位置也隨時移動更換。攝像機借助高帶寬和高速率的毫米波進行轉播和攝像，能夠避免重復布線工作，更加靈活快捷。

如圖1所示，以滑雪賽道場景為例，在競賽區域部署固定機位和移動機位，并且部署VR 4K 直播機位。各機位的網絡容量需求如表1所示。則區域網絡上行帶寬需求可達1.3 Gbit/s左右。

圖1 毫米波系統部署滑雪賽道場景

表1 攝像機位網絡容量需求

2.2.2 360°全景觀賽

冬奧會場館部署360°攝像頭+5G毫米波網絡進行比賽直播，電視觀眾不再只能固定欣賞平臺拍攝的畫面，可以隨意選擇鏡頭和角度，改變觀賽視角。

以VR 觀賽為例，如果賽場4K VR 席位100 個，8K VR席位50個，VR的網絡容量需求如表2所示，則區域網絡下行帶寬需求可達7.5 Gbit/s左右。

表2 VR網絡容量需求

2.3 靈活幀結構需求

5G 時代的通信業務需求將會更加多樣化，傳統eMBB 業務以下行容量需求為主，但如安防監控、遠程醫療等大帶寬上行需求正日益凸顯，現階段固定化的組網方式和資源配置難以滿足差異化的業務需求，需要更靈活的資源配置和協同融合的彈性網絡。圖2給出了5G業務場景。

圖2 5G業務場景

即使在同一個行業應用的不同時段，也需要靈活地配置上下行網絡容量資源。以安防監控為例：在日常監控中，4K 高清攝像頭將監控視頻圖像回傳網絡，需要大帶寬上行業務保障能力；突發安全事故后，需要將事故發生時的視頻和目前實時監控視頻發送到附近警衛終端，快速告知情況，需要大帶寬下行業務保障能力；出警后，監控中心和警衛間需要實時進行視頻遠程互動，需要上行和下行保障能力。圖3 給出了安防監控系統的工作流程。

圖3 安防監控系統的工作流程

在頻譜和帶寬動態共享的前提下，網絡還需要具備靈活調整上下行網絡容量的能力。TDD 網絡是時分雙工網絡，可通過調整上下行時隙結構來調整上下行網絡容量。

3 毫米波靈活幀結構

在26 GHz 頻段5G 毫米波系統幀結構討論中，中國聯通首次提出基于上行增強的毫米波幀結構配比方案，用以滿足未來更加豐富的上行業務需求。目前行標中3種幀結構如圖4所示。

3 種方案皆為0.625 ms 周期，對應120 kHz 子載波帶寬。3 種幀結構上下行時隙比例不同，Option1 幀結構下行與上行比例為3.24；Option2 幀結構下行與上行比例為0.31；Option3 幀結構下行與上行比例為0.79。3種幀結構中，后2種充分考慮了上行業務需求。

圖4 5G毫米波系統Option1、Option2和Option3幀結構示意圖

在高低頻混合組網中，3.5 GHz 頻段5G 系統用于城市基礎網絡，幀結構要求相對穩定；26 GHz 頻段5G毫米波系統用于滿足行業應用，幀結構可以根據網絡需求靈活調整。

在彈性網絡中，可以根據覆蓋區域長時間的業務情況進行預測調整，也可以根據5G行業應用的突發性進行上下行幀結構快速調整，滿足5G 行業應用需求，也可以有效面對演唱會等對上行帶寬需求明顯的公網場景需求。

4 毫米波不同幀結構性能分析

采用不同幀結構方案，會影響毫米波系統容量、傳輸時延、覆蓋距離等關鍵性能。

Option 1、2、3 具有不同的上下行時隙占比，參考3GPP TS 38.306 協議對不同幀結構峰值速率的計算方式，可得如圖5 和表3 所示26 GHz 毫米波系統不同幀結構上下行網絡容量的對比結果。

可以看出3 種幀結構在總體容量上無較大差異，不同幀結構上下行容量分配有差異，可以較好地滿足了下行為主、上行為主和上下行均衡3 種業務需求。同時，考慮不同組網架構，在園區內毫米波基站SA 組網時，可采用DDDSU 與DDSUU 滿足設備性能要求。對于NR-DC 組網場景，下行信令開銷降低，采用DSUUU方案亦可滿足上下行容量需求。

圖5 毫米波不同幀結構峰值速率對比

表3 毫米波系統不同幀結構上下行網絡容量的對比

5G 毫米波系統不同幀結構上下行空口時延對比如表4 所示。其中DDSUU 理論初傳時延約1 ms，DDDSU 與DSUUU 的初傳時延則分別增大了25%與20%；在10% HARQ 一次重傳時延對比中，DDSUU 理論時延為1.5 ms，DDDSU與DSUUU的重傳時延則分別增大了25%與20%。

表4 毫米波系統不同幀結構上下行空口時延對比

3種方案時延最大相差0.3 ms（空口），這種空口時延差異在端到端時延中影響較小，并且考慮到目前暫無對0.1 ms 級時延敏感的應用，3 種幀結構在時延方面的差異可以暫不考慮。

3種幀結構的覆蓋性能差異如表5所示。其中，毫米波頻點為26 GHz，全視角8K 視頻應用至少需要100 Mbit/s 的上傳速率。則在400 MHz 帶寬下，2T2R 的終端選用DSUUU幀結構覆蓋性能最好，在LOS路徑的覆蓋距離可以達到570 m，而DDDSU 上行覆蓋性能最差，只有370 m?？梢钥吹皆谏闲袀鬏敇I務密集區域，采用Option 2 幀結構可以明顯提高LOS 經的覆蓋距離。

表5 毫米波系統不同幀結構覆蓋性能對比

綜上可知，3 種方案在容量和覆蓋方面具有較明顯的性能差異，在未來應用中需要根據具體場景需求進行靈活的選擇和轉換，比如在專網場景中選擇大上行Option 2幀結構，在廣場區域選擇大下行Option 1幀結構，在超低時延場景選擇Option 3 幀結構等。采用靈活的幀結構符合差異化的行業應用需求，為用戶帶來更極致和貼心的5G服務體驗。

5 結論

本文首先簡要分析毫米波大帶寬、高速率、視距傳播的系統特點，對5G業務需求特別是體育場館的業務需求進行深入分析，明確使用場景和具體的帶寬需求。面對多樣化的業務需求，提出適應不同業務需求的毫米波幀結構和靈活幀結構方案，并對方案進行可行性分析。