5G FDD/TDD 融合組網趨勢研究*

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 系統的發展和部署，高頻段的頻譜資源應用可以增加無線頻譜寬度，提高數據傳輸速率，保障熱點區域容量成千倍提升。根據網絡建設成本及建設效果和基站業務使用情況，低話務5G 覆蓋區域使用高頻組網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，來實現高低頻、時分雙工（Time Division Duplex，TDD）和頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）融合組網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，多普勒效應更為明顯，但高頻反射能力差，在站點深度覆蓋、室內高頻頻譜的多徑效應差，會降低用戶間的相關性。隨著5G 終端普及以及相關產業升級需求，4G/5G 用戶轉化成為當前以及將來主要發展趨勢，大量4G 存量站點需要加快升級轉變以滿足實際網絡需求。

1 網絡制式發展

通信技術發展往往取決于無線基站能力的發展，但是，如今終端產業發展反向刺激無線蜂窩網絡新能力開發，大量舊制式無線基站被動配合終端進行緩慢升級。隨著終端類型發展，網絡能力伴隨App 應用能力強勢而逐漸邊緣化，針對性應用無法匹配當前網絡需求進一步限制5G 網絡應用發展。

截止2021 年2 月，全國累計建設75 萬座5G基站，其中64T64R/32T32R AAU設備占據80＆份額，構成主城區主要容量覆蓋網絡，而4G 基站累計建設超過210 萬座，5G 基站數量與4G 整體基站建設數量比例已達35＆。而當前5G 終端累計出貨量 1.5 億臺，4G 終端累計出貨量達20 億臺，5G 終端總出貨量與4G 終端總出貨量比例為7.5＆，規模5G 用戶月均流量與4G 月均流量比例為2.3＆，遠未達到5G 基站同等數量規模。同時為適應國家信息化政策號召，提前實現全網5G 覆蓋，2021—2022 年度完成鄉村、城鎮、郊區5G 網絡覆蓋，進一步加劇當前網絡割裂狀態。依據網絡當前發展趨勢，4G 部分頻段必然被5G 替換，同時進行用戶遷移，部分4G 頻段保留確保固定用戶業務不受影響，而5G 作為未來主要容量層，將類似于3G/4G 替換一樣完成網絡制式迭代[1]。

2 多因素導致網絡發展走向融合

2.1 高額的建設成本

5G 因其獨特的天線振子設計技，工藝成本遠超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致深度覆蓋和室內淺層覆蓋受限，需要進一步加站處理。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 網絡開啟規模建設和商用。依據財報數據顯示，2015 年到2020 年間，中國移動4G 網絡投入分別為806 億元、567 億元、791 億元、830 億元和657 億元，2021 年這一數字預測為 585 億元，五年之間中國移動在4G 網絡上的投資超過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。中國聯通、中國電信4G基站總數同期分別為85萬個、117萬個。按此估算，加上其他配套設施費用，三大運營商在4G 網絡上的建設至少在8 000 億元規模，同比估算5G 建設費用可達萬億元有余。隨著硬件設施成本急劇上升，通信資費按照政策影響同比下滑，進一步加劇5G 建設成本回收問題的嚴重性。

2.2 高昂的運維成本

網絡運維是傳統通信行業重要成本輸出之一，包含電費、人力、設備折舊、設備運營管理等。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低流量閑小區狀態，30＆的基站貢獻80＆的業務流量，高度不平衡業務模型導致運營成本高居不下。依據財報顯示，三大運營商每年投入運維費用超過4 000 億元，5G 投入使用后進一步提升網絡運營成本。

當前5G 基站多以64T64R、32T32R 設備為主，以單個64T64R 型AAU 站點主設備單日功耗計算，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遠遠超出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 網絡當前并未完全取代4G 網絡，目前形成2G/3G/4G/5G 多制式網絡并存局面。雖然各大運營商通過各種手段在未來兩年內逐步淘汰2G/3G 網絡，移頻至4G/5G 降低運維成本，但受制于現網大量頑固用戶，改制進展緩慢。

2.3 5G 網絡覆蓋需求

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技術（Long Term Evolution，LTE）和新空口技術（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 網絡的能力；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 開通動態頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）功能接入5G 網絡，進一步解決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業務量需求進行的時頻資源動態共享的一種技術。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 的優勢。依據國家信息化建設需求以及當前5G 終端業務發展情況，2021—2023 年需要完成鄉鎮5G 網絡覆蓋。按照4G 用戶業務發展模型規劃來看，鄉村站點業務量占比低于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運維成本。除此之外，低頻段FDD 網絡相比于TDD 高頻網絡，擁有抗干擾強、上行同等帶寬較大等優勢，可作為5G 網絡基礎覆蓋層，實現4G 和5G 融合目標，加快5G 用戶發展趨勢。

2.4 5G 用戶過渡

隨著5G 網絡建設進展逐漸進入平穩期，用戶發展和用戶遷移成為當前網絡建設關鍵，新增5G用戶規模已達7 000 萬，但是實際駐留5G 網絡比例低于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絡提升，實現精準遷移。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 網絡測量報告（Measurement Report，MR）、5G 獨立組網（Standalone，SA）和非獨立組網（Non-Standalone，NSA）混合組網區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鎖網終端識別和5G 價值終端活動區域識別，推動終端廠商盡快升級終端版本反推網絡制式適應；倒流評估包含4G/5G MR 的5G 倒流情況分析，并通過參數調整、套餐引流等方式加快流量遷移。

隨著網絡制式復雜化，終端基帶能力被動適應網絡制式發展。當前終端普遍需要支持三大運營商12 種制式18 個網絡頻段，會進一步提高終端功耗，加深解決“留下來”這一問題的難度。此外，由于當前主流App 和流量業務模型未發生明顯變化，5G 用戶駐留比較低。加快業務模型轉型有利于用戶5G 感知需求度提升，因此需要各大終端廠商和App 開發者共同協作引導，加快5G 生態建設。運營商需加快FDD NR 和LTE 融合，相較與FDD LTE，5G FDD NR 覆蓋信號分為靜態共享波束（Static Shared Beam，SSB）與信道狀態信息參考信號（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 頻譜共享發展

3.1 FDD/TDD 鏈路預算對比

鏈路預算是蜂窩通信建設的關鍵步驟。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。如圖1 所示，鏈路預算中，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射功率。通過優化上下行之間的平衡關系，有效合理規劃站點，使用戶在小區覆蓋半徑內獲得更好的網絡質量體驗。如表1 所示，上下行鏈路計算是實現上下行鏈路平衡的關鍵，是保證在兩個方向上具有同等的話務量和通信質量的主要因素，也關系到小區的實際覆蓋范圍。通過對比發現，低頻FDD 相比高頻TDD具備更低的鏈路損耗，能夠實現更廣覆蓋和深度覆蓋[3]。

表1 FDD/TDD 鏈路預算對比

圖1 無線網絡空口路徑損耗鏈路

3.2 FDD/TDD 3D 仿真驗證對比

隨著通信技術以及輔助手段的發展，為更加貼近實際網絡覆蓋需求，通過3D 仿真技術來模擬各個傳播模型以及頻段制式下網絡覆蓋情況有利于現網站點合理規劃部署。3D 網絡仿真技術結合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、穿透等現象，能夠獲得比傳統經驗傳播模型更精細、更合理、更準確地規劃仿真結果，且更適合于傳播環境復雜的城區環境。FDD NR 3GPP 協議推薦使用Sub3G 頻譜，相比TDD NR 網絡較高的頻譜（如C 波段的毫米波），在反射、繞射、穿透和傳播能力更弱。將仿真技術演進與傳統的經驗傳播模型相結合來模擬5G 高低頻的傳播特征。傳統主城區TDD NR 和FDD NR 高低頻傳播模型仿真示意效果如圖2 所示，密集城區環境中，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，將有利于解決當前5G 深度覆蓋不足，上行覆蓋受終端發射功率限制，TDD 容量覆蓋不均衡等難題。

圖2 TDD/FDD NR 3D 仿真結果

3.3 FDD/TDD 協同覆蓋技術

C-Band TDD 系統擁有大帶寬，是構建5G 增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）業務的黃金頻段，同時也是全球多數運營商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，導致C-Band TDD 系統上下行覆蓋不平衡，因此，上行覆蓋受限成為5G 網絡部署的關鍵技術瓶頸[4]。且隨著波束賦型、CRS-Free 等技術的引入，下行干擾會減小，C-Band TDD 系統上下行覆蓋差距將進一步加大。基于上述原因，3GPP協議定義了NR 與LTE 部分相同頻率可以互相使用，通過FDD 設備DSS 技術實現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，使下行數據在C-Band傳輸，而上行數據在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（Global System for Mobile Communications，GSM）、通用移動通信系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）和LTE 小區只有一個下行載波和一個上行載波的傳統的方式，使得NR 小區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，協議規定NR 可以依據LTE 的小區參考信號（Cell-Specific Reference Signal，CRS）子載波位置進行NR 側時域資源映射，能夠保證NR 的PDSCH 數據能夠繞過LTE 的CRS 子載波進行映射，確保有效利用這部分子載波。NR 與LTE 可以設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行規避，NR SSB 與LTE CRS 之間的相互干擾通過時域規避等手段來減弱干擾。因此頻譜共享是FDD/TDD 5G 網絡走向融合的關鍵，是實現4G/5G 用戶遷移重要手段[6]。

圖3 FDD/TDD 高低頻協同組網

4 結語

多網融合、雙制式融合已經是5G 發展主流趨勢。運營商不但需要考慮建設成本、運營成本、用戶遷移問題，還需要對現在網絡架構進行整改來降低運營成本、提升網絡運營質量。FDD 和TDD 作為網絡兩種關鍵技術路線在5G時代必須走向融合，從而加快5G 網絡覆蓋，提高5G 網絡用戶接入率，提升運營商業務經營能力。隨著5G 終端不斷入網，TDD 作為網絡容量層已經成為既定事實。仿真結果表明，進一步滿足基站深層覆蓋和偏遠地區覆蓋必須輔以FDD 低頻技術，實現5G 網絡全面覆蓋及關鍵能力應用。