5G FDD 通信制式發展與研究

金 淼，樊忠文，夏 燭

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

依據第三代移動通信標準化伙伴項目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）協 議，5G 頻段主要劃分為6 GHz 以下的低頻頻段（Frequency Range 1，FR1）頻段和6 GHz 以上新增高頻頻段（Frequency Range 2，FR2）兩個部分。6 GHz 以下的FR1 頻，包含6 GHz 以下所有通信頻點以及新增的2.6 GHz、3.4 GHz、3.5 GHz 較高頻段，也包含目前4G 網絡（Long Term Evolution，LTE）覆蓋的700 MHz、800 MHz、900 MHz、1 800 MHz 和2 100 MHz 多個較低頻段，目的在于后期網絡架構演進過程中能夠實現平滑過渡。6 GHz 以上頻段即FR2 頻段，頻譜主要覆蓋范圍是24.25～52.60 GHz（毫米波頻譜能夠實現超大帶寬接入）[1]。

當前大規模入網的5G 主承載頻譜集中在2.6 GHz 和3.5 GHz。5G 網絡憑借其頻譜寬度大、外部干擾小的特點，能夠有效滿足熱點區域高速率傳輸、大容量網絡高負荷需求;但是當前未出現革命性應用來觸發4G 至5G 網絡替換轉折點，從而加快網絡架構變更。目前，5G 網絡建設成本與實際5G 業務發展不平衡的問題愈發明顯，大量基站業務使用率低，大面積低話務區域高頻組網成本過于高昂，因此亟需實現低成本部署5G 站點、廣覆蓋5G 信號，從而降低建設成本提升用戶感知。就目前而言，迫切需要探索低頻段覆蓋來解決廣度和深度覆蓋問題來緩解當前時分雙工（Time Division Duplex，TDD）作為主流高頻段制式存在的覆蓋能力不足、基站設備建設成本高昂、單載波功率使用效率低下等眾多問題[2]。

1 5G FDD 網絡制式發展需求

蜂窩通信技術迭代發展往往取決于業務應用需求的擴張，而業務需求的野蠻生長急速加劇了通信負載。伴隨著全球5G 通信步入建設快車道，新增入網的商用終端中75%具備5G 網絡接入能力，5G高流量高話務時代已到來[3]；然而，由于當前缺乏革命性應用來打破LTE 網絡能力上限或者突破LTE網絡承載范圍，5G 重復4G 時代業務使用模型，5G網絡實際大帶寬、海量接入、超低時延特性未能得到有效使用，同時各大運營商運維和建設成本進一步增加。

據工信部6 月份數據統計，截止2021 年第一季度，全球5G 終端累計出貨量約5.3 億部，4G 終端累存量達35 億部（不包含各類窄帶終端），其中國內現網5G 終端占比達到15.1%，5G 用戶產生月均流量占全網4G 和5G 總流量的4.3%，未達到4G 和5G 基站同比規模。截止2021 年5 月，國內三大運營商累計建設超89 萬座5G 基站，其中90%站點所在的建設區域為主城區、縣城或熱點鄉鎮，未達到230 萬座LTE 站點數量的40%，其中64 發射和64 接收通道（64 Transmit 64 Receive，64T64R）和32 發射和32 接收通道（32 Transmit 32 Receive，32T32R）有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）設備占據95%份額，并構成各個主城區主要容量覆蓋網絡。

第五代通信技術是國家信息化基建的關鍵一環，低成本高效實現全網5G 覆蓋成為信息化建設主要方向。4G至5G用戶遷移是5G網絡發展的關鍵，而終端發展節奏明顯快于用戶遷移，且高價值高流量用戶呈現發散性分布，對網絡覆蓋需求要求更高，但是高頻段基站與低頻段基站相比在深度覆蓋方面存在明顯差異。

2 技術方案

2.1 FDD 與TDD 制式對比

TDD 和頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）是移動通信技術中使用的兩種雙工技術。TDD技術上下行在同一頻段上按照時間分配交叉進行，而FDD 則是上下行分處不同頻段同時進行[4]。TDD模式的移動通信系統中，基站到移動終端之間的上行和下行通信使用同一頻率信道（載波）的不同時隙，并用時間來分離接收和傳送信道，某個時間段由基站發送信號給移動終端，另外的時間由移動終端發送信號給基站，且基站和移動終端之間必須協同一致才能順利工作。FDD 模式的特點是在分離的兩個對稱頻率信道上，進行接收和傳送，用保證頻段來分離接收和傳送信號，最大上下行頻率間隔可以達到190 MHz，這種模式大大增加了FDD 使用范圍。

新空口（New Radio，NR）相比LTE 具備更加靈活的載波頻率，這是因為NR 能夠有效支持當前的不成對頻譜。雖然TDD 和FDD 各有利弊，且當前已發展出全雙工技術（Full Duple，FD）大大提升了使用容量，但嚴重的上下行干擾問題依舊無法規避，這是NR 后階段發展的方向[5]。當前通信頻譜分布中，大量存在不成對頻譜配對的情況，而NR 制式能夠在不成對頻譜中實現幀結構設置，從而提高大帶寬使用頻譜范圍；然而由于電磁波具有高頻率低穿透的特性，TDD 高頻制式雖然可以有效利用不成對頻譜從而實現廣域覆蓋，但是面對深度密集覆蓋區域，單純TDD 制式顯現不佳[6]。

2.2 NR FDD 對比LTE FDD

LTE 的子載波間隔固定為15 kHz，12 個子載波共180 kHz，構成1 個無線承載（Radio Bearer，RB）。相應的時域符號長度也是固定的，時域上1 ms 為1 個子幀長度，每個子幀2 個時隙（slot），每個slot 包括7 個符號。

NR 定義了6 個不同的子載波間隔以應對不同的業務場景，載波間隔越小，符號長度就越長，能夠有效控制空口時延。頻域上12 個子載波構成1個RB，時域上1 ms 為1 個子幀，每個子幀有N個slot，每個slot 有14 個符號[7]。

就共性而言，LTE 和NR 在頻域上調度的最小單位都是RB，物理可分割的最小單元都是資源粒子（Resource Element，RE）；但是在頻域上，LTE是按傳輸時間間隔（Transmission Time Interval，TTI）調度的，而NR 是按符號調度。NR 新提出部分帶寬（Bandwidth Part，BWP）的概念，表示網絡側配給用戶的一段連續的帶寬資源，目的是實現網絡資源的靈活分配。BWP 是用戶級概念，1 個小區可能有多個BWP，并配置了不同的系統參數（Numerology）用于承載不同的業務。如圖1 所示，NR 將主同步信號（Primary Synchronization Signal，PSS）、輔同步信號（Secondary Synchronization Signal，SSS）、物理廣播信道（Hysical Broadcast Channel，PBCH）組成了1 個叫靜態共享波束（Static Shared Beam，SSB）的結構體，PSS、SSS、PBCH的作用和LTE 還是一樣的，不同的是NR 中SSB 的位置是靈活可變的，并且可以分布在不同的BWP中，而LTE 的PSS、SSS、PBCH 頻域上固定占用帶寬中心的6 個RB，周期為40 ms。

圖1 FDD NR 與LTE 關鍵技術差異

以目前5G 能力而言，5G 為實現更大速率，需要更大帶寬，以及更多天線的資源疊加；然而這樣做本質上沒有顯著提升頻譜效率，且低時延特性則是通過縮短符號長度、減小調度的粒度（LTE TTI級的調度對比NR 符號級的調度）實現[8]。5G FDD協議的大部分改動也都是圍繞著大帶寬、靈活子幀配比進行的，相比LTE FDD，能夠使用更大帶寬的非連續帶寬，支持16 層的空分復用，從而提高頻譜利用率，降低空口時延。

2.3 NR FDD 智能空口

相比與TDD，FDD 的頻譜資源集中在3G 以下頻譜（sub-3G），因此在LTE 進行共享方面的訴求更強，能夠加快4G 至5G 的過渡。如圖2 所示，當前TDD 使用載波級共享，FDD 通過靜態級波束賦形（Refarming）的頻段獨享已經實現了TTI級的共享，實現利用存量LTE FDD 頻譜建設NR，頻譜重復利用效率更高。5G FDD 可以配置發送2 個SSB 波束，從而提升NR 覆蓋，相比LTE，由于NR 只用單端口發送SSB，且疊加了波束賦形的技術，使得NR相對于LTE 覆蓋總增益為3～5 dB[9]。

FDD 的資源匹配（Rate Matching，RM）特性充分利用了NR 協議的靈活性，提升了峰值和拉網體驗，下行速率增益提升6%。由圖2 可以看出，通過RM 特性，增加了可調度RB 數，提升用戶實際可用PDSCH RB 數，可以有效提升小區下行容量和單用戶下行感知速率。該特性能夠在單用戶峰值和單用戶拉網并保障VIP 用戶場景下，減少信道狀態信息參考信號（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS）符號和PDCCH 頻域資源配置占用，并將剩余RE 資源用于PDSCH 傳輸數據，可以有效提升吞吐率[10]。NR FDD 具備功率聚合功率放大（Power Amplifier，PA）特性，將數據信道的功率匯率到SSB上，從而提升FDD NR 的覆蓋，圖2 的原理是在PDSCH的部分資源上不進行調度，而將這一部分的功率匯聚到SSB 上，用于提升SSB 的功率。

圖2 FDD 資源配置

除了SSB 以外，FDD 制式還可用在信道PBCH、SS、TRS、PDCCH 中。對于PDSCH 信道，也有基于功率匯聚能力的功能，用于提升遠點用戶吞吐率。相較于通帶寬LTE FDD，NR 小區平均容量在2 發2 收（2 Transmit 2 Receive，2T2R）設備上增益10%，4 發4 收（2 Transmit 2 Receive，4T4R）設備上增益30%。在小區和單用戶峰值速率方面，2T2R 和4T4R 增益都是15%，其中增益主要來自基于子帶濾波的正交頻分復用（Filtered orthogonal frequency division multiplexing，F-OFDM）的使用，NR 能夠有效提升約6%，同時NR 支持PDCCH 和PDSCH 共享時隙，開銷減少約4%，從而提升RB 資源利用率。如圖3 所示NR FDD 采用CSI 和解調參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）代替LTE FDD 的CRS 從而減少約5%的開銷。對比LTE CRS寬波束，NR FDD CSI（enhance）窄波束有效提升RB 利用率，實現單位帶寬速率性能提升約15%[11]。

圖3 NR FDD<E 波束增強特性及速率對比

3 5G FDD 制式發展優勢

3.1 低頻譜優勢

5G 相較于4G 通信而言，最大優勢在于能夠支持更大帶寬來支撐大速率需求。TDD制式屬于時分，以2.6 GHz 100 Mb/s 帶寬為例，上下行時隙配8:2 等同于下行占用80 Mb/s 帶寬，上行占用20 Mb/s 帶寬，加上2%的控制信令開銷，因此實際速率體驗并不能完全發揮5G 全部帶寬需求。鑒于獲取頻譜資源比較困難，運營商需要在更多已有頻譜來實現效率更高效的網絡制式覆蓋。FDD 網絡制式大規模部署在2G、3G、4G 頻段中，亦嘗試部署在2.6 GHz 較高頻段或全量部署700 MHz 或800 MHz 的超低頻段來實現廣覆蓋、高穿透場景[12]。

由于低頻頻譜碎片化嚴重，天線陣子低頻巨大化，無法形成連續大于等于50 MHz 的大帶寬，且隨著5G 終端普及對網絡全覆蓋需求急劇增加，當前TDD 高頻在部署成本、穿透覆蓋損耗方面遠高于FDD 制式，上行覆蓋能力低于FDD 制式。就部署成本而言，5G AAU 智能天線設備由于通過獨特的天線陣子設計和復雜的生產工藝來實現智能化基站運維，因此其整體建設部署成本遠超4G 基站，其綜合單站成本為4G 站點的2.1～3.5 倍，電力運維成本為4G 站點的5～7 倍[13]。

3.2 4G 至5G 站點平滑過渡

當前全球5G 建設已經完成第一階段大規模布站，網絡發展逐步進入平穩期，5G 用戶發展和4G用戶遷移變成各個運營商當前的主要任務。截止2021 年5 月份，國內3 大運營商5G 用戶規模已達18 000 萬，5G 用戶駐留比低于40%，5G 流量占4G和5G 用戶總流量的比例不足13%。如何解決5G用戶“遷上去”“留下來”的問題成為當前各大運營商主要考慮的重點。前端市場根據網絡中用戶類型評估、行為分析、流量套餐優化來實現精準遷移4G 用戶至5G 網絡中來，從而緩解用戶分布不足的問題，而后端網絡結構優化成為促進5G 用戶長期駐留的關鍵[14]。

5G 屬于大帶寬通信，當前終端一般需要支持3個運營商18 種網絡制式頻段；因此，不可避免地，為保持高速率傳輸導致的高耗電、發熱、建筑室內信號覆蓋不足、斷網斷流等問題，進一步加劇5G駐留難題。此外，由于革命性應用還未出現，當前5G 流量業務相較于4G 網絡并未發生改變，依然處于多媒體流量為主時代，4G 網絡基本能夠滿足實際業務，然而目前各個運營商無法解決5G 定向流量包問題進導致5G 流量反灌至4G 網絡增加網絡負荷。

通過4G 網絡模型結合用戶行為習慣發現，60%數據流量發生在室內，78%流量用于音頻媒體，鑒于當前4G 和5G 網絡需求的一致性，室內深度覆蓋、邊緣用戶高速率體驗成為當前5G 網絡建設的優化重點方向。當前5G 主要建設頻段分布在2.6 GHz 和3.5 GHz，在室內深度覆蓋能力不足，明顯低于同等功率下1 800 MHz 和700 MHz 覆蓋，因此需要加快LTE 網絡制式升級過渡至NR 或者實現LTE 和NR 的融合。一方面5G FDD NR 覆蓋信號分為SSB 與CSI-RS 窄波束相比于LTE FDD 采用寬波束5 dB 左右的增益，在覆蓋深度方面能力更好，且隨著制造工藝進步，大功率RRU 設備能夠進一步提升邊緣下行峰值體驗，平均增益可達36%，同時輔以5G 終端支持上行雙通道發射，5G 上行邊緣峰值體驗增益可達80%，而隨著FDD 帶寬縮減，邊緣感知提升情況下，終端能耗得到進一步下降，有利于5G 終端用戶長期駐留。另一方面，可以通過實現LTE 和NR 共同使用相同的上下行頻譜資源，獲得快速部署5G 網絡的能力來強化4G、5G 用戶無感知過渡能力。動態頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）是指NR 和LTE 在同一頻段上能夠共同使用同一時頻資源，既可以在LTE 基站上部署DSS 功能，又可以在NR 基站上部署DSS功能；但當前局限于FDD 制式，基站側無需硬件過多改動，只需要新增對應基帶板和軟件升級來實現快速部署5G 融合4G 能力，從而在快速彌補5G TDD 制式在深度覆蓋方面的不足[14]。

3.3 FDD/TDD 協同覆蓋

5G 增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）業務能力實現是以超大帶寬為基礎支撐。當前，在黃金頻段C-Band 構建連續100 Mb/s 帶寬是當前TDD 制式主流架構，同時也是全球大部分運營商5G 首選頻段；但是AAU 的一體化設計導致了基站上下行功率不匹配，時隙配比不均勻，上行覆蓋受限的問題。伴隨著多用戶波束賦形（Multi-user Multiple-input Multiple-Output，MMMIMO）、CRS-Free、CSI-RS 等技術的應用，TDD系統下行干擾得到進一步優化，與上行覆蓋差異進一步拉大。此外，隨著大數據計算仿真能力的發展，可以通過3D 仿真技術結合不同傳播模型和射線追蹤技術，模擬各個頻段不同制式下電磁波傳播路徑結合反射、穿透、繞射、散射等來表征更加復雜化城區環境。低頻段由于連續帶寬限制，NR FDD 能夠獲得上下行等效帶寬從而實現大部分5G eMBB業務能力，如電聯實現2.1 GHz 連續45 Mb/s 帶寬重耕，移動廣電實現700 Mb/s連續30 Mb/s帶寬重耕，通過NR 技術增益在低頻段基本滿足5G 大帶寬業務場景的需求[15]。

根據最新協議，NR 與LTE 能夠設計不同子載波間隔實現錯開，同時NR 采取一定頻域間隔來規避干擾。NR FDD 因為上下行在不同頻段同時進行，相比NR TDD，上下行時隙錯開數據傳輸能力更強，而且TDD 要發送和FDD 同樣多的數據；但是TDD發射時間大約只有FDD 的一半，這要求TDD 的發送功率要大。在基站節能方面，FDD&TDD 協同組網能夠有效降低運營成本，維持客戶感知[16]。在高鐵場景或者地鐵場景時，多普勒效應會導致快衰落，這是因為速度越高，衰落變換頻率越高，衰落深度越深，所以TDD 制式移動終端的移動速度只能達到FDD 移動終端的一半甚至更低。FDD 技術雖然因為上下帶寬偏差過大導致無法精準使用上行表征網絡質量，而TDD 由于上下行時間間隔和功率控制緣故，基站覆蓋半徑明顯小于FDD 基站。隨著輔助上行（Supplementary Uplink，SUL）、超級上行、TDD 和TDD 跨制式載波聚合（Carrier Aggregation，FT-CA）等技術發展，NR FDD 能夠協同NR TDD 實現上行補盲覆蓋，上下行深度感知提升。

4 結語

NR FDD 制式憑借低頻段廣覆蓋優勢加快5G全網覆蓋進展，同時利用舊LTE 頻點開啟DSS、HDSS等特性等方式實現頻段重耕來滿足深層覆蓋、偏遠地區覆蓋、對海遠洋覆蓋。NR 雙制式融合、4G 和5G 協同發展已經是當前5G 用戶快速發展替換的必經之路。結合建設成本、運營成本、用戶遷移問題、深度覆蓋、邊緣用戶感知考慮，單純大帶寬TDD 制式已經無法滿足實際需求。NR FDD 作為5G 兩種關鍵技術路線之一，可以加快5G 網絡全面覆蓋進程，提升5G 網絡用戶接入率、駐留時長，降低終端能耗，從而提升運營商業務經營能力。