华为与中国电信发布的超级时频折叠5G-Advanced技术有多厉害?

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无线通信的发展历程,就是网络能力和业务应用互相驱动,轮动发展的过程。无线网络已经成为数智社会的基座,在进一步丰富人们的沟通和生活的同时,又承担使能行业数智化转型的使命。

从3G时代开始,无线通信正式进入消费互联网,4G时代爆炸式增长快速点燃了消费互联网。在此过程中,不同的业务对网络有着不同的要求。

5G商用网络自正式启用以来蓬勃发展,当前全球5G商用网络已经超过180张,其中国内站点数超过140万、用户数超过5亿。5G的规模发展,极大的促进了消费互联网发展、加速了行业的数字化升级进程。 

实现上行千兆是5G时代的追求

在疫情期间,5G也为个人及企业提供了高效的数据、通信平台,助力恢复因疫情中断的生活、生产和教育等活动。消费互联网方面,移动视频高清化、沉浸式AR/VR初步催生了智能家居、VR直播营销等新业务,5G消息、云游戏等应用也逐步普及;行业物联方面,5G已赋能20多个行业,创新项目超过1万个,开始从行业辅助生产环节向核心生产环节延伸。 

5G时代的XR需要下行千兆的通信能力,XR PRO需要时万兆的网络能力;上行随着XR、机器视觉、云计算的兴起,需求也正从上行百兆走向泛在千兆。从网络提供侧来看,不同的频率分配模式下网络能力有所不同。

当前业界有两种主流的频率分配模式,一种是FDD(频分双工,Frequency Division Duplex)的分配模式,上下行频谱对称、上行全时隙传输,上行与下行的速率差异主要受限于终端能力;而TDD(时分双工,Time Division Duplex)采用分时上下行,虽然带宽更大但上下行分配并不均衡,以常用的4:1配比模式为例,上行带宽只有下行带宽的1/4。

以中国电信为例,当前2.1G/1.8G/800M网络使用FDD模式,4G网络上下行能力差异大约在2~3倍。全球使用的5G频率C-Band采用 TDD模式,按照当前的配置模式,2021年工信部组织的网络测试数据显示在100M带宽下,下行可以达到平均1Gbps,而上行平均在100M左右。

这样的数据距离泛在千兆的需求仍有不小的差距,解决非对称频率配置问题将是实现上行千兆的关键。

带宽、时延、可靠性

5月10日,华为与中国电信联合举办“超级时频折叠” 5G-Advanced创新技术发布会,并演示了相关技术实验室测试验证结果。 

 

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超级时频折叠技术联合发布仪式

随着5G逐步涉及行业互联网核心业务数字化,“数据连接”的质量和“说到做到”的确定性网络能力要求也不断提升。从无纸化首检、视频监控、设备数据上报、AGV管控,到AR智能作业辅助、机器视觉、大数据质量管理、产线集成运用,园区特定区域内的业务越来越丰富,各种应用在同一区域的集成度也越来越高,基础网络需要在满足局部海量高并发、中/高数据速率物联网连接的同时,还要满足毫秒级时延的实时性控制、高可靠性的应用场景。 

尤其是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检测等应用对于时延、可靠性、上行带宽均有着极高的要求。以车联网为例,带宽要求50Mbps,时延要求5-10ms,可靠性要求6个9;在智能制造领域,带宽需要100Mbps以上,时延低至1-10ms,可靠性要求6个9。

这些场景中,对网络的带宽、时延、可靠性能力的要求更为苛刻,不仅远远超出4G网络的现有能力,也超出了5G当前商用版本的能力。究其原因,无线接入网环境开放,易受干扰,网络波动大,特别是带宽、时延、可靠性就像跷跷板,难以兼顾。例如 TDD频谱连续大带宽,但端到端时延相对较高;FDD频谱时延相对较低,但带宽相对较小。

为了提升空口可靠性,需采用低码率MSC,频域重复,时域聚合,资源预留等手段,但带来的负面结果是频谱效率会大幅降低,可用带宽和容量会大幅下降。

如何满足行业核心生产环节极致的网络能力要求,不仅对5G网络能力演进提出了挑战,更成为业界亟待攻克的技术难题。 

“超级上行”和“超级频率聚变”是什么?

在5G产业发展初期,在原来4G TDD使用4:1使用配比的基础上,中国电信与华为共同推动7:3新时隙配比的上行增强方案,通过5G推进组半年的论证,7:3配比可以带来近50%的频率资源和增益,得到了系统、芯片、终端厂商的广泛支持。在2018年5月,工信部决策C-Band采用7:3配比,奠定了5G上行体验的基础。

 

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为了进一步提升上行能力,2019年6月,电信与华为创新了“超级上行”和“超级频率聚变”, 通过C-Band与现有一个FDD 20M载波互补提升网络的上行带宽能力,实现了上行体验2倍提升。

所谓超级上行,就是将TDD和FDD协同,高频和低频互补,时域和频域聚合,充分发挥3.5G大带宽能力和FDD频段低、穿透能力强的特点,既提升了上行带宽,又提升了上行覆盖,同时缩短网络时延。它是无线通信首个时频结合的技术,是面向2B/2C市场的最优速率/时延解决方案,是无线通信又一个里程碑式的创新,具有跨时代的意义。

之后,“超级上行”核心技术进入3GPP R16,成为了5G R16标准的关键特性之一;同时,“超级上行”也引领了产业发展,得到海思、联发科、展锐等芯片厂商的支持,在全国20多个城市规模商用,服务10多个行业。

 

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2021年2月,电信与华为联合发布“超级频率聚变”,进一步聚合FDD存量频谱,将多个离散的频谱高效形成频谱云化,灵活接入进一步提升上行带宽,实现了上行体验3倍提升。“超级频率聚变”已成功在R18首批立项,并且获得了包括中国移动、中国联通、沃达丰在内的30多家产业伙伴的支持。

5G规模商用三年来,7:3时隙上行体验的优势在商用网络中充分兑现,从商用网络测试中可以看到,7:3的时隙配比可以达到170Mbps左右的平均体验速率,明显优于海外4:1时隙配比网络的上行体验。

华为无线产品线副总裁甘斌认为,面向5.5G“1+1+N”网络,需要在毫秒级时延下,构筑上行泛在Gbps和下行泛在10Gbps的能力。5G走向Sub100G全频段需要利用好超大带宽的TDD频谱。“超级时频折叠”技术通过TDD双载波时域折叠互补,集上行大带宽、低时延、高可靠、超大容量网络能力于一身,将上行体验提高到1Gbps以上,同时时延降低到4ms以内,未来基于毫米波频段,可进一步将时延降低至1ms以内。

 

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如何做到时频折叠?

以传统的3.5G 200M带宽为例,采用7:3的时隙比,端到端的时延超过了10ms,上行等效带宽为60MHz,下行等效带宽为140MHz,可靠性为3到5个9。中国电信和中国联通一共拥有100M左右的FDD频谱和300M的C-Band资源,如果能把多个FDD频率都使用起来,将进一步提升上行能力。

超级时频折叠方案就是将TDD的载波折叠,通过双载波上下行的时域互补,模拟FDD全时隙上下行空口,再通过时域、频域、空域,三域协同和跨层业务调度,保障系统容量不下降。最终达到端到端时延4ms以内,时延降低60%以上,上下行等效带宽100MHz,可靠性提至6个9,更好的支撑了空口可靠性和增强性的特性部署。

 

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经验证,使用C-Band频谱折叠互补增加上行带宽,上行体验超过了1Gbps。相对于原先的TDD 7:3的单载波,上行速率提升接近5倍。

2021年12月,3GPP 在RAN#94-e次会议上,将这个创新方案纳入到R18的上行增强的候选方案中。

华为监事会副主席、运营商BG总裁丁耘认为,华为针对产业互联网对高可靠、大带宽、低时延的业务需求,推出“超级时频折叠”技术,真正做到让设备“开口说话”、让机器自主运行、让职工更轻松的工作、让企业更有效率,帮助产业互联网企业实现核心业务数字化价值。 

据悉,中国电信和中国联通未来新引入的6GHz和毫米波频谱也将按照TDD模式发放,“超级时频折叠”的发布,让基于超大带宽的TDD频谱进行上行创新由此被提上日程。

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