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子带全双工,5G 梦想的妥协?

无线深海 2022/12/19 14:30:14 责编:远生

老师:一边… 一边….是说两件事在同时进行,请大家造个句。

小明:基站一边发送,一边接收。

老师:嗯?你爸是通信工程师吧?

大家好,我是蜉蝣君。

本期我们来聊聊一个无线通信领域最基本的话题:双工

所谓双工,是指两台通信设备之间,可以进行双向的数据传输。具体来说,双工技术包含全双工半双工这两种模式。

全双工是指双向的数据传输可同时进行。也就是说,通信双方都可以在发送数据的同时也在接收对方发来的数据,收发并行两不误。

半双工可就简陋地多了,收发不能同时进行,只能轮流进行:发的时候不能收,收的时候不能发。我们常见的对讲机就是这样的模式。

全双工,我们用上了吗? 

移动通信技术经过 5 代的发展,可以说已经臻于至善了。那么,我们的基站和手机在交互时,用的必然是全双工吧?

这个时候,我们最常用的两个术语是:FDD(频分双工)TDD(时分双工)。那么,它们到底是全双工还是半双工呢?

对于 FDD 来说,我们使用两段频谱,一段专门用作基站给手机发送信号,也叫做下行;另一段则专门用作手机给基站发送信号,也叫做上行。为了防止下行和上行之间的干扰,使用的这两段频谱之间还必须留有一定的隔离带,这叫做“双工带宽”。

由此可见,FDD 的下行和上行这两条链路都是半双工的,它们组合起来,以频谱资源占用翻倍为代价,形成了一个“伪全双工”系统。这就像马路上的车道一样,每条车道只能是单向的,但不同方向的车道组合起来,就可以实现双向通行。

对于 TDD 来说,频谱确实仅需占用一段,但上行和下行只能轮流使用。也就是说,基站在发送数据的时候,手机只能静静地接收,想发送数据也只能憋着,等分给你的发送时间到了才行。

这不就是货真价实的半双工么?我们常用的 5G 频段都是 TDD 模式的,只是上下行之间切换的时间极短,是毫秒级的,我们根本感受不到。所以说,TDD 是用微观上快速切换的半双工来实现宏观上的“伪全双工”。

我们难道就不能在同一段频谱上同时进行收发,实现真正的“同时同频全双工”吗?这样一来,频谱效率直接翻倍啊!国安民乐,岂不美哉?

然而,这么多年大家都能看得出的问题还一直悬而未决,其中必然是有着极难解决的巨大困难。

要实现全双工,无异于两列火车在同一条铁轨上朝对向高速行驶,其结果不言而喻。

之所以如此,是因为在同一频段内同时收发,就会产生巨大的干扰。这不但包含基站自身发送对自身接收的自干扰,还有基站和基站之间的干扰、基站和手机之间的干扰、手机和手机之间的干扰,这些交叉链路干扰处理起来异常棘手。

因此,大家都只能将主要精力放在增加车道上,把使用的频段不断推高,载波带宽不断扩宽,收发通道数不断倍增。

比如,从 2G 到 5G,使用的频段从低频(小于 1GHz)到中频(小于 6GHz),再到毫米波甚至太赫兹,信道带宽也随之从几兆扩展到几十 M、上百 M 甚至上 G;收发通道数也从单通道到双通道、4 通道、8 通道、32 通道、64 通道甚至 128 通道。

至于全双工技术,虽说在 5G 的标准化初期被广泛讨论,并被认为是 5G 的关键技术之一,但最终却因实现困难而被束之高阁。

让无线通信用上真正的全双工,成了通信人深埋心底的最大梦想。

现实的妥协:子带全双工

斗转星移,目前 5G 已商用数年,5G 下半场的技术标准:5G-Advanced 标准正在紧锣密鼓地制定中。

全双工,再次进入了大家的视野。

这是因为,随着 5G 行业应用向工业现场网的渗透,网络同时支持超大上行带宽和超低时延的需求凸显,目前的 FDD 和 TDD 模式都难以招架。

比如,工厂里面的视频监控、电子围栏、机器视觉等应用都是大上行业务为主,多个终端的带宽需求从几百 Mbps 甚至上 Gbps;工业 AR 需要时延小于 10 毫秒,AGV 协同搬运需要时延小于 5 毫秒,机器运动控制需要时延小于 4 毫秒。

为什么不论是当前的 FDD 和 TDD 模式都难以同时满足大带宽和低时延需求?下面我们来说一说。

由于频谱的使用划分在历史上早已确定,不将当前已应用的系统全部下线就没法更改,因此不同的频段频段实际上是和 FDD 或者 TDD 双工模式强绑定的。

频段和双工模式之间的绑定关系

FDD 频段的特点是频段低,可用带宽少,能提供的速率有限。比如,900M 上下行各有 35M 带宽,1800M 上下行各有 75M 带宽,这些为数不多的宝贵资源还要分给多家运营商,每家能用的就更是捉襟见肘,覆盖虽好但网速上不去。

虽说速率有限,但 FDD 模式有一个突出的优点,那就是上下行数据在各自独立的频谱上发送,基本上可以做到有数据就可以发送,不用像 TDD 那样要卡时间,所以 FDD 可以实现比较短的时延。

TDD 频谱则相反,频段普遍较高,可用带宽大。比如在 3.5GHz 上,联通和电信就各有 100M 带宽;在 2.6GHz 上,移动则独享 160M 带宽。

这些 TDD 大带宽载波通过设置不同的上下行时隙配比,可以实现上行或者下行高速率,但受限于 TDD 本身的半双工特点,时延难以降低。

虽说我们不太能感受到时延带来的影响,但工厂里面的机器间通信对此异常敏感。并且如此苛刻的时延要求还是刚性的,达不到就没法工作。

如果能把 TDD 和 FDD 的优势融合在同一个频段内,不就能同时支持大带宽和低时延了吗?

于是就有人想到,你 TDD 频谱的带宽不是大么?我就在 TDD 载波内部再切上一刀划分成两段子频段(称之为子带),两个子带还都是 TDD 模式,但上下行时间的配置相反。这样一来,你发送时我接收,你接收时我发送,这不就拥有了 FDD 的气质了吗?

这样一来,我们就可以以较小的代价,就通过子带划分和时隙配置,在 TDD 载波内融合了 FDD 的技术,也就实现了 TDD 载波内的伪“全双工”。

TDD 和子带全双工

然而这样的伪“全双工”本质上是 TDD 和 FDD 技术的缝合,实际并没有实现频谱效率的提升,只是实现全双工这个万里长征的一小步探索,因此它就被叫做“子带全双工”,简称 SBFD(Subband Full Duplex)。

子带怎样划分?

从纯技术的角度来说,上下行怎样划分都行,可以各占一半,这样上下行速率是平衡的;也可以下行子带多划一些,这样就能实现大下行速率;也可以上行子带多划一些,这样就能实现大上行速率。

从需求来看,我们普罗大众刷视频需要的是大下行速率,但对时延要求其实并不高,对子带全双工没啥需求;而在工厂里,数据上报、监控摄像头、机器视觉等应用需要大上行,同时大量控制类应用需要低时延,因此子带全双工在工业场景是有用的,需配置为以上行子带为主。

至于需要划分几个子带,从使用角度两个就够了,但实际这个主要看干扰情况。

如果要部署子带全双工的运营商的频谱和其他运营商相邻,那相邻的频谱最好保持原样以下行为主,那就尽量把上行子带放得远一些,这样能最大化减少干扰。

具体来说,如果频谱两边都有相邻运营商的频谱,则建议划分两个下行子带和一个上行子带,并把上行子带放在中间,按照下行 + 上行 + 下行的三明治方式配置;如果只有一边有其他运营商,那划分一个下行子带和一个上行子带就可以了,这样效果更好。

“三明治”形式划分的上下行子带

在帧结构的上,为了兼容已有的终端,可以保持 DFFFU 的传统帧结构,第一个时隙为全下行,中间的三个时隙配置子带并按需进行上下行灵活调度,第三个时隙为全上行。

上下两个子带的两种配置

干扰怎样消除?

系统内的自干扰,是子带全双工必须解决的核心问题。

由于子带全双工的上下行的子带是紧密挨着的,并不像传统的 FDD 的上下行频段那样有几十 M 的双工间隔,这会导致严重的收发间干扰。

一般情况下,基站的信号发送和接收是共用天线的,发射出去的强信号又会直接被接收进来,导致本应接收的来自手机的微弱信号被淹没阻塞。另外,在基站内部处理时,射频收发链路之间也会产生耦合干扰。

自干扰抑制有空间域、射频域、数字域等手段,多管齐下,多级消除。

空间域、射频域和数字域自干扰消除

空间域自干扰抑制最简单的手段是收发天线分离。发射和接收通过使用各自独立的天线,并在两个天线之间增加多个隔离栅,可有效阻止发射信号进入接收天线。再加上发射天线在接收天线方向的波束零陷技术,可进一步降低干扰。

收发高隔离度天线

射频域干扰抑制有两种方式:子带滤波器和射频干扰消除。

通过在基站内增加子带滤波器,下行子带可通过滤波器滤除上行子带的信号,上行子带通过滤波器滤除下行子带的信号。这种方式相对比较简单,但调整滤波器带宽不灵活,且会增加插损。

射频干扰消除是通过采集已知的下行发射信号的一个副本并传给上行接收端,再通过构造与之相反的信号进行抵消。这种方式比较复杂,成本高。

射频干扰抵消

射频域干扰抑制在具体实现时,可以通过评估需要的干扰抑制能力,选择一种方式或者两种方式组合实现。

数字域干扰抑制和射频域的第二种干扰抑制的思路类似。通过在射频域引入一路辅助射频通道并将其转换成数字信号,再在数字域构造与之相反的信号进行抵消,进一步降低残余干扰。

通过空间域、射频域、数字域这三级的自干扰消除,就可以将自干扰抑制到灵敏度稍有降低但可接受的水平。

解决了自干扰,也就是单个基站自己能正常工作了,但实际部署时不可能仅有一个基站一个终端,而是多个基站要组成网络,同时服务多个不同的终端。这就涉及到更为棘手的问题:交叉链路干扰。

交叉链路干扰的消除,就需要设计对应的干扰测量机制,做到知己知彼,并传递已知的干扰特征,然后再通过波束零陷 、干扰抑制合并等技术进行干扰消除。这个过程比单个基站内的子干扰消除要复杂,目前业界还在研究中。

为了能顺利地迈出第一步,我们应该从由易到难,循序渐进。首先,我们可以在智能工厂部署子带全双工微站,功率较小,和室外宏站的隔离相对容易一些。

后续,我们再考虑多个子带全双工基站之间的组网,最后我们再尝试去解决子带全双工宏站和现网大下行宏站之间的组网。随着组网干扰问题解决的进展,产业生态也就顺理成章地成熟了。

标准化之路

子带全双工已在 3GPP R18 立项,目前正处于 SI(Study Item)阶段,理论和工程技术研究已全面展开。

中国移动牵头子带全双工技术的标准化,并将其打包到了 UDD(Unified Division Duplex,统一双工)系列技术中。其中 S-UDD(Single carrier UDD,单载波 UDD)就指的是子带全双工。三星也类似,将该技术包装成了 XDD(cross division duplex,交叉双工)。

虽说目前的研究已经取得了一定的进展,但该技术离正式商用还比较遥远。按照 R18 研究,R19 标准化的节奏,相关协议预计要到 2025 年才会冻结,商用预计要到 2026 年以后了。

2026 年,距离 6G 也就仅剩三年时间。因此,要顺利推进实现子带全双工技术的商用,必须着重考虑对现有终端的兼容。因为基站侧的升级改造通常比较容易推动,而终端产业链的普及则要更为滞后一些。

在实现了上述子带不交叠的子带全双工之后,我们可以更进一步,让子带之间有所交叠,研究怎样让交叠之处的少量频谱可以做同时同频全双工。再下一步,我们将推进整个载波向同时同频全双工迈进。这是个一步一个脚印的过程。

无论如何,子带全双工都将作为通向同时同频全双工的重要里程碑,在 5G 和 6G 的时代之交发挥承前启后的价值。

FDD 和 TDD 之别,最终将成为历史的烟尘。

本文来自微信公众号:无线深海 (ID:wuxian_shenhai),作者:蜉蝣采采

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关键词:5G通信

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