子帶全雙工 5G夢想的妥協(xié)？

　　大家好，我是蜉蝣君。

　　本期我們來聊聊一個無線通信領(lǐng)域最基本的話題：雙工。

　　所謂雙工，是指兩臺通信設備之間，可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。具體來說，雙工技術(shù)包含全雙工和半雙工這兩種模式。

　　全雙工是指雙向的數(shù)據(jù)傳輸可同時進行。也就是說，通信雙方都可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也在接收對方發(fā)來的數(shù)據(jù)，收發(fā)并行兩不誤。

　　半雙工可就簡陋地多了，收發(fā)不能同時進行，只能輪流進行：發(fā)的時候不能收，收的時候不能發(fā)。我們常見的對講機就是這樣的模式。

　　全雙工，我們用上了嗎?

　　移動通信技術(shù)經(jīng)過5代的發(fā)展，可以說已經(jīng)臻于至善了。那么，我們的基站和手機在交互時，用的必然是全雙工吧?

　　這個時候，我們最常用的兩個術(shù)語是：FDD(頻分雙工)和TDD(時分雙工)。那么，它們到底是全雙工和半雙工呢?

　　對于FDD來說，我們使用兩段頻譜，一段專門用作基站給手機發(fā)送信號，也叫做下行;另一段則專門用作手機給基站發(fā)送信號，也叫做上行。為了防止下行和上行之間的干擾，使用的這兩段頻譜之間還必須留有一定的隔離帶，這叫做“雙工帶寬”。

　　由此可見，F(xiàn)DD的下行和上行這兩條鏈路都是半雙工的，它們組合起來，以頻譜資源占用翻倍為代價，形成了一個“偽全雙工”系統(tǒng)。這就像馬路上的車道一樣，每條車道只能是單向的，但不同方向的車道組合起來，就可以實現(xiàn)雙向通行。

　　對于TDD來說，頻譜確實僅需占用一段，但上行和下行只能輪流使用。也就是說，基站在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，手機只能靜靜地接收，想發(fā)送數(shù)據(jù)也只能憋著，等分給你的發(fā)送時間到了才行。

　　這不就是貨真價實的半雙工么?我們常用的5G頻段都是TDD模式的，只是上下行之間切換的時間極短，是毫秒級的，我們根本感受不到。所以說，TDD是用微觀上快速切換的半雙工來實現(xiàn)宏觀上的“偽全雙工”。

　　我們難道就不能在同一段頻譜上同時進行收發(fā)，實現(xiàn)真正的“同時同頻全雙工”嗎?這樣一來，頻譜效率直接翻倍啊!國安民樂，豈不美哉?

　　然而，這么多年大家都能看得出的問題還一直懸而未決，其中必然是有著極難解決的巨大困難。

　　要實現(xiàn)全雙工，無異于兩列火車在同一條鐵軌上朝對向高速行駛，其結(jié)果不言而喻。

　　之所以如此，是因為在同一頻段內(nèi)同時收發(fā)，就會產(chǎn)生巨大的干擾。這不但包含基站自身發(fā)送對自身接收的自干擾，還有基站和基站之間的干擾、基站和手機之間的干擾、手機和手機之間的干擾，這些交叉鏈路干擾處理起來異常棘手。

　　因此，大家都只能將主要精力放在增加車道上，把使用的頻段不斷推高，載波帶寬不斷擴寬，收發(fā)通道數(shù)不斷倍增。

　　比如，從2G到5G，使用的頻段從低頻(小于1GHz)到中頻(小于6GHz)，再到毫米波甚至太赫茲，信道帶寬也隨之從幾兆擴展到幾十M、上百M甚至上G;收發(fā)通道數(shù)也從單通道到雙通道、4通道、8通道、32通道、64通道甚至128通道。

　　至于全雙工技術(shù)，雖說在5G的標準化初期被廣泛討論，并被認為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，但最終卻因?qū)崿F(xiàn)困難而被束之高閣。

　　讓無線通信用上真正的全雙工，成了通信人深埋心底的最大夢想。

　　現(xiàn)實的妥協(xié)：子帶全雙工

　　斗轉(zhuǎn)星移，目前5G已商用數(shù)年，5G下半場的技術(shù)標準：5G-Advanced標準正在緊鑼密鼓地制定中。

　　全雙工，再次進入了大家的視野。

　　這是因為，隨著5G行業(yè)應用向工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的滲透，網(wǎng)絡同時支持超大上行帶寬和超低時延的需求凸顯，目前的FDD和TDD模式都難以招架。

　　比如，工廠里面的視頻監(jiān)控、電子圍欄、機器視覺等應用都是大上行業(yè)務為主，多個終端的帶寬需求從幾百Mbps甚至上Gbps;工業(yè)AR需要時延小于10毫秒，AGV協(xié)同搬運需要時延小于5毫秒，機器運動控制需要時延小于4毫秒。

　　為什么不論是當前的FDD和TDD模式都難以同時滿足大帶寬和低時延需求?下面我們來說一說。

　　由于頻譜的使用劃分在歷史上早已確定，不將當前已應用的系統(tǒng)全部下線就沒法更改，因此不同的頻段頻段實際上是和FDD或者TDD雙工模式強綁定的。

　　頻段和雙工模式之間的綁定關(guān)系

　　FDD頻段的特點是頻段低，可用帶寬少，能提供的速率有限。比如，900M上下行各有35M帶寬，1800M上下行各有75M帶寬，這些為數(shù)不多的寶貴資源還要分給多家運營商，每家能用的就更是捉襟見肘，覆蓋雖好但網(wǎng)速上不去。

　　雖說速率有限，但FDD模式有一個突出的優(yōu)點，那就是上下行數(shù)據(jù)在各自獨立的頻譜上發(fā)送，基本上可以做到有數(shù)據(jù)就可以發(fā)送，不用像TDD那樣要卡時間，所以FDD可以實現(xiàn)比較短的時延。

　　TDD頻譜則相反，頻段普遍較高，可用帶寬大。比如在3.5GHz上，聯(lián)通和電信就各有100M帶寬;在2.6GHz上，移動則獨享160M帶寬。

　　這些TDD大帶寬載波通過設置不同的上下行時隙配比，可以實現(xiàn)上行或者下行高速率，但受限于TDD本身的半雙工特點，時延難以降低。

　　雖說我們不太能感受到時延帶來的影響，但工廠里面的機器間通信對此異常敏感。并且如此苛刻的時延要求還是剛性的，達不到就沒法工作。

　　如果能把TDD和FDD的優(yōu)勢融合在同一個頻段內(nèi)，不就能同時支持大帶寬和低時延了嗎?

　　于是就有人想到，你TDD頻譜的帶寬不是大么?我就在TDD載波內(nèi)部再切上一刀劃分成兩段子頻段(稱之為子帶)，兩個子帶還都是TDD模式，但上下行時間的配置相反。這樣一來，你發(fā)送時我接收，你接收時我發(fā)送，這不就擁有了FDD的氣質(zhì)了嗎?

　　這樣一來，我們就可以以較小的代價，就通過子帶劃分和時隙配置，在TDD載波內(nèi)融合了FDD的技術(shù)，也就實現(xiàn)了TDD載波內(nèi)的偽“全雙工”。

　　TDD和子帶全雙工

　　然而這樣的偽“全雙工”本質(zhì)上是TDD和FDD技術(shù)的縫合，實際并沒有實現(xiàn)頻譜效率的提升，只是實現(xiàn)全雙工這個萬里長征的一小步探索，因此它就被叫做“子帶全雙工”，簡稱SBFD(Subband Full Duplex)。

　　子帶怎樣劃分?

　　從純技術(shù)的角度來說，上下行怎樣劃分都行，可以各占一半，這樣上下行速率是平衡的;也可以下行子帶多劃一些，這樣就能實現(xiàn)大下行速率;也可以上行子帶多劃一些，這樣就能實現(xiàn)大上行速率。

　　從需求來看，我們普羅大眾刷視頻需要的是大下行速率，但對時延要求其實并不高，對子帶全雙工沒啥需求;而在工廠里，數(shù)據(jù)上報、監(jiān)控攝像頭、機器視覺等應用需要大上行，同時大量控制類應用需要低時延，因此子帶全雙工在工業(yè)場景是有用的，需配置為以上行子帶為主。

　　至于需要劃分幾個子帶，從使用角度兩個就夠了，但實際這個主要看干擾情況。

　　如果要部署子帶全雙工的運營商的頻譜和其他運營商相鄰，那相鄰的頻譜最好保持原樣以下行為主，那就盡量把上行子帶放得遠一些，這樣能最大化減少干擾。

　　具體來說，如果頻譜兩邊都有相鄰運營商的頻譜，則建議劃分兩個下行子帶和一個上行子帶，并把上行子帶放在中間，按照下行+上行+下行的三明治方式配置;如果只有一邊有其他運營商，那劃分一個下行子帶和一個上行子帶就可以了，這樣效果更好。

　　“三明治”形式劃分的上下行子帶

　　在幀結(jié)構(gòu)的上，為了兼容已有的終端，可以保持DFFFU的傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)，第一個時隙為全下行，中間的三個時隙配置子帶并按需進行上下行靈活調(diào)度，第三個時隙為全上行。

　　上下兩個子帶的兩種配置

　　干擾怎樣消除?

　　系統(tǒng)內(nèi)的自干擾，是子帶全雙工必須解決的核心問題。

　　由于子帶全雙工的上下行的子帶是緊密挨著的，并不像傳統(tǒng)的FDD的上下行頻段那樣有幾十M的雙工間隔，這會導致嚴重的收發(fā)間干擾。

　　一般情況下，基站的信號發(fā)送和接收是共用天線的，發(fā)射出去的強信號又會直接被接收進來，導致本應接收的來自手機的微弱信號被淹沒阻塞。另外，在基站內(nèi)部處理時，射頻收發(fā)鏈路之間也會產(chǎn)生耦合干擾。

　　自干擾抑制有空間域、射頻域、數(shù)字域等手段，多管齊下，多級消除。

　　空間域、射頻域和數(shù)字域自干擾消除

　　空間域自干擾抑制最簡單的手段是收發(fā)天線分離。發(fā)射和接收通過使用各自獨立的天線，并在兩個天線之間增加多個隔離柵，可有效阻止發(fā)射信號進入接收天線。再加上發(fā)射天線在接收天線方向的波束零陷技術(shù)，可進一步降低干擾。

　　收發(fā)高隔離度天線

　　射頻域干擾抑制有兩種方式：子帶濾波器和射頻干擾消除。

　　通過在基站內(nèi)增加子帶濾波器，下行子帶可通過濾波器濾除上行子帶的信號，上行子帶通過濾波器濾除下行子帶的信號。這種方式相對比較簡單，但調(diào)整濾波器帶寬不靈活，且會增加插損。

　　射頻干擾消除是通過采集已知的下行發(fā)射信號的一個副本并傳給上行接收端，再通過構(gòu)造與之相反的信號進行抵消。這種方式比較復雜，成本高。

　　射頻干擾抵消

　　射頻域干擾抑制在具體實現(xiàn)時，可以通過評估需要的干擾抑制能力，選擇一種方式或者兩種方式組合實現(xiàn)。

　　數(shù)字域干擾抑制和射頻域的第二種干擾抑制的思路類似。通過在射頻域引入一路輔助射頻通道并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再在數(shù)字域構(gòu)造與之相反的信號進行抵消，進一步降低殘余干擾。

　　通過空間域、射頻域、數(shù)字域這三級的自干擾消除，就可以將自干擾抑制到靈敏度稍有降低但可接受的水平。

　　解決了自干擾，也就是單個基站自己能正常工作了，但實際部署時不可能僅有一個基站一個終端，而是多個基站要組成網(wǎng)絡，同時服務多個不同的終端。這就涉及到更為棘手的問題：交叉鏈路干擾。

　　交叉鏈路干擾的消除，就需要設計對應的干擾測量機制，做到知己知彼，并傳遞已知的干擾特征，然后再通過波束零陷 、干擾抑制合并等技術(shù)進行干擾消除。這個過程比單個基站內(nèi)的子干擾消除要復雜，目前業(yè)界還在研究中。

　　為了能順利地邁出第一步，我們應該從由易到難，循序漸進。首先，我們可以在智能工廠部署子帶全雙工微站，功率較小，和室外宏站的隔離相對容易一些。

　　后續(xù)，我們再考慮多個子帶全雙工基站之間的組網(wǎng)，最后我們再嘗試去解決子帶全雙工宏站和現(xiàn)網(wǎng)大下行宏站之間的組網(wǎng)。隨著組網(wǎng)干擾問題解決的進展，產(chǎn)業(yè)生態(tài)也就順利成章地成熟了。

　　標準化之路

　　子帶全雙工已在3GPP R18立項，目前正處于SI(Study Item)階段，理論和工程技術(shù)研究已全面展開。

　　中國移動牽頭子帶全雙工技術(shù)的標準化，并將其打包到了UDD(Unified Division Duplex，統(tǒng)一雙工)系列技術(shù)中。其中S-UDD(Single carrier UDD，單載波UDD)就指的是子帶全雙工。三星也類似，將該技術(shù)包裝成了XDD(cross division duplex，交叉雙工)。

　　雖說目前的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但該技術(shù)離正式商用還比較遙遠。按照R18研究，R19標準化的節(jié)奏，相關(guān)協(xié)議預計要到2025年才會凍結(jié)，商用預計要到2026年以后了。

　　2026年，距離6G也就僅剩三年時間。因此，要順利推進實現(xiàn)子帶全雙工技術(shù)的商用，必須著重考慮對現(xiàn)有終端的兼容。因為基站側(cè)的升級改造通常比較容易推動，而終端產(chǎn)業(yè)鏈的普及則要更為滯后一些。

　　在實現(xiàn)了上述子帶不交疊的子帶全雙工之后，我們可以更進一步，讓子帶之間有所交疊，研究怎樣讓交疊之處的少量頻譜可以做同時同頻全雙工。再下一步，我們將推進整個載波向同時同頻全雙工邁進。這是個一步一個腳印的過程。

　　無論如何，子帶全雙工都將作為通向同時同頻全雙工的重要里程碑，在5G和6G的時代之交發(fā)揮承前啟后的價值。

　　FDD和TDD之別，最終將成為歷史的煙塵。