子帶全雙工 5G夢(mèng)想的妥協(xié)？

　　大家好，我是蜉蝣君。

　　本期我們來聊聊一個(gè)無線通信領(lǐng)域最基本的話題：雙工。

　　所謂雙工，是指兩臺(tái)通信設(shè)備之間，可以進(jìn)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(shí)進(jìn)行。也就是說，通信雙方都可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也在接收對(duì)方發(fā)來的數(shù)據(jù)，收發(fā)并行兩不誤。

　　半雙工可就簡(jiǎn)陋地多了，收發(fā)不能同時(shí)進(jìn)行，只能輪流進(jìn)行：發(fā)的時(shí)候不能收，收的時(shí)候不能發(fā)。我們常見的對(duì)講機(jī)就是這樣的模式。

　　全雙工，我們用上了嗎?

　　移動(dòng)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(jī)在交互時(shí)，用的必然是全雙工吧?

　　這個(gè)時(shí)候，我們最常用的兩個(gè)術(shù)語是：FDD(頻分雙工)和TDD(時(shí)分雙工)。那么，它們到底是全雙工和半雙工呢?

　　對(duì)于FDD來說，我們使用兩段頻譜，一段專門用作基站給手機(jī)發(fā)送信號(hào)，也叫做下行;另一段則專門用作手機(jī)給基站發(fā)送信號(hào)，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(jià)，形成了一個(gè)“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(shí)現(xiàn)雙向通行。

　　對(duì)于TDD來說，頻譜確實(shí)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(shí)候，手機(jī)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(shí)間到了才行。

　　這不就是貨真價(jià)實(shí)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(shí)間極短，是毫秒級(jí)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(shí)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(shí)進(jìn)行收發(fā)，實(shí)現(xiàn)真正的“同時(shí)同頻全雙工”嗎?這樣一來，頻譜效率直接翻倍啊!國(guó)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(shí)現(xiàn)全雙工，無異于兩列火車在同一條鐵軌上朝對(duì)向高速行駛，其結(jié)果不言而喻。

　　之所以如此，是因?yàn)樵谕�一頻段內(nèi)同時(shí)收發(fā)，就會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾。這不但包含基站自身發(fā)送對(duì)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(jī)之間的干擾、手機(jī)和手機(jī)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(kuò)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(kuò)展到幾十M、上百M(fèi)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(biāo)準(zhǔn)化初期被廣泛討論，并被認(rèn)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(mèng)想。

　　現(xiàn)實(shí)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(chǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：5G-Advanced標(biāo)準(zhǔn)正在緊鑼密鼓地制定中。

　　全雙工，再次進(jìn)入了大家的視野。

　　這是因?yàn)�，隨著5G行業(yè)應(yīng)用向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的滲透，網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持超大上行帶寬和超低時(shí)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(jī)器視覺等應(yīng)用都是大上行業(yè)務(wù)為主，多個(gè)終端的帶寬需求從幾百M(fèi)bps甚至上Gbps;工業(yè)AR需要時(shí)延小于10毫秒，AGV協(xié)同搬運(yùn)需要時(shí)延小于5毫秒，機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制需要時(shí)延小于4毫秒。

　　為什么不論是當(dāng)前的FDD和TDD模式都難以同時(shí)滿足大帶寬和低時(shí)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(dāng)前已應(yīng)用的系統(tǒng)全部下線就沒法更改，因此不同的頻段頻段實(shí)際上是和FDD或者TDD雙工模式強(qiáng)綁定的。

　　頻段和雙工模式之間的綁定關(guān)系

　　FDD頻段的特點(diǎn)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(yùn)營(yíng)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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是上下行數(shù)據(jù)在各自獨(dú)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(shí)間，所以FDD可以實(shí)現(xiàn)比較短的時(shí)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(dòng)則獨(dú)享160M帶寬。

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

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

　　如果能把TDD和FDD的優(yōu)勢(shì)融合在同一個(gè)頻段內(nèi)，不就能同時(shí)支持大帶寬和低時(shí)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(gè)子帶還都是TDD模式，但上下行時(shí)間的配置相反。這樣一來，你發(fā)送時(shí)我接收，你接收時(shí)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(jià)，就通過子帶劃分和時(shí)隙配置，在TDD載波內(nèi)融合了FDD的技術(shù)，也就實(shí)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(shí)際并沒有實(shí)現(xiàn)頻譜效率的提升，只是實(shí)現(xiàn)全雙工這個(gè)萬里長(zhǎng)征的一小步探索，因此它就被叫做“子帶全雙工”，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)大下行速率;也可以上行子帶多劃一些，這樣就能實(shí)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(duì)時(shí)延要求其實(shí)并不高，對(duì)子帶全雙工沒啥需求;而在工廠里，數(shù)據(jù)上報(bào)、監(jiān)控?cái)z像頭、機(jī)器視覺等應(yīng)用需要大上行，同時(shí)大量控制類應(yīng)用需要低時(shí)延，因此子帶全雙工在工業(yè)場(chǎng)景是有用的，需配置為以上行子帶為主。

　　至于需要?jiǎng)澐謳讉�(gè)子帶，從使用角度兩個(gè)就夠了，但實(shí)際這個(gè)主要看干擾情況。

　　如果要部署子帶全雙工的運(yùn)營(yíng)商的頻譜和其他運(yùn)營(yíng)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(yuǎn)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(yùn)營(yíng)商的頻譜，則建議劃分兩個(gè)下行子帶和一個(gè)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(yùn)營(yíng)商，那劃分一個(gè)下行子帶和一個(gè)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(gè)時(shí)隙為全下行，中間的三個(gè)時(shí)隙配置子帶并按需進(jìn)行上下行靈活調(diào)度，第三個(gè)時(shí)隙為全上行。

　　上下兩個(gè)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的收發(fā)間干擾。

　　一般情況下，基站的信號(hào)發(fā)送和接收是共用天線的，發(fā)射出去的強(qiáng)信號(hào)又會(huì)直接被接收進(jìn)來，導(dǎo)致本應(yīng)接收的來自手機(jī)的微弱信號(hào)被淹沒阻塞。另外，在基站內(nèi)部處理時(shí)，射頻收發(fā)鏈路之間也會(huì)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(jí)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(jiǎn)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(dú)立的天線，并在兩個(gè)天線之間增加多個(gè)隔離柵，可有效阻止發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(hào)，上行子帶通過濾波器濾除下行子帶的信號(hào)。這種方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但調(diào)整濾波器帶寬不靈活，且會(huì)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(hào)的一個(gè)副本并傳給上行接收端，再通過構(gòu)造與之相反的信號(hào)進(jìn)行抵消。這種方式比較復(fù)雜，成本高。

　　射頻干擾抵消

　　射頻域干擾抑制在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以通過評(píng)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(shí)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(hào)，再在數(shù)字域構(gòu)造與之相反的信號(hào)進(jìn)行抵消，進(jìn)一步降低殘余干擾。

　　通過空間域、射頻域、數(shù)字域這三級(jí)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(gè)基站自己能正常工作了，但實(shí)際部署時(shí)不可能僅有一個(gè)基站一個(gè)終端，而是多個(gè)基站要組成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)服務(wù)多個(gè)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(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的干擾測(cè)量機(jī)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(jìn)行干擾消除。這個(gè)過程比單個(gè)基站內(nèi)的子干擾消除要復(fù)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(yīng)該從由易到難，循序漸進(jìn)。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(duì)容易一些。

　　后續(xù)，我們?cè)倏紤]多個(gè)子帶全雙工基站之間的組網(wǎng)，最后我們?cè)賴L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(jìn)展，產(chǎn)業(yè)生態(tài)也就順利成章地成熟了。

　　標(biāo)準(zhǔn)化之路

　　子帶全雙工已在3GPP R18立項(xiàng)，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(guó)移動(dòng)牽頭子帶全雙工技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)展，但該技術(shù)離正式商用還比較遙遠(yuǎn)。按照R18研究，R19標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)奏，相關(guān)協(xié)議預(yù)計(jì)要到2025年才會(huì)凍結(jié)，商用預(yù)計(jì)要到2026年以后了。

　　2026年，距離6G也就僅剩三年時(shí)間。因此，要順利推進(jìn)實(shí)現(xiàn)子帶全雙工技術(shù)的商用，必須著重考慮對(duì)現(xiàn)有終端的兼容。因?yàn)榛�站�?cè)的升級(jí)改造通常比較容易推動(dòng)，而終端產(chǎn)業(yè)鏈的普及則要更為滯后一些。

　　在實(shí)現(xiàn)了上述子帶不交疊的子帶全雙工之后，我們可以更進(jìn)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(shí)同頻全雙工。再下一步，我們將推進(jìn)整個(gè)載波向同時(shí)同頻全雙工邁進(jìn)。這是個(gè)一步一個(gè)腳印的過程。

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

　　FDD和TDD之別，最終將成為歷史的煙塵。