5G FDD/TDD 融合组网趋势研究*

祝海云，居新星，樊忠文

（中国电信股份有限公司金华分公司，浙江 金华 321000）

0 引言

目前2G/3G/4G 移动通信主要部署在6 GHz 以下的低频段，但随着5G 系统的发展和部署，高频段的频谱资源应用可以增加无线频谱宽度，提高数据传输速率，保障热点区域容量成千倍提升。根据网络建设成本及建设效果和基站业务使用情况，低话务5G 覆盖区域使用高频组网极大增加了运营成本，因此需要探索提高低频段频谱使用效率的方法，来实现高低频、时分双工（Time Division Duplex，TDD）和频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）融合组网策略满足覆盖性的差异问题。此外，高频段频谱其频率偏移量大，多普勒效应更为明显，但高频反射能力差，在站点深度覆盖、室内高频频谱的多径效应差，会降低用户间的相关性。随着5G 终端普及以及相关产业升级需求，4G/5G 用户转化成为当前以及将来主要发展趋势，大量4G 存量站点需要加快升级转变以满足实际网络需求。

1 网络制式发展

通信技术发展往往取决于无线基站能力的发展，但是，如今终端产业发展反向刺激无线蜂窝网络新能力开发，大量旧制式无线基站被动配合终端进行缓慢升级。随着终端类型发展，网络能力伴随App 应用能力强势而逐渐边缘化，针对性应用无法匹配当前网络需求进一步限制5G 网络应用发展。

截止2021 年2 月，全国累计建设75 万座5G基站，其中64T64R/32T32R AAU设备占据80＆份额，构成主城区主要容量覆盖网络，而4G 基站累计建设超过210 万座，5G 基站数量与4G 整体基站建设数量比例已达35＆。而当前5G 终端累计出货量 1.5 亿台，4G 终端累计出货量达20 亿台，5G 终端总出货量与4G 终端总出货量比例为7.5＆，规模5G 用户月均流量与4G 月均流量比例为2.3＆，远未达到5G 基站同等数量规模。同时为适应国家信息化政策号召，提前实现全网5G 覆盖，2021—2022 年度完成乡村、城镇、郊区5G 网络覆盖，进一步加剧当前网络割裂状态。依据网络当前发展趋势，4G 部分频段必然被5G 替换，同时进行用户迁移，部分4G 频段保留确保固定用户业务不受影响，而5G 作为未来主要容量层，将类似于3G/4G 替换一样完成网络制式迭代[1]。

2 多因素导致网络发展走向融合

2.1 高额的建设成本

5G 因其独特的天线振子设计技，工艺成本远超4G 基站，其综合单站成本为4G 站点2～3 倍。同时，由于其高频段覆盖问题导致深度覆盖和室内浅层覆盖受限，需要进一步加站处理。以中国移动为例，2013 年末中国移动获得4G TD 牌照，2014 年起中国移动4G 网络开启规模建设和商用。依据财报数据显示，2015 年到2020 年间，中国移动4G 网络投入分别为806 亿元、567 亿元、791 亿元、830 亿元和657 亿元，2021 年这一数字预测为 585 亿元，五年之间中国移动在4G 网络上的投资超过3 600 亿元。截止2020 年末，中国移动全国4G 基站187 万个，覆盖全国99＆的人口。中国联通、中国电信4G基站总数同期分别为85万个、117万个。按此估算，加上其他配套设施费用，三大运营商在4G 网络上的建设至少在8 000 亿元规模，同比估算5G 建设费用可达万亿元有余。随着硬件设施成本急剧上升，通信资费按照政策影响同比下滑，进一步加剧5G 建设成本回收问题的严重性。

2.2 高昂的运维成本

网络运维是传统通信行业重要成本输出之一，包含电费、人力、设备折旧、设备运营管理等。以成熟度最高的4G 站点为例，全国超过50 万座基站处于低话务低流量闲小区状态，30＆的基站贡献80＆的业务流量，高度不平衡业务模型导致运营成本高居不下。依据财报显示，三大运营商每年投入运维费用超过4 000 亿元，5G 投入使用后进一步提升网络运营成本。

当前5G 基站多以64T64R、32T32R 设备为主，以单个64T64R 型AAU 站点主设备单日功耗计算，空载功耗2.1～2.2 kW，均载功耗3.1～3.2 kW，满载功耗3.7～3.9 kW远远超出4G空载1.1 kW的功耗水平，其单位整体功耗高于4G3 倍。同时5G 网络当前并未完全取代4G 网络，目前形成2G/3G/4G/5G 多制式网络并存局面。虽然各大运营商通过各种手段在未来两年内逐步淘汰2G/3G 网络，移频至4G/5G 降低运维成本，但受制于现网大量顽固用户，改制进展缓慢。

2.3 5G 网络覆盖需求

初期阶段5G 终端渗透率低，因此也面临频谱利用率低的问题。于是可以让长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）和新空口技术（New Radio，NR）共同使用相同的上下行频谱资源：无独立NR频谱资源的运营商可以共享存量的LTE 频谱，获得快速部署5G 网络的能力；拥有独立NR 频谱资源的运营商可以将NR 频谱资源共享给LTE，以提升频谱利用率，同时可以通过LTE 开通动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）功能接入5G 网络，进一步解决4G 和5G 无法真正融合的问题。DSS 是LTE 和NR 在同一段频谱上根据业务量需求进行的时频资源动态共享的一种技术。采用FDD 制式的基站上可以同步部署NR，而且基站硬件不用做大的改动，只需新增5G 基带板并升级软件就可以快速支持5G[2]。这种站点具有成本低，部署快、广覆盖5G 的优势。依据国家信息化建设需求以及当前5G 终端业务发展情况，2021—2023 年需要完成乡镇5G 网络覆盖。按照4G 用户业务发展模型规划来看，乡村站点业务量占比低于10＆，因此采用低频段FDD 制式5G 站点能够有效满足覆盖需求，以及能够维持较低的站点建设运维成本。除此之外，低频段FDD 网络相比于TDD 高频网络，拥有抗干扰强、上行同等带宽较大等优势，可作为5G 网络基础覆盖层，实现4G 和5G 融合目标，加快5G 用户发展趋势。

2.4 5G 用户过渡

随着5G 网络建设进展逐渐进入平稳期，用户发展和用户迁移成为当前网络建设关键，新增5G用户规模已达7 000 万，但是实际驻留5G 网络比例低于20＆，运营商面临解决5G 用户“迁上去”和“留下来”的问题。为了解决“迁上去”的问题，开展用户分类评估和网络提升，实现精准迁移。其中，用户迁移评估包含4G/5G 覆盖评估、5G 终端评估、5G 倒流评估。覆盖评估包含4G 和5G 网络测量报告（Measurement Report，MR）、5G 独立组网（Standalone，SA）和非独立组网（Non-Standalone，NSA）混合组网区分场景的覆盖评估和道路覆盖、建筑物级覆盖评估；终端评估包含4G/5G MR 的5G锁网终端识别和5G 价值终端活动区域识别，推动终端厂商尽快升级终端版本反推网络制式适应；倒流评估包含4G/5G MR 的5G 倒流情况分析，并通过参数调整、套餐引流等方式加快流量迁移。

随着网络制式复杂化，终端基带能力被动适应网络制式发展。当前终端普遍需要支持三大运营商12 种制式18 个网络频段，会进一步提高终端功耗，加深解决“留下来”这一问题的难度。此外，由于当前主流App 和流量业务模型未发生明显变化，5G 用户驻留比较低。加快业务模型转型有利于用户5G 感知需求度提升，因此需要各大终端厂商和App 开发者共同协作引导，加快5G 生态建设。运营商需加快FDD NR 和LTE 融合，相较与FDD LTE，5G FDD NR 覆盖信号分为静态共享波束（Static Shared Beam，SSB）与信道状态信息参考信号（Channel State Information Reference Signal，CSIRS）。SSB 采用时分扫描机制，其窄波束相对于4G 宽波束有5 dB 左右的增益，覆盖深度更好。同样20 MHz 带宽，5G 下行理论峰值体验增益15＆，而上行速率因5G 终端支持2T，上行峰值体验增益可达80＆，且整体功耗低于5G TDD，有利于5G 终端用户驻留。

3 频谱共享发展

3.1 FDD/TDD 链路预算对比

链路预算是蜂窝通信建设的关键步骤。在蜂窝通信中，为了确定有效覆盖范围，必须确定最大路径衰落或其他限制因数。如图1 所示，链路预算中，上行链路主要限制因素是终端到基站的接收灵敏度。而对下行链路来说，主要限制因素是从基站到移动台之间基站的发射功率。通过优化上下行之间的平衡关系，有效合理规划站点，使用户在小区覆盖半径内获得更好的网络质量体验。如表1 所示，上下行链路计算是实现上下行链路平衡的关键，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系到小区的实际覆盖范围。通过对比发现，低频FDD 相比高频TDD具备更低的链路损耗，能够实现更广覆盖和深度覆盖[3]。

表1 FDD/TDD 链路预算对比

图1 无线网络空口路径损耗链路

3.2 FDD/TDD 3D 仿真验证对比

随着通信技术以及辅助手段的发展，为更加贴近实际网络覆盖需求，通过3D 仿真技术来模拟各个传播模型以及频段制式下网络覆盖情况有利于现网站点合理规划部署。3D 网络仿真技术结合3D 高精度地图和射线追踪模型来模拟出信号传播路径中的反射、绕射、散射、穿透等现象，能够获得比传统经验传播模型更精细、更合理、更准确地规划仿真结果，且更适合于传播环境复杂的城区环境。FDD NR 3GPP 协议推荐使用Sub3G 频谱，相比TDD NR 网络较高的频谱（如C 波段的毫米波），在反射、绕射、穿透和传播能力更弱。将仿真技术演进与传统的经验传播模型相结合来模拟5G 高低频的传播特征。传统主城区TDD NR 和FDD NR 高低频传播模型仿真示意效果如图2 所示，密集城区环境中，同点位分别部署高频TDD 站点和低频FDD 站点对比仿真效果。浅灰、中灰、深灰代表趋势为仿真覆盖效果由好变差，即绿色覆盖最好、红色最差。因此从覆盖角度来看FDD NR 能够明显弥补高频TDD NR 深度覆盖不足问题。证明通过FDD/TDD 高低频融合组网，将有利于解决当前5G 深度覆盖不足，上行覆盖受终端发射功率限制，TDD 容量覆盖不均衡等难题。

图2 TDD/FDD NR 3D 仿真结果

3.3 FDD/TDD 协同覆盖技术

C-Band TDD 系统拥有大带宽，是构建5G 增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）业务的黄金频段，同时也是全球多数运营商5G 首选频段，但是NR 上下行时隙配比不均以及gNodeB下行功率大，导致C-Band TDD 系统上下行覆盖不平衡，因此，上行覆盖受限成为5G 网络部署的关键技术瓶颈[4]。且随着波束赋型、CRS-Free 等技术的引入，下行干扰会减小，C-Band TDD 系统上下行覆盖差距将进一步加大。基于上述原因，3GPP协议定义了NR 与LTE 部分相同频率可以互相使用，通过FDD 设备DSS 技术实现LTE 部分频段可以通过清频方式或者融合方式接入NR[5]。同时上下行解决定义了新的频谱配对方式，使下行数据在C-Band传输，而上行数据在Sub-3G 频段（如2.1 GHz）传输，从而提升了C-Band 上行覆盖能力。上下行解耦打破了全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）、通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）和LTE 小区只有一个下行载波和一个上行载波的传统的方式，使得NR 小区可以有一个下行载波（C-Band TDD 下行载波）和两个上行载波（C-Band TDD 上行载波和Sub-3G 频段SUL 载波）。为了避免同频段NR 与LTE 之间干扰，协议规定NR 可以依据LTE 的小区参考信号（Cell-Specific Reference Signal，CRS）子载波位置进行NR 侧时域资源映射，能够保证NR 的PDSCH 数据能够绕过LTE 的CRS 子载波进行映射，确保有效利用这部分子载波。NR 与LTE 可以设计不用子载波间隔来确保二者之间不完全正交，但是NR 需要一定的频域保护间隔进行规避，NR SSB 与LTE CRS 之间的相互干扰通过时域规避等手段来减弱干扰。因此频谱共享是FDD/TDD 5G 网络走向融合的关键，是实现4G/5G 用户迁移重要手段[6]。

图3 FDD/TDD 高低频协同组网

4 结语

多网融合、双制式融合已经是5G 发展主流趋势。运营商不但需要考虑建设成本、运营成本、用户迁移问题，还需要对现在网络架构进行整改来降低运营成本、提升网络运营质量。FDD 和TDD 作为网络两种关键技术路线在5G时代必须走向融合，从而加快5G 网络覆盖，提高5G 网络用户接入率，提升运营商业务经营能力。随着5G 终端不断入网，TDD 作为网络容量层已经成为既定事实。仿真结果表明，进一步满足基站深层覆盖和偏远地区覆盖必须辅以FDD 低频技术，实现5G 网络全面覆盖及关键能力应用。