Agregación dual de frecuencia de tiempo 5g para enfrentar el desafío de la implementación de redes de 3.5GHz

Spectrum es el recurso principal en el campo de las comunicaciones móviles. El espectro 5g se distribuye en múltiples bandas de frecuencia y cada banda tiene sus propias ventajas y desventajas. La primera ola mundial de redes comerciales 5g utiliza principalmente una banda de onda milimétrica y de 3,5 GHz (3,3 ~ 3,8 ghz, banda N78) y una banda de 2,6 GHz (2,496 ~ 2,69 ghz, banda n41) más altas. La banda de 3,5 GHz adopta el modo TDD. En comparación con 1.8GHz (banda 3) y otras bandas FDD comúnmente utilizadas en redes 4G, 3.5GHz no solo tiene una mayor pérdida de penetración, sino que también tiene una menor proporción de ranuras de enlace ascendente disponibles. En términos de cumplir con los requisitos del servicio 5g, existen tres desafíos: ancho de banda de enlace ascendente, cobertura de enlace ascendente y retardo de transmisión.

Ancho de banda de enlace ascendente

El modo TDD utiliza la misma frecuencia para el enlace ascendente y el enlace descendente, y adopta la transmisión dúplex por división de tiempo. La proporción de enlace ascendente y descendente en la banda de 3,5 GHz de China es 3: 7, es decir, el 30% de los intervalos de tiempo se utilizan para el enlace ascendente y el 70% de los intervalos de tiempo se utilizan para el enlace descendente. Tomando el ancho de banda de 100MHz como ejemplo, el ancho de banda de enlace ascendente disponible es de solo 30MHz, que es solo 1.5 veces el de un solo operador 4G.

Cobertura de enlace ascendente

Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida de propagación espacial y menor será la distancia de cobertura. La pérdida de ruta del enlace ascendente de 3,5 GHz es 5 dB más alta que la de la banda de 2,1 GHz. Además, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la pérdida de penetración, lo que se traduce en una distancia de cobertura más corta.

Retraso de transmisión

Debido a la transmisión por división de tiempo de enlace ascendente y enlace descendente en modo TDD, el terminal no puede enviar datos de enlace ascendente cuando recibe datos de enlace descendente, lo que conduce a un retraso de espera adicional en el proceso de transmisión de enlace ascendente. Para la banda de 3,5 GHz con un 30% del enlace ascendente, el tiempo de espera es de 0 a 2 ms, con un tiempo de espera medio de 0,8 ms. De manera similar, en sentido descendente, el tiempo de espera es de 0-1 MS, con un tiempo de espera promedio de 0.2 Ms.

La doble agregación de frecuencia de tiempo mejora la capacidad de la red 5g y el rendimiento de la cobertura

Combinado con las características del espectro y el estado de la industria, cómo mejorar el rendimiento del enlace ascendente 5g con 2.1GHz y 700MHz se ha convertido en un tema candente en la industria. ZTE propone un esquema de agregación dual 5g de tiempo-frecuencia para ayudar a los operadores a mejorar de manera efectiva el rendimiento de la red 5g.

Esta tecnología se basa en la agregación de portadoras y hace uso de las ventajas de FDD y TDD para formar complementarios, a fin de mejorar el rendimiento del enlace ascendente y descendente de 5g. FDD tiene baja frecuencia y una fuerte cobertura, y no hay demoras de espera adicionales durante la transmisión FDD, pero el ancho de banda suele ser pequeño; TDD tiene un gran ancho de banda, y tanto el enlace ascendente como el enlace descendente están maduros, y se aplica la tecnología MIMO, pero la cobertura y el retraso son más débiles que FDD. Después de usar la tecnología de doble agregación de tiempo-frecuencia de 5g, como se muestra en la Figura 1, el terminal puede usar el espectro FDD + TDD para transmitir el enlace ascendente y el enlace descendente en el centro de la celda (punto cercano) para obtener un gran ancho de banda y una capacidad de bajo retardo; en el borde de la celda (punto remoto), el terminal cambia el enlace ascendente a FDD para mejorar la cobertura, y el enlace descendente mantiene la agregación FDD + TDD,

La tecnología de agregación dual de tiempo-frecuencia 5g coopera hábilmente con el espectro FDD y TDD en el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. Sobre la base de hacer un uso completo de la tecnología madura y sin aumentar el costo adicional de los terminales, se introduce una innovadora tecnología de coordinación y programación entre operadores para resolver los tres desafíos de la red de frecuencia única de 3,5 GHz y mejorar el rendimiento de la capacidad, la cobertura y el retraso.

1) Aumentar la capacidad de 5g

Después de la introducción de la tecnología de agregación dual de frecuencia de tiempo de 5g en la red de 3.5GHz, con la ayuda de la banda de frecuencia de 2.1GHz, el ancho de banda de enlace ascendente del terminal se puede aumentar en un 23% y el ancho de banda de enlace descendente se puede aumentar en un 28%. Si el operador puede usar un ancho de banda de 50MHz en la banda de 2.1GHz en el futuro, el espacio de mejora de enlace ascendente y descendente se ampliará aún más al 58% y 71%, con una mejora significativa de la capacidad.

Generalmente, el número de canales de transmisión de enlace ascendente del terminal 5g es el máximo de dos. La transmisión MIMO 2x2 de enlace ascendente se puede utilizar en la banda TDD y el ancho de banda equivalente se duplica. Sin embargo, si el terminal usa la tecnología tradicional de agregación de portadoras de enlace ascendente para conectar portadoras dobles FDD + TDD, FDD y TDD solo pueden usar un transmisor cada uno, mientras que el enlace ascendente TDD no puede usar la transmisión MIMO 2x2. Por lo tanto, la capacidad de enlace ascendente después de la agregación puede no ser tan buena como no activar la agregación de portadoras. Para resolver este problema, la tecnología de agregación dual 5g de tiempo-frecuencia utiliza el modo round robin para garantizar la capacidad 2x2 MIMO del enlace ascendente de portadora TDD en la agregación de portadora FDD + TDD. Específicamente, en el terminal de ranura de enlace ascendente TDD, el transmisor dual se utiliza para la transmisión MIMO TDD 2x2, mientras que en la ranura de enlace descendente TDD, FDD se utiliza para la transmisión de enlace ascendente de forma inmediata. Este mecanismo de traspaso rápido no solo aumenta el intervalo de tiempo disponible en la dirección del enlace ascendente a casi el 100%, sino que tampoco sacrifica la capacidad TDD 2x2 MIMO.

Fig.2 Relación de intervalo de tiempo de enlace ascendente y enlace descendente y mecanismo de envío redondo de enlace ascendente para agregación dual de frecuencia de tiempo de 5g

2) Mejora la cobertura de 5g

Si se implementa 5g en la banda de 3,5 GHz, el cuello de botella de cobertura aparecerá primero en la dirección ascendente, incluso si la cobertura del enlace descendente de la red sigue siendo correcta. Esto"asimetría" de enlace ascendente y descendente restringe los 3,5 GHz "cobertura"rango y reduce la utilización de la red. A través de la tecnología de agregación dual de frecuencia de tiempo 5g, el terminal puede conectar portadoras FDD y TDD al mismo tiempo, y continuar disfrutando del gran ancho de banda de enlace descendente de la portadora TDD en el borde de la celda, mientras que la transmisión de enlace ascendente puede cambiar a la portadora FDD con mejor cobertura, y ya no se separará del servicio de red 5g debido a la restricción de enlace ascendente.

En comparación con la portadora TDD única, la portadora doble tiene un rango de servicio más amplio y una velocidad de enlace descendente más alta que la portadora FDD única. 2.2.2.3 veces más que el de una sola portadora y enlace ascendente en enlace descendente de 1 GHz. La sinergia da como resultado un ingreso de 1 + 1 mayor que 2.

3) Reducir el retraso de 5g

En la agregación dual 5g de tiempo-frecuencia, el terminal puede usar portadoras FDD y TDD para recibir y recibir selectivamente, y tiene un intervalo de tiempo de transmisión disponible en cualquier momento sin esperas adicionales, reduciendo así el retraso de transmisión. Por ejemplo, el retardo medio de transmisión de enlace ascendente de una sola portadora TDD de 3,5 GHz es de aproximadamente 2,2 ms, que puede reducirse a 1,5 ms en un 31% después de utilizar la tecnología de doble agregación de tiempo-frecuencia.

4) Redes flexibles y fácil implementación

La tecnología de doble agregación de frecuencia de tiempo se puede aplicar a la red entre sectores y entre estaciones, lo que tiene una gran flexibilidad. Los operadores no tienen que obligar a FDD y TDD a construir una estación común. Cada portadora FDD en el lado de la red puede realizar una agregación doble de tiempo-frecuencia con múltiples portadoras TDD al mismo tiempo. A la inversa, una portadora TDD también puede realizar una agregación doble de tiempo-frecuencia con múltiples portadoras FDD. Cada combinación de agregación se establece dinámicamente para un terminal específico.

En el caso de que FDD y TDD de algunos operadores no estén desplegados en la misma estación, o la cobertura del sector no esté completamente superpuesta, ZTE propone una tecnología de programación flexible para relajar los requisitos, de modo que los operadores puedan aplicar fácilmente la agregación dual de tiempo-frecuencia. Estas tecnologías incluyen el uso de un libro de códigos estático y dos grupos PUCCH.

En noviembre de 2019, ZTE completó la primera verificación del esquema de agregación dual de frecuencia de tiempo de 5g de la industria basada en bandas de frecuencia de 2.1GHz y 3.5GHz. Los resultados de la verificación muestran que, en un buen entorno de canal, la tasa de enlace ascendente de un solo usuario se puede aumentar hasta en un 40% en comparación con una sola portadora de 3,5 GHz. La tecnología de polimerización doble de tiempo-frecuencia 5g está en proceso de estandarización 3GPP, y se espera que se complete R16.